基樁自平衡法靜載試驗中樁身內力測試研究

李 彬，黎春燕

（1.昆明市建設工程質量檢測中心，云南 昆明 650000；2.云南省公路科學技術研究院，云南 昆明 650000）

0 引言

城市高層建筑對基樁承載力的要求越來越高，為了提高檢測結果的可靠性，在測試樁的承載力時，需要在樁身中安裝應變傳感器，進行樁身內力測試。而以往的樁身內力測試是針對傳統靜載試驗，因此，對自平衡法靜載試驗的樁身內力測試研究就很有必要。本文以某工程基樁自平衡法靜載試驗項目為依托，對自平衡法靜載試驗中樁身內力測試進行研究。

1 工程概況

本工程擬建場地原為城中村，現經拆除，場地條件受限，不能采用傳統靜載試驗。為了掌握樁的豎向抗壓承載力和各土層的摩阻力情況，本次測試采用自平衡法靜載試驗，并進行樁身內力測試。

本工程采用泥漿護壁鉆孔灌注樁，3 棟 2# 樁設計樁長 50.35 m，樁徑 800 mm，樁身混凝土強度等級為 C 50，鋼筋籠主筋為 12 根直徑 16 mm；地質概況如表 1 所示，樁端持力層為 ⑥ 層黏土或 ⑥2層粉土。

表1 2#樁地質概況

2 現場測試

參考 JGJ 106－2014《建筑基樁檢測技術規范》傳統靜載試驗中轉身內力測試方法，測試用應變傳感器為振弦式鋼筋應力計。根據 2# 樁地質概況（見表 1），將鋼筋應力計埋設在不同性質土層的界面處，鋼筋應力計兩端的連接拉桿與鋼筋籠主筋焊接，焊接時，要保證鋼筋應力計與主筋的軸線一致［1］，焊接安裝示意圖如圖 1 所示。荷載箱及鋼筋應力計安裝位置如表 2 所示，表中截面一～截面九處分別對稱安裝 2 個鋼筋應力計。

圖1 鋼筋應力計焊接安裝示意圖

表2 鋼筋應力計安裝位置

荷載箱最大單向加載值為 6 500 kN，現場測試采用慢速維持荷載法，分九級進行加載，第一級加載量為總加載值的 20 %，即 1 300 kN；第二級至第九級加載量為總加載值得 10 %，即 650 kN。加載至 6 500 kN 時，已達到試驗最大加載值，終止加載，此時樁土體系尚未破壞。

測試時，使用鋼筋計讀數儀測讀鋼筋應力計頻率模數，分別測試初始讀數和每級荷載施加后的讀數。

3 測試數據分析及計算結果

3.1 樁身受力分析

傳統靜載試驗在樁頂施加荷載，而自平衡法靜載試驗在樁身中向兩端施加荷載，因加載方式不同，導致樁身受力情況發生變化，樁身軸力、樁側摩阻力和樁端阻力隨荷載的變化關系也會產生變化。

3.1.1 傳統靜載試驗樁身受力

傳統靜載試驗樁身內力測試是在豎向靜載荷試驗時，隨著在樁頂施加荷載，測量樁身不同部位應力計的應變，從而計算樁身側各土層抗壓摩阻力和樁端支承力。荷載向下壓力等于樁側摩阻力加上樁端阻力之和，樁身受力情況如圖 2 所示。樁身軸力隨荷載增加而增大，在同級荷載作用下自上而下逐漸減小；樁側摩阻力發揮隨荷載增大而增大［2］，直至達到土層極限摩阻力；樁端阻力發揮隨荷載增加而增大。

圖2 傳統靜載試驗樁身受力

3.1.2 自平衡法靜載試驗樁身受力

自平衡法靜載試驗由荷載箱在樁身中部施加荷載，樁身受力情況如圖3所示。下段樁（荷載箱以下樁身）受荷載箱向下壓力等于樁側摩阻力加上樁端阻力之和，受力情況與傳統靜載試驗相同，所以分析樁身軸力隨荷載增加而增大，在同級荷載作用下自上而下逐漸減小；樁側摩阻力發揮隨荷載增大而增大，直至達到土層極限摩阻力；樁端阻力發揮隨荷載增加而增大。

圖3 自平衡法樁身受力

上段樁（荷載箱以上樁身）受荷載箱向上壓力等于樁側摩阻力加上樁身自重之和，樁側摩阻力方向向下，與傳統靜載試驗方向相反，故分析樁身軸力隨荷載增加而增大，在同級荷載作用下自上而下逐漸增大；樁側摩阻力發揮隨荷載增大而增大，直至達到土層極限摩阻力。

綜合上、下段樁受力分析結果，樁身軸力隨荷載增加而增大，荷載箱位置處樁身軸力最大，向樁身兩端逐漸減小；樁側摩阻力發揮隨荷載增大而增大，直至達到土層極限摩阻力；樁端阻力發揮隨荷載增加而增大。

3.2 樁身軸力計算

本次測試使用 FYGJ17 型振弦式鋼筋應力計，根據設備質量檢驗合格證上提供的軸力計算公式［見式（1）］和出廠參數K值、B值可計算出鋼筋應力計軸力。由于測試時將鋼筋應力計焊接在鋼筋籠主筋上，則此軸力即為主筋軸力P鋼。

