樁身軸力與側阻力測試在大承載力靜載荷試驗中的應用???

趙天庫

摘 要：建筑物的所有重量均由其下部基礎或基樁來承擔，是上部建筑物能否安全存在的一個至關重要因素。因此，基樁實際承載力極限值的確定就由為重要，特別是當基樁實際有效樁長位于地面以下較深處、且單樁承載力較大時，通過樁身軸力對樁身側阻力進行測試是一種行之有效的方法。

關鍵詞：基樁;樁身軸力;側阻力;承載力;靜載荷試驗

0 引言

在現代城市建設過程當中，工程造價的高低，在設計階段尤為重要，特別是地下隱蔽工程。通常設計方在既有勘察資料的前提下，先進行基礎承載能力的確定性試驗——通過對先期打入的樁進行承載能力檢測，設計人員才可掌握建筑場地大量的巖土工程信息，為后期的建筑設計提供安全可靠的質量保障和前提。

而基樁質量的好壞、承載力的大小對整個工程來說起著決定性的作用。現有的各種基樁檢測方法都有其各自的局限性，這一點正逐步得到人們的認識。傳統的試樁方法如基樁高應變動測、靜載荷試驗只能得到單樁的豎向抗壓或抗拔承載力值或極限承載力值，至于樁身、樁周土還不確切了解。當試驗的一批樁有的能滿足要求，而有的卻遠遠低于設計值，碰到類似情況，在試樁時，對樁身內力及樁側阻分布情況有過測試，就能分析出其中的具體原因，并可給出合理、經濟適用的解決辦法。在這方面，我們進行了一系列的實驗工作，并得到了令人滿意的效果。

同時，隨著人們對地下空間的不斷開發與利用，深層建筑物也在逐日增多。對深層建筑物基樁承載力檢測絕大部分都是在自然地面以靜載荷（少部分采用高應變法）進行，測試結果代表的是從自然地面到樁端全部樁身所具有的承載力，而有效樁長部分的真實承載力則不得而知。若遇到多種不利情況疊加時，實際有效基樁承載力可能會與折減估算值偏差較大，給之后的建筑物沉降量控制帶來不利因素。

1基本理論

在力學研究領域，研究物體在外力作用下的變形和破壞規律，即變形體靜力學理論是工程樁內力測試及樁側摩阻力分布規律試驗的基礎。

1.1變形體靜力學基本假定及相關變形的基本形式

1.1.1基本假定

（1）連續性假定：物體的結構是密實、無空隙的，因而其力學性能是連續的。根據這個假設，就可以把物體內的一些物理量看成是連續的，用坐標的連續函數來表示它們的變化規律;

（2）均勻性假定：物體內各點材料均勻分布，其力學性能是均勻一致的。根據這個假設，就可以取出物體的任意一小部分來分析研究，然后把分析的結果用于整個物體;

（3）各向同性假定：物體內任一點處沿各個方向的力學性能都相同。根據這個假設，在研究材料任一方向的力學性質后，就可以將其結論用于其它任何方向。

1.1.2相關變形形式

（1）軸向拉伸和壓縮：

受力特點：外力作用線與桿軸重合;

變形特點：桿件的長度發生伸長和縮短;

這即是豎向抗壓、抗拔靜載荷試驗樁承載力檢測時的基本變形形式。

（2）彎曲：

受力特點：由垂直于桿件軸線的橫向力作用，或作用于桿軸平面內的外力偶引起的;

變形特點：桿件的軸線由直線變為曲線;

這即是水平靜荷載試驗樁承載力檢測時的基本變形形式。

1.2軸向拉伸和壓縮時橫截面上的內力、軸力

1.2.1內力的特點及計算方法

當桿件受外力作用而變形時，其內部質點間的相對位置發生改變，從而引起相鄰部分的附加相互作用力，這種物體內部各部分之間由于外力作用而引起的附加內力，稱為內力。內力特點及計算方法：

（1）內力隨外力的增加而增加，達到某一極限值時，構件就會產生破壞;

（2）內力與外加載荷的大小和約束的方式有關;

（3）內力的分布與桿件變形有關;

