自平衡法在基樁載荷試驗(yàn)中的應(yīng)用分析

李戟 張毅 李軍

20世紀(jì)80年代，美國(guó)Osterberg教授發(fā)明了樁基承載力測(cè)試的一種新方法，在樁身下部設(shè)置壓力盒，試驗(yàn)時(shí)在樁頂對(duì)壓力盒容器中的介質(zhì)施加壓力，產(chǎn)生一對(duì)向上與向下的反力，使得樁身側(cè)摩阻力和樁端阻力得以發(fā)揮，進(jìn)而達(dá)到極限，得到基樁極限承載力。該方法由東南大學(xué)龔自珍教授引入我國(guó)，稱為自平衡測(cè)試法，它具有加壓裝置簡(jiǎn)單，不占用試驗(yàn)場(chǎng)地，操作方便，成本低等優(yōu)點(diǎn)，能直接測(cè)定樁的側(cè)阻與端阻，目前在工程檢測(cè)中得到了較廣泛的應(yīng)用。

1 自平衡法簡(jiǎn)介

1.1 自平衡法基本原理

自平衡測(cè)試法是應(yīng)用樁自身反力平衡原理，在基樁施工過(guò)程中將荷載箱(千斤頂)與鋼筋籠焊接在一起，埋設(shè)在樁身受力平衡點(diǎn)［1］。試驗(yàn)時(shí)，用高壓油泵通過(guò)引至地面的油管對(duì)荷載箱的內(nèi)腔加壓，由壓力傳感器測(cè)定油壓。荷載箱受力箱蓋、箱底被同時(shí)推開(kāi)，從而調(diào)動(dòng)樁側(cè)土阻力與樁端阻力的發(fā)揮，通過(guò)引到地面的位移桿分別測(cè)量向上、向下的位移，得到對(duì)應(yīng)的Q—S曲線，即可確定荷載箱上段和下段樁的極限承載力，再經(jīng)過(guò)換算，就可得到試樁的極限承載力值［2］。

以自平衡樁的受力平衡點(diǎn)進(jìn)行劃分，平衡點(diǎn)以下相當(dāng)于抗壓樁受力模式，反力由樁端阻力和向上的摩阻力提供;平衡點(diǎn)以上相當(dāng)于抗拔樁受力模式，反力由樁身自重和向下的摩阻力提供［3］，如圖1 所示。

1.2 工作方法

試驗(yàn)采用慢速維持荷載法，依據(jù)DB32/T 291-1999樁承載力自平衡測(cè)試技術(shù)規(guī)程、JGJ 106-2003建筑基樁檢測(cè)技術(shù)規(guī)范、JTJ 041-2000公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范。試驗(yàn)裝置如圖2所示。

位移桿外護(hù)管連接用套筒圍焊，防止混凝土和水泥漿進(jìn)入;位移桿采用絲扣連接，并用管鉗擰緊，與鋼筋籠綁扎成整體。埋設(shè)完荷載箱，應(yīng)當(dāng)及時(shí)保護(hù)好高壓油管，并將出露樁頭的外護(hù)管封頭，防止水泥漿滲入。

2 等效曲線轉(zhuǎn)換方法

2.1 等效Q的轉(zhuǎn)換

由向上、向下的Q—S曲線，可先得到荷載箱上部和下部的極限承載力，再根據(jù)DB32/T 291-1999樁承載力自平衡測(cè)試技術(shù)規(guī)程，可計(jì)算出試樁極限承載力:

其中，Qu為單樁豎向抗壓極限承載力;Q上為荷載箱上部樁的實(shí)測(cè)極限值;Q下為荷載箱下部樁的實(shí)測(cè)極限值;W為荷載箱上部樁自重;γ為荷載箱上部樁側(cè)阻力修正系數(shù)，對(duì)于粘性土、粉土γ =0.8，對(duì)于砂土 γ =0.7。

2.2 等效S的轉(zhuǎn)換

將自平衡法向上、向下兩條Q—S曲線進(jìn)行轉(zhuǎn)換，得到同條件下受壓樁的一條Q—S曲線，應(yīng)符合下述假定:

1)等效的受壓樁也分為上、下段樁，分界截面即為自平衡樁的平衡點(diǎn)截面，側(cè)摩阻力用平均值qsm表示，下段樁Q下=σ0Ap。

2)自平衡法的下段樁與等效受壓樁下段的位移相等。

3)受壓樁上段的樁身壓縮量ΔS為樁端及樁側(cè)荷載兩部分引起的彈性壓縮變形之和，即:ΔS=ΔS1+ΔS2，其中，ΔS1為受壓樁下段產(chǎn)生的彈性壓縮變形量;ΔS2為受壓樁上段產(chǎn)生的彈性壓縮變形量。

在上段樁身側(cè)阻力完全發(fā)揮之前，與等效樁頂荷載Q對(duì)應(yīng)的樁頂位移為S，則有:

