預應力管樁承載力高應變與靜載檢測對比研究

黃紹念 隆 威 中南大學地球科學與信息物理學院

1 前言

由于樁基工程建設過程中存在一些不確定性[1][2]，對樁基檢測技術提出了嚴格的要求。高應變動力測樁法是對傳統靜載荷試驗有效補充和部分取代[3][4]。相對于傳統樁基檢測手段，高應變動力測樁法優勢在于檢測費用較低、檢測時間快、同一時間檢測數量多[5]，是樁基礎承載力檢測方法目前的發展方向[6]。

2 工程概況

擬建工程場地位于長沙市望城區，其基礎采用預應力管樁（Ф600）。場地巖土分層及特征如下：

①人工填土：素填土為主，結構松散，由硬塑～可塑狀粘性土回填、板巖風化巖塊等回填；

②耕土：褐灰色，松散，主要由可塑粘性土組成，充填腐爛植物根莖及砂礫石；

③粉質黏土：褐黃色夾灰白色為主，濕，堅硬狀，中東部局部因地勢較低，有光澤反應，無搖震反應，干強度中等，韌性中等。

④卵石：褐黃色夾灰白色，稍濕～濕，中密～密實，卵石含量60%，石英質，粒徑一般為3cm～6cm，最大10cm～12cm，黏土、砂充填。

⑤殘積粉質黏土：褐黃色夾灰白色，硬塑狀，由板巖風化殘積形成。

⑥全風化板巖：褐黃、黃、褐紅等色。泥質成分，巖石風化近土狀，原巖結構較清晰；

⑦強風化板巖：褐黃色，為極軟巖，變余泥質結構，中厚層板狀構造，巖芯呈塊狀、碎塊狀及柱狀，理裂隙很發育，巖體基本質量等級為V級。

⑧中風化板巖：褐黃色、褐灰色、青灰色，為極軟軟巖，巖體較完整，變余泥質結構，中厚層板狀構造，巖芯較完整，呈短柱狀或塊狀，部分巖芯破碎。

3 檢測方法和原理

3.1 高應變擬合法

3.1.1 基本原理

在樁頂施加一個足夠大的瞬間動力荷載，產生一個應力波向樁底傳播，該應力波遇到樁身波阻抗界面要向上產生反射，遇到土阻力時也產生反射。在樁側離樁頂1倍～2倍樁徑處安裝應變傳感器和加速度傳感器，同時測定樁身應變信號和加速度信號，通過彈性模量與應變的乘積得出力信號（F（t）），對加速度信號積分得速度信號（ZV（t））。應用一維波動理論和專用軟件進行分析，可測定土阻力的分布情況和樁身完整性，計算基樁的單樁豎向抗壓承載力。現場檢測示意圖如圖1。

圖1 檢測設備及檢測過程示意圖

通過實測曲線擬合法專業軟件（中國科學院（武漢）巖土研究所的PSP－WAP軟件），采用樁-土力學模型，該模型的邊界條件進行擬合條件選擇實測力與速度或上行波，計算曲線應與樁基檢測實測曲線保持基本吻合，樁側土摩阻力應與勘察報告提供巖土層力學參數基本相符，檢測樁的豎向承載力和樁身完整性，可提供樁基摩阻分布圖與樁身內力分布圖、樁身阻抗變化圖、靜載模擬條件下的Q-S曲線，獲得樁底和樁側各單元阻力、阻尼及彈限值、樁身各單元最大壓應力、拉應力等參數，采用加速度信號兩次積分得到最終位移為實測貫入度。

3.1.2 現場檢測方法

高應變試樁使用的傳感器為配套的壓電式加速度計和工具式應變計，預估單樁極限承載力為4800kN。

高應變測試參數設定為：采樣間隔50μs，在t1+2L/c時刻后延續時間大于30ms，信號采樣點數1024點；錘重50kN；錘擊落距為0.5m～0.8m；樁身材料質量密度取2.45t/m3；樁身波速預置為3800m/s。