（4）受力桿件中的內力大小采用截面法求得。

1.2.2軸力及軸力圖

當外力F的作用線與桿的軸線重合時，內力FN的作用線也與桿軸線重合，這種軸向內力，簡稱軸力。桿件在軸向拉伸時，軸力的指向離開截面;而當桿件在軸向壓縮時，軸力的指向向著截面，通常把拉伸時的軸力規定為正，壓縮時的軸力規定為義負。當桿件受到多個軸向外力作用時，在桿件的不同段內將有不同的軸力。這也正是抗壓、抗拔試驗樁的基本受力形式。為了表明桿內的軸力隨截面位置的改變而變化的情況，常以軸力圖來表示。軸力圖，就是用平行桿件軸線的坐標表示橫截面的位置，縱坐標表示軸力值的大小，從而繪出表示軸力沿桿軸變化規律的圖形。

1.2.3軸向拉伸與壓縮時橫截面上的應力

根據平面假設，任意兩個橫截面之間所有縱向線段的伸長（壓縮）都相等，又因假設材料是連續、均勻的，所以內力在橫截面上是均勻分布的，且垂直于橫截面，即橫截面上只有正應力σ（法向應力），且是均勻分布的（見圖1）。因軸力FN是橫截面上分布內力系的合力，而橫截面上各點處分布內力即正應力σ均相等，故有：

軸向拉伸（壓縮）桿，桿內最大正應力產生在橫截面上，而平行于桿軸的縱向截面上沒有應力存在，因軸力為橫截面上分布內力系的合力，據截面法原理，即可求得相鄰兩個測點間的軸力之差，即反應了試樁兩個相鄰測點之間樁側摩阻力的大小。同時，工程中也把橫截面上的應力作為拉（壓）桿強度計算的依據。

1.2.4軸向拉伸與壓縮時的變形

軸向變形：直桿受軸向拉力或壓力作用時，桿件會產生軸線方向的伸長或縮短，如圖2所示的等直桿原長L變為LL，桿的軸向伸長為：

由上兩式可見，ΔL和ε在拉伸時均為正值，而在壓縮時均為負值。

實驗表明，工程中使用的大多數材料都有一個線彈性范圍。在此范圍內，軸向拉（壓）桿的伸長（或縮短）ΔL與軸力FN、桿長L成正比，而與橫截面面積A成反比，引入比例常數E，即有：

上式說明：當桿內應力未超過材料的比例極限時，橫截面上的正應力與軸向線應變成正比。比例常數E稱為材料的彈性模量，大小可由實驗測定，量綱與應力的量綱相同。彈性模量E表示材料抵抗彈性拉壓變能力的大小，E值越大，則材料越不易產生伸長（縮短）變形。EA稱為桿件的抗拉壓剛度，它表示桿件抵抗彈性拉壓變形的能力。EA值越大，即剛度越大，桿的伸長（縮短）變形就越小。

2 樁身軸力的計算

（1）對現場實測數據進行處理時，應刪除異常測點數據，求出同一斷面有效測點的應變平均值，并應按下式計算該斷面處的樁身軸力：

（2）每級試驗荷載下，應將樁身不同斷面處的軸力值制成表格，并繪制軸力分布圖。樁側土的分層側阻力和樁端阻力應分別按下列公式計算：

3 工程概況

本項目選址于浦東新區世博后灘西片區C02-01地塊內，世博大道以東、規劃路以南、博成路以西、國展路以北，具體位置參見圖3。項目總投資370518.54萬元人民幣。項目主要建設內容包括新建演出用房、劇目創作排練及制作用房、歌劇藝術教育及交流用房、配套設施和輔助用房、地下人防車庫等。設置劇場3個，大歌劇廳2000座、中歌劇廳1200座、情景歌劇廳1000座。項目總建筑面積146338平方米，其中地上建筑面積75204平方米，地下建筑面積70774平方米，地下通道360平方米。擬建建筑物地上6層、地下2層，部分結構體位于地面以下約30米處，單樁承載力大。工程區域地質情況參見表1。

4 現場檢測

4.1 試樁基本資料（見表2）

4.2應變計的設置

所有（抗壓）試樁全樁長范圍內采用應變計進行樁身軸力及側摩阻力量測。鋼筋應變計在樁頭、設計樁頂、樁底處及其它主要土層分界面標高設置。傳感器標定的斷面設置在樁頂以下1.5～2.0m處，在標定斷面上設置4個應變計，其余各斷面設置3個應變計。傳感器的量程、精度應能滿足測試要求，并采取有效措施保證傳感器的成活率大于90%。各埋設標高根據試樁處相鄰勘探鉆孔資料確定，或按設計圖中所示位置布設。

