嵌巖樁內力測試探討

文/張立新、馬曉蕾 河北國華滄東發電有限責任公司 河北滄州 061113

尹宏磊 、莊從國 北京國巖華北技術檢測有限公司 北京 100120

1、引言

電力工程設計中，嵌巖樁因沉降小、能提供的豎向承載力大而受結構設計者的青睞，但目前對嵌巖段的受力機理研究的不夠清楚[1-2]，原體試驗仍是確定嵌巖樁豎向承載力的重要手段。為了方便設計者根據需要調整嵌巖深度，在原體試驗中就必須進行樁身內力測試，確定樁的側摩阻力和端阻力。

在摩擦樁中，內力測試一般可獲得較準確的樁側和樁端阻力，但對于嵌巖樁而言，嵌巖段的內力測試值很小，不符合概念中巖體側摩和端阻相當大的印象。

2、樁身內力測試方法

樁身內力測試可采用應變式傳感器、鋼弦式傳感器或者滑動測微計等。傳感器應設置在兩種不同性質土層的界面處。在地面處或以上應設置一個測量斷面作為傳感器標定斷面。傳感器埋設斷面距樁頂和樁底的距離不宜小于1倍樁徑。在同一斷面處可對稱設置2～4個傳感器。

2.1 鋼弦式傳感器測試內力原理

振弦式鋼筋計屬于鋼弦式傳感器。鋼弦在一定范圍內的荷載作用下，其自振頻率是固定的，當荷載變化時，其自振頻率隨之發生變化，鋼弦的自振頻率與作用荷載有如下的關系：

式中：

Ns——鋼筋計鋼筋荷載；

Kv——傳感器系數，其數值與承壓膜和鋼弦的尺寸及材料性質有關 (kPa/Hz2)；

F0——零壓力(大氣壓力)下鋼弦的自振頻率(Hz)；

Fi——某荷載作用下鋼弦的自振頻率(Hz)。

當鋼筋計承受軸向力時，引起彈性鋼弦的荷載變化，從而改變鋼弦的振動頻率，通過頻率測定儀測定鋼弦頻率變化，即可測出鋼筋所受荷載大小。

鋼筋計測量點上的軸向應變按下式計算：

式中：

Ns——鋼筋計受力（N）；

Es——鋼筋的彈性模量（N/mm2）；

As——測試鋼筋的橫截面積（mm2）。

按式（2）計算獲得的是鋼筋的軸向應變。在一般情況下鋼筋與樁身混凝土是協調變形的，所以按式（2）求得的鋼筋的軸向應變亦為樁身的軸向應變。

求出同一斷面有效測點的應變平均值，并按下式計算該斷面處樁身軸力：

式中Qi——樁身第i斷面處軸力（kN）；

Ei——第i斷面處樁身材料彈性模量（kPa），當混凝土樁樁身測量斷面與標定斷面兩者的材質、配筋一致時，應按標定斷面處的應力與應變的比值確定；

由樁頂極限荷載下對應的各斷面軸力值計算樁側土的分層極限摩阻力和極限端阻力：

式中qsi—— 樁第i斷面與i+1斷面間側摩阻力（kPa）；

qp——樁的端阻力（kPa）；

i——樁檢測斷面順序號，i=1，2，……，n，并自樁頂以下從小到大排列；

u——樁身周長（m）；

li——第i斷面與第i+1斷面之間的樁長（m）；

Qn——樁端的軸力（kN）；

A0——樁端面積（m2）。

2.2 鋼弦式傳感器內力測試方法

原體試驗時，根據試驗區勘測資料，確定安裝鋼筋計的斷面，將鋼筋計與主筋綁扎，通過電纜線與測試儀器連接，靜載試驗時測量在各級荷載作用下鋼筋測力計的頻率大小，通過試驗前標定的鋼筋測力計的頻率和荷載關系，分析計算確定不同截面的樁側及樁底各部分的阻力。