式中：P鋼為鋼筋軸力，正值時鋼筋受拉，負值時鋼筋受壓，單位 kN；F0為鋼筋計讀數儀初始讀數，MPa；Fi為各級荷載下鋼筋計讀數儀讀數，MPa；K、B為鋼筋應力計出廠參數，每只鋼筋應力計均有不同的K值、B值。

按式（2）可計算出鋼筋在荷載作用下的應變量，同一截面兩個測點取應變量平均值。由鋼筋應力計截面處混凝土應變量與鋼筋應變量相等，按式（3）可計算出鋼筋應力計所在各截面樁身軸力。計算結果如表 3 所示，樁身軸力隨荷載變化關系如圖 4 所示。

式中：P截面為樁身截面軸力，kN；ε鋼為鋼筋應變量，無量綱；N為樁身鋼筋主筋根數，無量綱；A混凝土、A鋼分別為樁身混凝土、鋼筋截面積，m2；E混凝土、E鋼分別為樁身混凝土、鋼筋彈性模量，MPa。

從表 3 中數據及圖 4 可以看出，樁身軸力隨荷載增加而增大，荷載箱位置處（截面四、截面五之間）樁身軸力最大，向樁身兩端逐漸減小，測試結果與樁身受力分析結果相同。

圖4 樁身軸力分布圖

表3 2# 樁各級荷載下各截面樁身軸力值

3.3 樁側摩阻力計算

根據牛頓第一定律，相鄰截面間樁體合外力為零。上段樁樁身軸力測試結果顯示在同級荷載作用自下而上逐漸減小，故樁側摩阻力方向向下，與傳統靜載試驗方向相反，與受力分析結果相同，計算時應考慮抗壓樁側摩阻力轉換系數［3］。故兩截面間樁體受力為：下截面軸力等于上截面軸力、截面間樁體自重和樁側摩阻力之和，轉化得出式（4）（5），相鄰截面間軸力差為較大下截面軸力減去較小上截面軸力。由式（5）計算出各截面間樁體側摩阻力。

式中：ΔP為相鄰截面間的軸力差，kN；qs為樁側摩阻力，kPa；W為相鄰截面間的樁身自重，kN；s測為相鄰截面間的樁側面積，m2；γ為抗壓樁摩阻力轉換系數，宜根據實際情況通過相近條件的比對試驗和地區經驗確定，當無可靠比對試驗資料和地區經驗時，γ可取 0.8～1.0，長樁及黏性土取大值，短樁或砂土取小值，本文取值為 0.9。

下段樁樁身軸力測試結果顯示在同級荷載作用自上而下逐漸減小，故樁側摩阻力方向向上，與傳統靜載試驗方向相同，這也與受力分析結果相同，樁身自重與施加荷載方向相同，樁側摩阻力計算方法與傳統靜載試驗相同。故兩截面間樁體受力為：上截面軸力等于下截面軸力和樁側摩阻力之和，轉化得出式（6），相鄰截面間軸力差為較大上截面軸力減去較小下截面軸力。由式（6）計算出各截面間樁體側摩阻力，計算結果如表 4 所示。

表4 2# 樁各級荷載下樁側摩阻力值

從表4中數據可以看出，樁側摩阻力發揮隨荷載增大而增大，測試結果與樁身受力分析結果相同。由于此次測試未加載至樁土體系破壞，取最大加載值 6 500 kN作用下樁側摩阻力值作為各土層極限樁側摩阻力。

3.4 樁端阻力計算

為準確測試出樁端阻力，現場測試時在截面八→樁底的樁側土層中，增加截面九。根據截面八→截面九計算所得樁側摩阻力，即為截面九→樁底樁側土層的側摩阻力。

根據牛頓第一定律，截面九→樁底部位樁體合外力為零。截面九軸力等于樁端阻力和樁側摩阻力之和，轉化得樁端阻力計算式（7），計算結果如表 5 所示，樁端阻力-加載力關系曲線圖如圖 5 所示。

表5 樁端阻力

圖5 樁端阻力-加載力關系曲線圖

式中，qp為樁端阻力，kPa；A0為樁端截面積，m2。

從表 5 中數據及圖 5 可以看出，樁端阻力發揮隨荷載增大而增大，測試結果與樁身受力分析結果相同。由于此次測試未加載至樁土體系破壞，取最大加載值6 500 kN 作用下樁端阻力值作為極限樁端阻力。

4 結語

1）樁身內力測試數據處理時應對樁身受力情況進行分析，自平衡法靜載試驗上段樁樁側摩阻力方向向下，與傳統靜載試驗方向相反，應考慮抗壓樁側摩阻力轉換系數；下段樁受力與傳統靜載試驗相同。

2）從測試數據分析結果得出，樁身軸力隨荷載增加而增大，荷載箱位置處樁身軸力最大，向樁身兩端逐漸減小；樁側摩阻力和樁端阻力發揮隨荷載增大而增大；測試數據分析結果與樁身受力分析結果相同。

3）本次測試未加載至樁土體系破壞，樁側摩阻力、樁端阻力未充分發揮，取最大加載值作用下樁側摩阻力值、樁端阻力值作為各土層極限樁側摩阻力、極限樁端阻力，計算結果產生誤差。Q