4.3應變計的安裝

（1）應變計按指定位置沿樁周均勻分布，并焊在主筋上，并滿足規范對搭接長度要求。

（2）在焊接應變計時，為避免熱傳導使鋼筋計零漂增加，采用焊接方式，應滿足以下要求：應變計與鋼筋焊接可采用綁條焊。焊接時儀器應采用棉紗包裹，澆水冷卻，使儀器溫度不超過60°，用冷水降低儀器溫度時，不要將冷水澆至焊縫處，以免影響焊接質量。需保證焊接強度不低于鋼筋強度，并注意使受力鋼筋接頭應距鋼筋應變計兩端接頭不小于1.5m。電纜引出時，為了防止鑿樁頭時對電纜造成損壞，樁頂電纜外套1.5m長的鋼管進行保護。應變計現場布設可參見圖4。

（3）儀器安裝并檢驗正常工作后，經檢測合格后，方可進行混凝土灌注。在混凝土澆筑（灌注）時，采用水下灌注高流態混凝土的方式，避免振搗對傳感器和電纜的造成破壞。

（4）儀器安裝埋設完成后，應及時觀測初始值，并做好標記，以防人為損壞。吊放鋼筋籠子、澆筑砼以及后續土方開挖時，設置的傳感器需加強對檢測器件的保護，施工時采取采用管徑50mm，壁厚3.5mm的鋼管內裝聚苯顆粒等材料進行密封保護，伸出地面0.5m，并與鋼筋籠可靠固定，避免在樁身施工時脫落或受到破壞，造成無法進行檢測。

4.4樁身軸力測量

在靜載荷試樁測試過程中，每次加載完成后，即對所有應變計進行數據測讀與記錄，當每層埋設多個應變計時，現場不得對測試數據進行平均、刪除等。

5 結果與分析

5.1試驗結果

（1）樁身軸力與側阻力深度曲線分別見圖5、圖6，試樁1靜載荷測試Q-S、s-lgt曲線見圖7、圖8，各級荷載作用下樁身軸力統計見表3。

（2）試樁2測試軸力見表4，樁身軸力與側阻力分別見圖9、圖10。

（3）試樁3測試軸力見表5，樁身軸力與側阻力分別見圖11、圖12。

5.2 試樁曲線分析

根據實測截面處的應變通過上述公式求得試樁樁身軸力與側阻力，繪制成樁身軸力與側阻力沿深度的分布曲線見圖11、圖12，從圖得出如下結論：

（1）基樁靜載荷測試無法對有效樁長部分與其上部加長部分的承載力進行區分。

（2）對于大埋深、大承載力的建筑基樁，其承載力測試均在自然地面進行，由于有效樁身上部尚有數拾米加長樁身，后期基樁實際極限承載力要小于靜載荷測試極限值。

（3）試樁的軸力沿深度逐漸遞減向下傳遞，并且在不同的土層中有不同的遞減速率，呈非線性分布，反映出摩擦型樁的特點。

（4）在各級荷載作用下，樁身上部的軸力分布曲線斜率基木不變，說明樁身上部的側摩阻力已發揮充分。

（5）在各級樁頂荷載作用下，樁身上部一定深度范圍內的樁側阻力是基本完全重合的，再次表明此深度范圍內的樁側阻力已發揮充分;在此范圍以下，樁側摩阻力隨著荷載的增加而增加，這說明樁身下部的樁側阻力在逐步發揮出來。

（6）試樁在第三級荷載作用下，下部才出現側明顯的側摩阻力，且隨著荷載的增加，側摩阻力增大。這表明試樁下部的側摩阻力發揮是滯后于中上部的，在加載后期發揮程度逐漸增大。

（7）通過樁身軸力可以更加準確的得出有效樁身長度側阻力及端阻力的分布情況，較單純的靜載荷測試能更加真實反應有效樁長范圍內的受力情況，特別是當樁頂埋深較大時（如地鐵、地下大型樞紐等），為工程質量提供更加科學的數據依據。

參考文獻

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