自平衡法靜載試驗(yàn)中樁頂配載施加方法的研究

虞夢(mèng)澤

（1.福建省建筑科學(xué)研究院有限責(zé)任公司，福建 福州 350025；2.福建省綠色建筑技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 福州 350025）

0 引言

自平衡法通過在樁身平衡點(diǎn)埋設(shè)荷載箱，上段阻力與下段阻力互相平衡的方法測(cè)試樁基的極限承載力。相較于傳統(tǒng)靜載法因大規(guī)模地表荷載對(duì)工程場(chǎng)地的極高要求，該方法能夠有效彌補(bǔ)其無法涉足的地形，在水面、狹窄場(chǎng)地、軟土場(chǎng)地、坡地上得到廣泛的應(yīng)用［1］。且荷載箱內(nèi)通過千斤頂進(jìn)行加載的方式可滿足超大直徑超大承載力工程樁的檢測(cè)需求。當(dāng)樁的側(cè)摩阻力小于端阻力時(shí)，需在樁頂配載以滿足平衡條件，本文評(píng)價(jià)了多種工況下自平衡法靜載試驗(yàn)中樁頂配載的施加方法，并結(jié)合工程實(shí)例，對(duì)規(guī)范中具有樁頂配載的自平衡法加荷方式提出建議并為類似工程提供借鑒。

1 自平衡法試驗(yàn)中樁頂配載的適用條件

抗壓樁的單樁抗壓承載力由樁側(cè)摩阻力和樁端阻力共同組成，其中摩阻力受樁長(zhǎng)、樁徑和樁周土層影響。將荷載箱埋設(shè)在樁身平衡點(diǎn)或樁底后利用荷載箱上段側(cè)摩阻力+自重與下段側(cè)摩阻力+端阻力互為反力維持荷載，見式（1）：

式中：Quus為修正后的試樁上段樁側(cè)摩阻力極限值，kN；Quds為修正后的試樁下段樁的極限側(cè)摩阻力，kN；W為荷載箱上段樁的自重與附加重量之和；Qt為樁端極限承載力。

通過該方法在驗(yàn)證樁身極限承載力的同時(shí)，也能得到平衡點(diǎn)上方的樁側(cè)摩阻力和端阻力與平衡點(diǎn)下方的極限承載力。但對(duì)于部分基巖埋深較淺區(qū)域的工程樁，因其樁長(zhǎng)較短，側(cè)摩阻力較小，計(jì)算得到的平衡點(diǎn)接近樁底甚至因樁側(cè)摩阻力過大而無法得到平衡點(diǎn)，此時(shí)就需要在樁頂施加一定的配載措施，從而保證上下荷載的平衡。根據(jù) JGJ/T 403－2017《建筑基樁自平衡靜載試驗(yàn)技術(shù)規(guī)程》中的規(guī)定：“當(dāng)受檢樁為抗壓樁，預(yù)估極限端阻力大于預(yù)估極限側(cè)摩阻力時(shí)，可將荷載箱置于樁端，并在樁頂采取一定量的配重措施”［2］。但規(guī)范中并未明確樁頂配載的施加方法，給工程檢測(cè)人員和設(shè)計(jì)人員在工程中的使用造成不便。

2 樁頂配載的施加方式分析

當(dāng)上段樁阻力不足以與下段樁阻力平衡時(shí)，可增加樁頂配載［3］，并將荷載箱加載至原設(shè)計(jì)荷載的 110 % ～120 %，使樁端阻力得到充分的發(fā)揮。樁頂配載作為上段側(cè)摩阻力+自重的補(bǔ)充，可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況選用預(yù)制塊、鋼筋、塊石等材料。樁頂配載的自平衡法靜載試驗(yàn)系統(tǒng)如圖 1 所示。

圖1 樁頂配載的自平衡法靜載試驗(yàn)系統(tǒng)圖

根據(jù)工況和試驗(yàn)?zāi)康牡牟煌瑯俄斉漭d的施加方法也有所區(qū)別。本文將樁頂配載的加荷方法分為三種。

1）初始一次性加荷。試驗(yàn)開始前預(yù)先將樁頂配載一次性加荷至極限值。該方法設(shè)備簡(jiǎn)單、操作方便。但當(dāng)樁頂配載+實(shí)際上段樁反力時(shí)該方法無法得到實(shí)際的樁側(cè)摩阻力。適用于樁端承載力遠(yuǎn)大于樁側(cè)摩阻力的情況。