3.1.3 樁身完整性判定計算公式

樁身完整性系數β 和樁身缺陷位置x 應分別按下列公式計算獲取：

式中：β──樁身完整性系數；

tx──缺陷反射峰對應的時刻（ms）；

x──樁身缺陷至傳感器安裝點的距離(m)；

Rx──缺陷以上部位土阻力的估計值；

t1──初始峰對應的時刻（ms）；

c──樁身波速（m/s）。

根據計算的β值按表1分類標準進行樁身完整性判定。

表1 高應變檢測-樁身完整性分類評價表

3.1.4 測試結果及分析

高應變動力試樁檢測結果見表2。

表2 曲線擬合法分析結果

3.1.5 樁基高應變檢測成果

樁1基本信息見表3，檢測成果如圖2所示。

表3 樁1基本信息

圖2 樁1檢測成果（a實測力及實測速度曲線；b實測速度及計算速度曲線；

模擬Q-S曲線；摩阻力分布及荷載傳遞曲線）

樁2基本信息見表4，檢測成果如圖3所示。

表4 樁2基本信息

圖3 樁2檢測成果（a實測力及實測速度曲線；b實測速度及計算速度曲線；

模擬Q-S曲線；摩阻力分布及荷載傳遞曲線）

樁3基本信息見表5，檢測成果如圖4所示。

表5 樁3基本信息

圖4 樁3檢測成果（a實測力及實測速度曲線；b實測速度及計算速度曲線；

模擬Q-S曲線；摩阻力分布及荷載傳遞曲線）

3.2 靜載試驗

3.2.1 工程施工現場檢測

選用荷載壓重平臺反力裝置進行試驗，碼放混凝土塊到荷載壓重平臺形成反力系統，通過液壓千斤頂置于樁頂模擬豎向荷載施加，經過標定的壓力傳感器給出壓力值后再由千斤頂的標定曲線換算成荷載值。檢測樁的沉降變形量，布置于樁頭的位移傳感器傳輸給靜載荷測試儀記錄輸出。設備安裝見下圖5“壓重平臺反力裝置示意圖”。

圖5 壓重平臺反力裝置示意圖

3.2.2 測試結果及分析

所測1#、2#和3#工程樁的Q-S曲線均為緩變型，樁的沉降量大于40mm時，取S=40mm對應的荷載值為樁的極限承載力。檢測結果匯總見下表。檢測樁試驗荷載和沉降數據匯總表見表6，檢測樁的Q-S曲線見圖6。

表6 檢測結果匯總

圖6 Q-s曲線圖

4 測試數據分析與評價

（1）本次三根樁使用了高應變法波形擬合法，經后期靜載試驗驗證，檢測精度相對較高。波形擬合法評價單樁極限承載力，目前被認為是高應變法檢測中較先進的技術，但它具有多解性，無唯一解。雖然有優良的擬合分析軟件，能夠自動排除大部分明顯不合理的擬合結果，但最終擬合結果還需要分析人員擁有該地區豐富的經驗。

（2）靜載試驗作為傳統直觀的檢測方法，當采用該方法作為工程樁驗收檢測手段時，加載量一般取單樁承載力特征值的2 倍，而受場地、現場安全、成本等多方面的因素影響，使試驗加載至樁側與樁端的巖土阻力達到極限狀態很困難。本次對該工程3根試驗樁進行靜載破壞性試驗，得到三根試驗樁極限承載力，通過比較發現該地區樁的高應變法檢測結果略低于靜載試驗確定的單樁豎向極限承載力，其動靜誤差為-2.78%，整體一致性較好。

5 結束語

本文通過長沙地區某項目現場試驗對靜載試驗和高應變試驗測試數據進行對比分析得出以下結論：

（1）該施工區樁的高應變法檢測結果，略低于靜載試驗確定的單樁豎向極限承載力，兩者的動靜誤差為-2.78%，整體一致性較好。

（2）高應變檢測方法操作得當，結果準確性較高，在本地區該類項目中可以作為普查手段推廣使用。