3、某嵌巖樁內力測試

在某電廠的原體試驗過程中，基巖埋深較淺，按嵌巖樁設計。在豎向加載的過程中，采用鋼筋計進行內力測試，獲得樁基設計參數。

3.1 地層巖性

試驗區內覆蓋層主要為第四系全新統、上更新統沖洪積的淤泥質粉質粘土、粘性土，下伏侏羅系泥質砂巖。各地層自上而下描述如下。

①雜填土（Q4ml）：雜色，稍濕，松散～稍密，主要成分為碎石、粘性土和磚渣等，為近期人類活動形成。該層層厚為2.20m。

②1層粉質粘土(Q4al) ：黃褐色，灰黃色，稍濕～濕，可塑偏軟，局部軟塑，含少量高嶺土團塊。該層層厚為0.20m。

②2層淤泥質粉質粘土(Q4al) ：青灰、灰黃色，飽和～濕，軟塑～流塑，略有腥味，該層土為欠固結土，靈敏度較高，有機質含量約在1.10～2.58%之間。該層層厚為4.30m。

⑥1層泥質砂巖(J)：灰白、灰褐色，全風化，泥質膠結，塊狀構造，巖體風化呈粘性土混砂土狀，可見原巖構造，手捏可碎，遇水易軟化，巖體基本質量等級為V類。厚度約為5.20m。

⑥2層泥質砂巖（J）：灰白、灰褐色，強風化，泥質膠結，塊狀構造，巖芯呈短柱狀，裂隙較發育，遇水易軟化和崩解，巖體基本質量等級為V類。該層厚度為1.10m。

⑥3層泥質砂巖（J）：灰白、灰褐、紅褐色，中風化，泥質膠結，塊狀構造，巖芯呈長柱狀或短柱狀，裂隙較發育，遇水易軟化，巖體基本質量等級為V類。該處未揭穿。

3.2 試驗樁設計

采用旋挖成孔工藝，兩組共6根試驗樁，樁徑600mm和800mm的樁長分別為16m、17m，以中風化泥質砂巖作為樁端持力層，樁端進入持力層深度5d分別3m、4m。

3.3 鋼筋計安裝

鋼筋計安裝在6根試驗樁的主筋上，每根樁測試5個斷面，每個斷面對稱安裝3個鋼筋計。Φ600mm樁安裝在1m、7m、10m、13m、15m深度處；Φ800mm樁安裝在1m、7m、10m、13m、16m深度處。

3.4 測試結果——軸力

通過對測試數據計算并根據孔徑測量結果進行校正，試驗樁S1～S6共計6根試驗樁在各級荷載作用下軸力分布情況見圖1～6。

圖1 S1樁分級荷載作用下樁身軸力分布圖

圖2 S2樁分級荷載作用下樁身軸力分布圖

圖3 S3樁分級荷載作用下樁身軸力分布圖

3.5 測試結果分析

從3.4節可以看出，樁端附近軸力很小，對于樁徑800的S4～S6來說，樁端處軸力接近于零，樁頂荷載無法傳遞到樁端。結合地層巖性來分析，當嵌巖段巖體完整性好、強度高時，樁體混凝土與周圍巖體變為一個整體，在進入嵌巖段后，軸力迅速傳入周圍巖體，形成“卡頸”效應，樁端軸力變得很小。由于“卡頸”效應的存在，在嵌巖樁的內力測試中，針對嵌巖段不適合單獨提側阻力和端阻力，而是給出一個綜合的承載力值，這與《建筑樁基技術規范》JGJ94的提法一致。在此次原體試驗中，最終推薦的內力測試值如表1。

圖4 S4樁分級荷載作用下樁身軸力分布圖

圖5 S5樁分級荷載作用下樁身軸力分布圖

圖6 S6樁分級荷載作用下樁身軸力分布圖

表1 各層地基土樁基巖土設計參數推薦值

結論：

本文通過一個在建電廠樁基原體試驗中的內力測試過程，分析了嵌巖段內力的特點，提出針對巖體完整性好、強度高的巖體時會產生軸力的“卡頸”效應，在測試成果中不宜單獨提側阻力和端阻力，而是提供嵌巖段的綜合承載力，設計樁基時可以直接采用。