滑動(dòng)測(cè)微計(jì)在黃土地區(qū)超高層建筑樁基中的應(yīng)用

彭 偉 婁云雷

（中船勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200063）

0 引言

隨著超高層建筑的大規(guī)模興建，后注漿灌注樁施工工藝的應(yīng)用越來(lái)越多。為進(jìn)一步了解樁側(cè)及樁端阻力在荷載作用下的發(fā)揮情況，需對(duì)樁基進(jìn)行載荷試驗(yàn)。傳統(tǒng)的樁身應(yīng)力應(yīng)變測(cè)試方法屬于點(diǎn)法監(jiān)測(cè)，測(cè)點(diǎn)有限，且測(cè)得數(shù)據(jù)只能代表測(cè)點(diǎn)處的應(yīng)變，點(diǎn)位之間的變形量只能推斷。另外，傳統(tǒng)的測(cè)試方法還存在零點(diǎn)漂移、成活率低、受溫度影響等缺點(diǎn)，實(shí)測(cè)結(jié)果誤差較大[1-3]。

1 滑動(dòng)測(cè)微法的測(cè)試原理

1.1 滑動(dòng)測(cè)微計(jì)的測(cè)量方法

上世紀(jì)80年代初，瑞士聯(lián)邦蘇黎世科技大學(xué)K.Kovari教授提出線法監(jiān)測(cè)原理，Solexperts AG公司利用這一原理研制出滑動(dòng)測(cè)微計(jì)[4]。作為一種高精度便攜式應(yīng)變測(cè)量?jī)x器，其主體為標(biāo)距1 m 兩端呈球形的探測(cè)頭，內(nèi)置各一個(gè)NTC 溫度計(jì)和LVDT位移計(jì)[5]，在測(cè)量前后對(duì)滑動(dòng)測(cè)微計(jì)進(jìn)行校準(zhǔn)，精度可達(dá)到1μm[6]。通過(guò)樁身埋設(shè)的測(cè)試元件連續(xù)測(cè)定整個(gè)樁身在各級(jí)荷載作用下的應(yīng)變量，根據(jù)樁的荷載傳遞原理，可以得到樁身應(yīng)力、抗壓測(cè)摩阻力、樁端阻力、樁土間相對(duì)位移等參數(shù)沿樁身連續(xù)分布的曲線。

在樁基內(nèi)力試驗(yàn)過(guò)程中，在樁身預(yù)埋PVC 套管，管內(nèi)以1 m 的間距設(shè)置環(huán)形量測(cè)標(biāo)記，形成測(cè)微管。環(huán)形量測(cè)標(biāo)記的金屬環(huán)內(nèi)槽呈錐面，探頭兩端呈球面，測(cè)標(biāo)和探頭接觸面只取錐面和球面的一部分，錐面和球面的極精準(zhǔn)特性保證了滑動(dòng)測(cè)微計(jì)的高精度測(cè)量結(jié)果，球錐定位原理見(jiàn)圖1。測(cè)試時(shí)只需將導(dǎo)桿旋轉(zhuǎn)45°，探頭由量測(cè)位置轉(zhuǎn)換到滑動(dòng)位置便可在測(cè)微管中滑動(dòng)。探頭通過(guò)兩個(gè)測(cè)標(biāo)時(shí)將其張緊，探頭中的線性位移傳感器采集數(shù)據(jù)（平均溫度及測(cè)標(biāo)間距）并傳輸?shù)娇刂破髦凶x出，兩測(cè)標(biāo)之間的位移便可利用滑動(dòng)測(cè)微計(jì)依次測(cè)取，滑動(dòng)測(cè)微計(jì)工作原理見(jiàn)圖2。

圖1 球錐定位原理

1.2 測(cè)試數(shù)據(jù)分析及計(jì)算

樁身軸向應(yīng)變采用載荷試驗(yàn)進(jìn)行，為保證測(cè)試精度，每級(jí)荷載加載前上下各測(cè)定一次每根測(cè)管的初始數(shù)據(jù)，荷載穩(wěn)定后測(cè)定相應(yīng)讀數(shù)，其差值乘以標(biāo)定系數(shù)即為各級(jí)荷載下每一測(cè)段的應(yīng)變量。將試樁內(nèi)埋設(shè)的兩根測(cè)管所獲得的各水平面數(shù)據(jù)進(jìn)行平均，從而得到樁身軸向應(yīng)變曲線。

