自平衡法靜載試驗在哈拉雷機場航站樓樁基檢測中的應用

潘松

中國江蘇國際經濟技術合作集團有限公司海外工程一分公司 江蘇 南京 210009

引言

樁基礎是建筑結構中較為常用的基礎形式之一。單樁承載力的確定是樁基設計的關鍵問題，而基樁的靜載試驗是確定單樁承載力最可靠的方法。然而傳統的靜載試驗法一直停留在堆載法或錨樁法，試驗工作存在加載力受限、費時費力且不經濟等諸多弊端。本項目采用一種新型的南京東大自平衡樁基試驗方法--自平衡測試技術，該技術在國內近20年的很多工程中取得了良好的效果。本項目將這一先進的技術應用到“一帶一路”的非洲項目津巴布韋哈拉雷國際機場改擴建項目航站樓樁基檢測中。

1 自平衡法靜載檢測的測試原理

自平衡法是利用試樁樁身自重、樁側阻力及樁端阻力互相提供反力的試驗方法。在樁端附近或樁身某截面處預先埋設單個或兩個特制的加載設備——荷載箱，與鋼筋籠相接。加載時，荷載箱以下將產生向上的樁底端反力和側摩阻力以抵抗向下的位移，同時荷載箱以上將產生向下的側摩阻力以抵抗向上的位移，上、下段樁的反力大小相等、方向相反，從而達到試樁自身反力平衡加載的目的。若受檢樁為工程樁，可在試驗完后進行注漿以保證樁基承載力[1]。

試驗時，在地面上通過油泵加壓，隨著壓力的增加，荷載箱伸長，上下段樁產生彈（塑）性變形，從而促使樁側和樁端阻力逐步發揮。荷載箱施加的壓力可通過預先標定的油泵壓力表測得，荷載箱頂底板的位移可通過預先設置的位移棒，用位移傳感器測得。通過數據采集系統，可測得上下段樁兩條荷載-位移(Q-S)曲線和相應的樁頂受壓時樁頂等效荷載-位移曲線（S-lgt、S-lgQ）曲線，采用合理的測試數據等效轉換方法和承載力確定方法，即可確定單樁極限承載力。

2 工程概況

津巴布韋哈拉雷國際機場改擴建項目，位于津巴布韋首都哈拉雷國際機場。其擴建的新國際航站樓建筑面積約為3.5萬㎡，占地面積約2萬㎡，框架結構，地上三層（網架屋面），半地下一層，結構跨度12m，層高最高為6.9m；基礎設計為旋挖鉆孔灌注樁，樁徑800mm，有效樁長為8～12m，樁型為抗壓樁，采用樁底后注漿技術，單樁抗壓承載力設計要求為7000KN。

本工程地質條件復雜，覆蓋層為灰土、砂土，地下水位線分布在地表以下3～5m，樁端持力層為中風化花崗巖層，須進入中風化花崗巖層不小于4.0m。為保證本工程結構的安全可靠和施工的順利進行，為旋挖成孔灌注樁樁基礎設計和樁端注漿施工提供可靠、科學的參考依據，采用自平衡法靜載試驗進行樁基試驗以確定單樁豎向抗壓極限承載力[2]。

3 試驗方法

3.1 受檢樁設計及設備

為確保設計、施工質量，結合地質勘察報告，選擇4個基樁進行檢測，其中1根受檢樁未注漿，有效樁長10m；其余3根受檢樁樁底端注漿，有效樁長8m，每根樁注漿2噸水泥。

試樁的儀器設備主要包括：加載設備有檢測荷載箱和高壓油泵；量測裝置包括電子位移傳感器、采集儀和壓力表。荷載箱主要由活塞、頂蓋、底蓋及箱壁四部分組成。其中，荷載箱蓋板外徑為600mm、高度290mm、最大加載值4200kN。在頂、底蓋上布置位移棒。本工程將荷載箱預埋在樁底端，與鋼筋籠焊接成一體放入樁體。高壓油泵的最大加壓值為60MPa，加壓精度為每小格0.5MPa。電子位移傳感器的量程為50mm（可調），測試時通過磁性表座固定在基準鋼梁上，每根樁使用4只，2只測量荷載箱的向上位移，2只測量荷載箱的向下位移。

3.3 試樁施工要求

試樁施工與一般鉆孔灌注樁施工方法相同，除水下澆筑混凝土等嚴格滿足建筑樁基技術規范以及設計要求外，由于自平衡法測試的需要，自平衡試驗樁施工時還應注意以下幾點。

3.3.1 綁扎和焊接鋼筋籠時，位移管連接用套筒圍焊，管壁無孔洞，確保護管不滲泥漿。

3.3.2 位移管采用50鋼管，位移桿采用φ16的圓鋼，單樁4根位移管和位移桿。

3.3.3 荷載箱應立放在場地上，鋼筋籠所有主筋與荷載箱焊接，保證在同一軸線上，并確保鋼筋籠與荷載箱起吊時不會脫離。

3.3.4 通過導管對試樁進行混凝土澆筑時，導管應利用鋼筋導向穿過荷載箱。

3.3.5 埋完荷載箱，保護油管，位移管管口封頭，用鋼板焊，防止水泥漿漏入。

3.3.6 灌注混凝土時，要求制作一定量的混凝土試塊，待測試時作混凝土強度試驗[3]。

3.3.7 試驗期間應保證不間斷供電，提供現場辦公桌椅、照明設備，試驗樁周圍10m內不得有較大的振動。

3.3.8 布置2根跨度不小于6m基準梁，用于固定位移傳感器。基準梁和基準樁均采用I25a工字鋼。基準樁打入土中不少于1m。基準梁一端與基準樁鉸接，另一端與基準樁固定。