2）隨分級(jí)加荷。隨荷載箱的加荷分級(jí)將樁頂配載分級(jí)加荷，較合理地模擬了側(cè)摩阻力的發(fā)揮方式，且樁身壓縮也分級(jí)逐步產(chǎn)生。

3）按需加荷。當(dāng)上段樁反力不足時(shí)分級(jí)或一次性施加，其中分級(jí)荷載可逐步加載至上下段反力平衡時(shí)刻，得到較為精準(zhǔn)的上段樁側(cè)摩阻力。若樁身沒有明顯上浮趨勢(shì)，則樁頂配載可不使用，保證得到的側(cè)摩阻力不因提前加載而受到干擾。適用于樁身上段承載力與下段承載力相差不大的情況。

3 工程案例

3.1 工程概況

福建某工程由一棟高層酒店和一棟超高層辦公塔樓組成，建筑高度為 130 m，兩棟高層塔樓合用 5 層裙房，地下共 4 層。場(chǎng)地原始地貌屬閩江沖淤積平原，根據(jù)地勘資料樁周土層如表 1 所示。其中典型試驗(yàn)樁為樁徑 1 400 mm，擴(kuò)底擴(kuò)大頭直徑 2 000 mm，擴(kuò)大頭高度2 650 mm，其中等直徑段 750 mm，持力層為砂土狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖，樁端采用高壓后注漿工藝，設(shè)計(jì)極限承載力為 28 000 kN，采用 AM 可視工藝施工，施工前預(yù)估樁底埋深 52.0 m，有效樁長(zhǎng) 43.0 m。

試樁樁周各層土層自上而下分述如下。

①淤泥夾砂。深灰、灰黑色，鱗片狀結(jié)構(gòu)，飽和，呈流塑～軟塑狀，局部含腐殖質(zhì)，味臭，搖震反應(yīng)中等，無光澤，干強(qiáng)度低，韌性差，局部過渡為淤泥質(zhì)土。該層部分地段夾厚度約 1～2 mm 的薄層狀粉細(xì)砂，層狀砂與淤泥厚度比約為 1/10。

②含泥粗砂。淺灰色，灰黑色，飽和，上部呈稍密狀，中下部中密到密實(shí)狀。成分以石英砂為主。粒徑＞ 0.5 mm 顆粒平均含量約占 58.30 %，粒徑＜0.075 mm顆粒平均含量約占 13.50 %。顆粒呈次棱角狀，分選性較好，級(jí)配差，個(gè)別孔段含少量礫石，局部地段過渡為粗砂、中砂等。局部地段分布淤泥質(zhì)土、粉質(zhì)黏土夾層（部分呈透鏡體分布）。

③卵石。淺灰色，灰黑色，飽和，上部多呈稍密狀，中下部多呈中密狀。卵石成份主要為強(qiáng)～中化花崗巖、凝灰?guī)r、砂巖、礫巖等組成，多呈次圓、橢球狀，粒徑多為 2～4 cm，大者達(dá) 6 cm 以上。分選性差，級(jí)配較好，卵石含量一般為 12.3 %～79.6 %，局部過渡為礫砂、圓礫。骨架間隙主要由黏性土及砂土充填，無膠結(jié)。局部地段夾有淤泥質(zhì)土。

④含泥粗砂。淺灰色，灰黑色，飽和，上部多呈中密狀，中下部多呈密實(shí)狀。成分以石英砂為主。粒徑＞0.5 mm 顆粒平均含量約占 66.6 %，粒徑＜0.075 mm顆粒平均含量約占 19.3 %。顆粒呈次棱角狀，分選性較好，級(jí)配差，個(gè)別孔段含少量礫石及圓礫，局部地段過渡為中砂、礫砂等。