（1）樁斷面修正

為使計(jì)算結(jié)果更可靠，成樁前需測(cè)定鉆孔孔徑沿深度的變化曲線，對(duì)實(shí)測(cè)應(yīng)變進(jìn)行斷面修正，斷面修正完成后需用擬合法對(duì)應(yīng)變曲線進(jìn)行平滑處理。

式中：ki——斷面修正系數(shù)；

di——相應(yīng)段實(shí)測(cè)鉆孔孔徑，m；

D——鉆孔平均直徑，m。

（2）平均靜彈性模量計(jì)算

平均靜彈性模量：

式中：Es——樁身平均彈性模量，GPa；

P——樁頂垂直荷載，k N；

A——樁身平均截面積，m2；

ε0——樁身應(yīng)變，10-6。

根據(jù)各級(jí)荷載下的樁頂回歸應(yīng)變曲線，便可計(jì)算彈性模量隨應(yīng)變量級(jí)的變化規(guī)律，一般可用線性方程表達(dá)：

式中：εi為任意斷面處應(yīng)變量，計(jì)算軸向力和摩阻力時(shí)采用不同的彈性模量值。（3）軸向力及摩擦力的計(jì)算樁身軸向力：

側(cè)阻力：

式中：Ni——任意界面處的軸向力，k N；

fi——樁身i測(cè)段處的單位摩阻力，kPa；

L——測(cè)段長(zhǎng)度，取1 m。

2 試驗(yàn)基本情況

2.1 工程概況

陜西某地新建一超高層，主體建筑為一幢62層塔樓，總高度369 m，地下三層，埋深-16.5 m。塔樓基底壓力為1360 kPa，由于天然地基及復(fù)合地基難于滿足如此大的上部荷載，故采用樁基礎(chǔ)方案（見(jiàn)圖3）。主要土層為填土、黃土、古土壤、細(xì)砂、粉質(zhì)黏土。樁基檢測(cè)項(xiàng)目有成孔質(zhì)量、樁身完整性、側(cè)摩阻力、單樁豎向極限承載力等檢測(cè)項(xiàng)目（見(jiàn)圖4）。

圖3 樁位布置圖

圖4 滑動(dòng)測(cè)微計(jì)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試圖

2.2 試樁情況

該試樁工程設(shè)計(jì)鉆孔灌注樁13 根，樁徑為1000 mm，其中試樁SZ1為3根，SZ2為1根，錨樁9根，試樁樁樁長(zhǎng)66.2 m。SZ1、SZ2樁身混凝土強(qiáng)度為水下C50，錨樁樁身混凝土強(qiáng)度為水下C30。試樁單樁豎向承載力特征值11000 k N，試樁極限承載力28000 k N，錨樁抗拔承載力特征值7800 k N。SZ1采用樁端、樁側(cè)復(fù)式后注漿，樁側(cè)注漿位置為樁頂標(biāo)高以下15.0 m、30.0 m、45.0 m。SZ2采用樁端后注漿，錨樁不注漿，定量壓漿4000 kg，樁位布置見(jiàn)圖3。本次工程每根試樁埋設(shè)2根測(cè)微管，分段對(duì)接，按1 m 間距設(shè)置金屬測(cè)標(biāo)，管頂高出灌注樁0.3～0.5 mm，安裝過(guò)程中確保測(cè)管平直，滿足滑動(dòng)測(cè)試要求。施工過(guò)程中采用泥漿護(hù)壁、旋挖機(jī)械成孔工藝，成孔測(cè)試結(jié)果顯示試樁孔徑、垂直度和孔底沉渣厚度滿足設(shè)計(jì)要求，各試樁及錨樁樁身完整性亦符合要求。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 豎向抗壓靜載試驗(yàn)結(jié)果分析

本次靜載試驗(yàn)采用慢速維持荷載法進(jìn)行，各試樁均未達(dá)到極限破壞，Q-S曲線均為緩變形，s-lgt曲線沒(méi)有出現(xiàn)向下彎曲，各樁型的Q-s曲線見(jiàn)圖5。試驗(yàn)簡(jiǎn)要數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

圖5 各樁型靜截試驗(yàn)Q-S 曲線

表1 單樁豎向抗壓靜荷載試驗(yàn)數(shù)據(jù)