3.3.9 為盡量減少試驗樁時儀表不受外界環境的影響，須搭設寬3m×高2m×長6m防風蓬架（保護罩），材料可采用彩條布或者油布。

3.4 檢測方法

3.4.1 試驗方法。

3.4.1.1 加、卸載分級。將其均分10級加載，其中第一級加載量取分級荷載的2倍；每級卸載量為加載時分級荷載的2倍。

3.4.1.2 位移觀測。采用慢速維持荷載法，即逐級加載，每級荷載施加后第1h內應在第5min、10min、15min、30min、45min、60min時測讀位移，以后每隔30min測讀一次，達到相對穩定后方可加下一級荷載，直至試樁破壞或達到預定的最大加載量。卸載到零后應維持3h，觀測殘余變形。測讀時間間隔同加載。

3.4.1.3 穩定標準。每級加載每小時的向上、向下位移量均不大于0.1mm，并連續出現2次（從加載后30min開始，按1.5h連續三次每30min的位移量計算）。每級荷載下位移達到穩定標準時，再施加下一級荷載。

3.4.1.4 加載終止條件及最終加載值。根據設計要求，4個試驗樁的設計預估加載為破壞或2×3500kN，對于單樁豎向抗壓靜載試驗，加載終止條件和相應的最終加載值應分別從向上、向下兩個方向按以下規定進行判定和取值：

①累積位移量小于40mm，但加載值已大于或等于預估最大加載值，終止加載。取本級荷載為最終加載值。②累計位移量大于或等于40mm，本級荷載下的位移量大于或等于前一級荷載下位移量的5倍時，終止加載。取其終止時荷載小一級的荷載為最終加載值。③累計位移量大于或等于40mm，本級荷載加上后24h未達穩定，終止加載。取其終止時荷載小一級的荷載為最終加載值。④Q-S曲線出現明顯陡變，終止加載。取明顯陡變的起始點對應的荷載為最終加載值。⑤S-lgt曲線尾部出現明顯彎曲，終止加載。取前一級荷載為最終加載值[4]。⑥當Q-S曲線呈緩變型時，可加載至位移60mm～80mm。

4 測試結果、分析和結論

4.1 檢測結果

檢測中，加、卸載均勻連續，每級荷載在維持過程中的變化幅度未超過分級荷載的10%。4個試驗樁的檢測結果如下：

4.1.1 未注漿的1根試驗樁。當加載至2×2800kN時，荷載箱向上Q-S曲線出現明顯陡變，荷載箱上段位移9.26mm，上段樁已達到極限值；此時啟用樁頂配重繼續加載，當加載至2×3500kN時，荷載箱下段位移32.37mm，荷載箱下段位移達到穩定標準且達預估加載值，故終止加載。該樁上段樁最終加載值為2450kN，下段樁極限加載值為3500kN。

4.1.2 注漿的3根試驗樁。此3根試驗樁在加載至2×3500kN時，累計位移量均小于40mm，荷載箱上段位移分別為3.15mm、3.44mm和2.36mm，下段位移分別為36.54mm、12.49mm、12.60mm。當達到穩定標準且荷載達到預估最大加載值，終止加載。樁上段樁最終加載值分別為3500kN、3850kN和3850kN，下段樁極限加載值為3500kN、3850kN和3850kN。

4.2 匯總分析

根據上、下段樁最終加載值即上、下段樁承載力，計算受檢樁極限抗壓承載力Qu，按如下算式確定：

式中 Qu：單樁承載力極限值；Quu、Qud：上、下段樁承載力；W：上段樁自重與附加重量；γ：試樁i的修正系數，根據荷載箱上部土的類型確定：黏性土、粉土γ=0.8；砂土γ=0.7；巖石γ=1；若上部有不同類型的土層，γ取加權平均值，本工程取值0.9。經計算：抗壓極限承載力Qu（KN）分別為7305、6122（樁端未注漿）、8043、8043。

檢測結果分析匯總如表1所示。

表1 試驗樁承載力表

4.3 檢測結論

根據表1可得出結論，在采用樁端后注漿工藝時，8米深的試樁極限承載力平均值為7797kN，極差738kN，極差/平均值為9.5%＜30%，因此可確定工程樁豎向抗壓承載力為7797kN，滿足8米深單樁抗壓承載力7000kN的設計要求。

5 結束語

自平衡法靜載試驗具有檢測噸位高達數萬噸、場地不受限制、試驗設備簡單、試驗周期短、多樁聯測、試驗費用低等優點。同時它也可分別確定基樁側阻和端阻的單項極限值，可供有關設計單位參考；驗證了鉆孔灌注樁施工工藝的可靠性，為樁基施工設備選擇和施工工藝的改進提供了依據，創造了可觀的經濟效益。