當(dāng)上段樁身側(cè)阻力發(fā)揮至極限時(shí)Q上不變，再根據(jù)相應(yīng)的Q下—S下曲線測(cè)定Q下和S下，由下述公式求出等效荷載Q和對(duì)應(yīng)的樁頂位移S:

由此得到傳統(tǒng)的靜載荷試驗(yàn)的一系列點(diǎn)(Qi，Si)，i=1，2，…，n，從而得到等效的樁頂荷載—位移曲線。其中，L為上段樁長(zhǎng)度;Ep為樁彈性模量;Ap為樁身截面面積。

轉(zhuǎn)換后得到的等效Q—S曲線(等效轉(zhuǎn)換曲線)如圖3，圖4所示。

根據(jù)等效轉(zhuǎn)換曲線進(jìn)行劃分，可分為陡變型和緩變型曲線，對(duì)于陡變型曲線取陡變的前一級(jí)荷載為承載力極限值Qu;緩變型曲線取最后一級(jí)對(duì)應(yīng)的荷載為承載力極限值Qu，如圖5，圖6所示。

3 工程實(shí)例

某公路橋?yàn)殂@孔灌注樁，試樁樁長(zhǎng)35.5 m，樁徑1.8 m，混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)C25荷載箱埋設(shè)位置在樁頂以下24 m。橋位區(qū)第四系河流沖洪積物從上至下可分為4層:第①層:壤土層，厚1.0 m～9.0 m。第②層:漂砂卵石層，厚11.4 m～22.3 m。第③層:壤土層，厚2.0 m～11.7 m左右。第④層:砂卵石層，厚4.4 m～28 m以上。樁端持力層為第④層卵石層。

試驗(yàn)加荷至2×8 196 kN時(shí)，上、下位移較明顯，但由于本級(jí)荷載能夠判穩(wěn)，且不滿足終止試驗(yàn)條件，所以繼續(xù)加荷至2×9 562 kN，荷載箱上部樁周土出現(xiàn)較大裂隙，樁身明顯被頂出，荷載不能維持并且下降，說(shuō)明荷載箱上段樁土體系已經(jīng)破壞，終止試驗(yàn)，最大上位移60.48 mm，最大下位移50.05 mm。

荷載箱上段和下段U—d，Q—S曲線如圖7，圖8所示。

從圖7，圖8可看出，加載剛開(kāi)始時(shí)，荷載箱下位移明顯大于上位移，經(jīng)分析可能是受荷載箱下面板的影響，灌漿時(shí)在下面板處殘留少量浮漿。隨著荷載的增加，荷載箱下端逐漸壓實(shí)，上位移迅速增加，最后一級(jí)上位移明顯超過(guò)下位移，說(shuō)明荷載箱上段側(cè)阻力已充分發(fā)揮達(dá)到極限，樁土體系破壞。根據(jù)荷載—位移曲線的變化，也反映出荷載箱在樁身內(nèi)朝著阻力最小方向移動(dòng)的規(guī)律。

由于荷載箱上、下兩段樁身的阻力均得到充分的發(fā)揮，基本上同時(shí)達(dá)到破壞條件，說(shuō)明試驗(yàn)中自平衡點(diǎn)位置的選取是比較準(zhǔn)確的。

由鋼筋混凝土密度ρ=24.5 kN/m3，荷載箱上部樁側(cè)為卵石和壤土，γ =0.7 得:

繪制出等效Q—S曲線，如圖9所示。

4 結(jié)語(yǔ)

自平衡法的關(guān)鍵是荷載箱的埋設(shè)位置即“自平衡點(diǎn)”的選取，上、下兩部分樁身阻力能否同時(shí)達(dá)到極限值，直接影響到試樁極限承載力的確定。對(duì)于樁長(zhǎng)較短的大直徑嵌巖樁或擴(kuò)底樁，向下摩阻力加上樁自重與樁端阻力相比小很多，實(shí)際上平衡點(diǎn)是不存在的。另外對(duì)于大直徑樁還應(yīng)當(dāng)考慮折減效應(yīng)，如直徑1.8 m的灌注樁，折減系數(shù)達(dá)到0.763，這是需要引起注意的。對(duì)于傳統(tǒng)反力裝置無(wú)法滿足的超大噸位靜載荷試驗(yàn)，自平衡法表現(xiàn)出較大的優(yōu)勢(shì)，其裝置簡(jiǎn)單、成本低、測(cè)試周期短、測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確，在橋梁、高層建筑等工程檢測(cè)中已得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。

［1］馬遠(yuǎn)剛，楊春和.極限狀態(tài)及變形量控制下自平衡試樁承載力分析研究［J］.巖土力學(xué)，2009(9):8-11.

［2］程寶輝.自平衡試樁法極限承載力不同計(jì)算方法計(jì)算結(jié)果的對(duì)比分析［J］.橋梁建設(shè)，2009(2):19-26.

［3］曾三海，肖 凱.大直徑鉆孔灌注樁自平衡試樁法研究［J］.土木基礎(chǔ)，2008(6):7.