⑤卵石。淺灰色，灰黑色，飽和，多呈中密狀。卵石成份主要為強(qiáng)～中化花崗巖、凝灰?guī)r、砂巖、礫巖等組成，多呈次圓、橢球狀，粒徑多為 2～5 cm，大者達(dá) 8 cm 以上。分選性差，級(jí)配較好，卵石含量約為63.4 %，局部過渡為圓礫、礫砂。骨架間隙主要由黏性土及砂土充填，無膠結(jié)。

⑥全風(fēng)化花崗巖。灰黃色，巖芯呈散體狀，組織結(jié)構(gòu)已完全破壞，長(zhǎng)石等礦物已風(fēng)化成砂土狀，巖芯遇水易軟化、崩解，屬極軟巖，巖體完整性程度為極破碎，巖體基本質(zhì)量等級(jí)為 V 級(jí)，力學(xué)強(qiáng)度較高。

⑦砂土狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖。灰黃、灰白、褐黃色，風(fēng)化裂隙發(fā)育，巖體極破碎，呈散體狀結(jié)構(gòu)，巖芯呈砂土狀，手捏易碎，成份主要由石英、風(fēng)化長(zhǎng)石、云母組成，其中部分長(zhǎng)石已高嶺土化，屬極軟巖，巖體基本質(zhì)量等級(jí)為 V 級(jí)，力學(xué)強(qiáng)度較高，壓縮性低，但如遭受長(zhǎng)時(shí)間泡水作用，也會(huì)較快軟化，崩解而導(dǎo)致強(qiáng)度降低。

⑧碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖。灰黃色，結(jié)構(gòu)已大部分破壞，巖芯呈碎塊狀，用手不易捏碎，錘擊易碎，鉆進(jìn)過程有拔鉆聲，成份主要為石英、風(fēng)化長(zhǎng)石、云母。屬軟巖，巖體極破碎，巖體基本質(zhì)量等級(jí)為V級(jí)。巖芯采取率＞65 %，RQD=0。巖石的點(diǎn)荷載抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為8.55 MPa。

樁周巖土層計(jì)算參數(shù)如表 1 所示。

3.2 檢測(cè)方案分析

荷載箱設(shè)計(jì)極限出力為 14 000kN×2，并設(shè)計(jì)在特殊情況可提供 20 % 的額外出力。為發(fā)揮樁底擴(kuò)大頭的完全效果，考慮 45°擴(kuò)散角［4-5］將荷載箱布置在樁底上方 0.7 m 處。當(dāng)采用樁底后注漿工藝時(shí)，計(jì)算取樁側(cè)增強(qiáng)系數(shù)為 1.5，樁端增強(qiáng)系數(shù)為 2.0，側(cè)摩阻力修正系數(shù)取 0.80，荷載箱上部極限承載力約 12 800 kN，荷載箱下部極限承載力約 17 000 kN。可見在注漿效果良好的情況下，平衡點(diǎn)上段的承載力小于平衡點(diǎn)下段的承載力。為保證試驗(yàn)的正常進(jìn)行，需在樁頂施加額外的荷載。考慮到荷載箱上部樁身自重約 1 700 kN，且注漿效果一般難以達(dá)到理論值，本次試驗(yàn)預(yù)留雙倍的儲(chǔ)備荷載，預(yù)留上部配載的計(jì)算公式見式（2）：

表1 樁周土層計(jì)算參數(shù)

式中：W′為預(yù)留上部配載的重量，kN。

3.3 試驗(yàn)過程

待樁端注漿完成 20 d 后，首先對(duì)試樁進(jìn)行超聲波檢測(cè)，樁身完整性為Ⅰ類，后進(jìn)行自平衡法靜載測(cè)試。為了解上段樁身的實(shí)際側(cè)摩阻力，前期加荷過程中墊箱上方千斤頂未頂起，樁頂配載處于空載狀態(tài)。荷載箱加荷方式為慢速維持荷載法，試樁的每級(jí)荷載增量均為 2 800 kN，試驗(yàn)荷載加至 25 200 kN 時(shí)，試樁的向上及向下位移＜40 mm，但試樁向上位移有明顯增大趨勢(shì)，達(dá)到 16.51 mm，超過上一級(jí)的兩倍，但仍能穩(wěn)定。為了防止上段樁位移過大而過早終止試驗(yàn)，采用按需一次性加載方法，將樁頂墊箱上的千斤頂頂起，在試樁樁頂一次性施加 5 000 kN配載并待位移穩(wěn)定后施加下一級(jí)荷載。試驗(yàn)荷載加至最后一級(jí)荷載 28 000 kN 時(shí)，試樁的向下位移明顯增大，累計(jì)位移達(dá)到 89.70 mm。卸載后向下位移殘余為 62.81 mm。試樁荷載-位移（Q-s）曲線如圖 2 所示。