SZ1-2試樁靜載荷加載至26000 k N 時(shí)，M3錨樁上拔量急劇偏大，無(wú)法提供足夠的反力，試驗(yàn)終止。經(jīng)調(diào)查，由于天氣原因，M3樁成孔完成三天后才進(jìn)行混凝土灌注成樁作業(yè)，造成樁周泥皮過(guò)厚，錨樁抗拔力的下降或許與此情況有關(guān)。

SZ2-1試樁在28000 k N 在荷載下未發(fā)生破壞，總沉降量比SZ1型樁略有增大（約4～5 mm），回彈曲線包絡(luò)面積相對(duì)偏大。這一差異表明側(cè)注漿對(duì)樁周土耗能結(jié)構(gòu)的增強(qiáng)以及在長(zhǎng)期荷載作用下對(duì)沉降的限制作用。SZ2樁型的試樁數(shù)量?jī)H為1根，同時(shí)考慮到與SZ1樁型的3根試樁距離較近，SZ1樁的側(cè)注漿可能對(duì)該樁的承載力有一定的影響。

3.2 樁身內(nèi)力測(cè)試結(jié)果分析

荷載試驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)滑動(dòng)測(cè)微計(jì)技術(shù)得到SZ1、SZ2樁身在各級(jí)靜荷載作用下的應(yīng)變量，本文以SZ1-3樁的試驗(yàn)數(shù)據(jù)為例進(jìn)行探討。為準(zhǔn)確獲取樁側(cè)阻力和端阻力的發(fā)揮過(guò)程及分布規(guī)律，并考慮各種可能的影響因素，需對(duì)實(shí)測(cè)的樁身應(yīng)變數(shù)據(jù)進(jìn)行一系列必要的計(jì)算及分析。

3.2.1 應(yīng)變斷面修正

由孔徑測(cè)試結(jié)果可知，試樁樁徑隨深度而變化，由此導(dǎo)致樁身各測(cè)段實(shí)測(cè)應(yīng)變值具有一定變異性，因此將其歸一化到樁身平均截面是必要的。根據(jù)上述公式1，對(duì)SZ1-3樁實(shí)測(cè)應(yīng)變進(jìn)行斷面修正，得到修正后的應(yīng)變-深度關(guān)系曲線，見(jiàn)圖6。

通過(guò)分析可以發(fā)現(xiàn)：

（1）試樁樁身應(yīng)變曲線成鋸齒狀波動(dòng)，這與加載過(guò)程中樁身內(nèi)力傳遞引起的應(yīng)力變化有關(guān)，也與實(shí)際樁徑及混凝土彈性模量變異有關(guān)，而樁的上部應(yīng)變偏小是實(shí)際樁徑增大引起的。

（2）試樁在約20～55 m 范圍內(nèi)由大變小趨勢(shì)明顯，說(shuō)明這一深度范圍內(nèi)的土層能夠?yàn)闃扼w提供的側(cè)摩阻力較大，是試樁承載力的主要提供者，其下部的土層主要起穩(wěn)定沉降的作用。

3.2.2 應(yīng)變曲線擬合

為消除因局部測(cè)量誤差引起的離散點(diǎn)，經(jīng)斷面修正后的數(shù)據(jù)尚應(yīng)進(jìn)行應(yīng)變曲線的擬合，采用約束樣條擬合法進(jìn)行平滑處理，根據(jù)回歸后的樁身數(shù)據(jù)繪制樁身回歸應(yīng)變-深度關(guān)系曲線，見(jiàn)圖7。

圖7 SZ1-3回歸應(yīng)變-深度關(guān)系曲線

3.2.3 樁身平均彈性模量

混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系在超過(guò)一定的應(yīng)力水平后呈現(xiàn)非線性特性，其彈性模量將隨應(yīng)變或軸力的增加而降低。為了得到符合實(shí)際的樁身軸力，應(yīng)根據(jù)應(yīng)變量級(jí)采用不同的彈性模量，根據(jù)上述式（2）、式（3），可得出SZ1-3試樁的平均彈性模量與應(yīng)變關(guān)系曲線（見(jiàn)圖8），樁身平均彈性模量方程為：

圖8 SZ1-3試樁彈性模量-應(yīng)變關(guān)系曲線

3.2.4 樁身軸力計(jì)算與軸力傳遞曲線

根據(jù)樁身應(yīng)變和混凝土的彈性模量可以計(jì)算樁身相應(yīng)深度處的軸力，見(jiàn)式（4），圖9為SZ1-3試樁在樁頂荷載下樁身軸力沿樁身分布曲線。

圖9 SZ1-3試樁軸力-深度關(guān)系曲線

在樁頂荷載作用下，樁身軸力均隨樁深度的增加而遞減。樁端應(yīng)變很小，表明在試驗(yàn)荷載下樁端阻力發(fā)揮很小，在終止荷載下承載力發(fā)揮以側(cè)阻力為主。

（1）在樁頂荷載作用下，樁身軸力均隨樁深度的增加而遞減。樁端應(yīng)變很小，表明在試驗(yàn)荷載下樁端阻力發(fā)揮很小，在終止荷載下承載力發(fā)揮以側(cè)阻力為主。

（2）在各級(jí)荷載下，試樁樁身軸力隨樁的深度變化相近，承載力性狀表現(xiàn)出一定的穩(wěn)定性。

3.2.4 樁的側(cè)阻力及端阻力發(fā)揮特征

根據(jù)已計(jì)算的樁身軸力及實(shí)測(cè)的樁身直徑，通過(guò)式（5）可以分別計(jì)算出試樁在不同荷載下樁身側(cè)阻力及樁端阻力大小，圖10繪出了樁頂荷載作用下側(cè)阻力-深度曲線，圖11為樁端阻力隨樁頂荷載的變化曲線。

分析圖10及表2，可知樁側(cè)阻力及端阻力隨樁深變化的規(guī)律：

（1）在樁頂荷載作用下，側(cè)阻力在樁身某一位置出現(xiàn)峰值，分布形態(tài)屬于“單峰狀”；

（2）峰值的位置變化隨樁頂荷載的增加而向下移動(dòng)；

（3）在28000 k N荷載時(shí)，側(cè)阻力的峰值位于距樁頂約38 m處，數(shù)值為190.41 kPa。

（4）試樁側(cè)摩阻力發(fā)揮段主要為20～55 m，占樁體長(zhǎng)度的53%，主要位于樁體以下30%樁長(zhǎng)至82%樁長(zhǎng)位置；側(cè)摩阻力峰值出現(xiàn)在35～45 m 位置的9-11層，位于樁體以下53%～68%樁長(zhǎng)位置，即樁體中部偏下位置；

圖10 SZ1-3試樁側(cè)阻力-深度曲線

圖11 SZ1-3試樁端阻力-荷載關(guān)系曲線

（5）端阻力曲線在20000 k N 時(shí)尚無(wú)變化，其后出現(xiàn)小幅度的增長(zhǎng)，24000 k N 時(shí)出現(xiàn)躍升拐點(diǎn)，28000 k N時(shí)端阻力達(dá)到1384 kPa。

對(duì)復(fù)式后注漿的SZ1樁型進(jìn)行豎向抗壓靜載試驗(yàn)，采用滑動(dòng)測(cè)微計(jì)技術(shù)進(jìn)行樁身應(yīng)變測(cè)試，經(jīng)綜合分析，單樁豎向極限承載力作用下，樁的側(cè)阻力及端阻力如表2，折減后SZ1-3 試樁極限承載力取21788 k N。

表2 側(cè)摩阻力及端阻力建議值

4 結(jié)語(yǔ)

在西北黃土地區(qū)，后注漿灌注樁施工工藝能大大提高樁基的承載力。滑動(dòng)測(cè)微計(jì)法是一種行之有效的內(nèi)力試驗(yàn)技術(shù)，利用滑動(dòng)測(cè)微計(jì)進(jìn)行樁身內(nèi)力測(cè)試，有利于加深對(duì)樁基承載力性狀及樁土作用機(jī)理的理解，為今后黃土地區(qū)超高層建設(shè)提供施工經(jīng)驗(yàn)及技術(shù)指導(dǎo)。更重要的是通過(guò)對(duì)樁基設(shè)計(jì)、施工工藝的優(yōu)化，可以在保證工程質(zhì)量的前提下，降低工程造價(jià)，具有較明顯的經(jīng)濟(jì)效益。