圖2 試樁荷載-位移（Q-s）曲線

3.4 結(jié)果分析

根據(jù)檢測(cè)過程和結(jié)果分析，試樁在荷載 25 200 kN時(shí)，即單向荷載 12 600 k N，位移雖超過前級(jí)荷載的 2 倍，但仍未達(dá)到破壞標(biāo)準(zhǔn)，置信本級(jí)荷載為上段樁的實(shí)測(cè)極限承載力。在施加下一級(jí)荷載后，本級(jí)位移為1.80 mm，相較于前一級(jí)位移 16.51 mm 明顯降低。可見在施加樁頂配載后，試樁向上位移趨勢(shì)得到了控制。

加載至 28 000 kN 時(shí)，試樁向下位移迅速增大，當(dāng)級(jí)達(dá)到 57.0 mm，雖能穩(wěn)壓，但根據(jù)規(guī)范已達(dá)到前一級(jí)荷載下位移的 5 倍，且總位移超過 0.05 D=70 mm，Q-s曲線出現(xiàn)陡降，故取前一級(jí)荷載 12 600 kN 為下段樁的極限承載力。

根據(jù)規(guī)范，采用下式計(jì)算自平衡法單樁極限承載力，見式（3）：

式中：Qu為試樁的單樁豎向抗壓極限承載力，kN；Quu為試樁上段樁的極限加載值，kN；Qud為試樁下段樁的極限加載值，kN；W為荷載箱上段樁的自重與附加重量之和，本工程僅取樁頂配載加荷前的樁自重，kN；γ1為試樁的向下、向上摩阻力轉(zhuǎn)換系數(shù)，本工程取 0.85。

根據(jù)試樁結(jié)果，單樁極限承載力為 25 423 kN，無法滿足設(shè)計(jì)要求的 28 000 kN。為保證工程樁的安全使用，設(shè)計(jì)將該類樁基承載力降至 22 000 kN 使用，后續(xù)工程樁自平衡靜載試驗(yàn)均能滿足該要求。

結(jié)合地勘資料和施工記錄分析原因，結(jié)合超聲波檢測(cè)完整性結(jié)果，排除因?yàn)闃渡砥茐膶?dǎo)致承載力不足的原因，綜合判斷樁底后注漿對(duì)樁側(cè)增強(qiáng)段的加固效果符合預(yù)期，而樁端后注漿增強(qiáng)效果未能達(dá)到理想狀態(tài)，樁底持力層在極限荷載作用下發(fā)生破壞，導(dǎo)致試驗(yàn)樁不符合設(shè)計(jì)要求。

本次試驗(yàn)采用的樁頂配載加荷方法和實(shí)施時(shí)間的選擇較為合理，有效地保證了試驗(yàn)過程的順利進(jìn)行并獲得了準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，為試驗(yàn)結(jié)果的分析和設(shè)計(jì)參數(shù)的修正提供了有效的依據(jù)。

4 結(jié)語

1）結(jié)合工程實(shí)例描述了福建某工程中自平衡法的過程，并結(jié)合樁頂配載加荷方式分析試樁的性能，為規(guī)范中具有樁頂配載的自平衡法加荷方式提出補(bǔ)充并為類似工程提供借鑒。

2）樁頂配載作為自平衡法靜載試驗(yàn)的補(bǔ)充，擴(kuò)展了自平衡法的應(yīng)用范圍。根據(jù)工況的不同調(diào)整樁頂配載加荷方式，能更好地適應(yīng)不同工況下的自平衡法應(yīng)用。

3）在理想情況下，后注漿對(duì)樁身承載力的提高可達(dá)到規(guī)范推薦的加固效果。但也應(yīng)注意到受施工工藝和施工質(zhì)量的影響，其提升效果的離散型較大。