聲波透射法及自平衡法在超高層嵌巖灌注試樁中的應用分析

李 杰,蔡 潤,彭 濤,彭界超,戴國亮,王 謙,王 濤,馬勝龍

(1.中海佳隆成都房地產(chǎn)開發(fā)有限公司,四川 成都 610000; 2.中冶成都勘察研究總院有限公司,四川 成都 610023;3.東南大學 土木工程學院,江蘇 南京 211189; 4.中國地震局(甘肅省)黃土地震工程重點實驗室,甘肅 蘭州 730000;5.中國地震局蘭州地震研究所,甘肅 蘭州 730000)

樁基礎因其具有較高承載力而被廣泛應用于基建工程的各個領域[1-5]。單樁豎向極限承載力是反映樁身材料、樁側土與樁端土性狀等性能的綜合指標,因而如何確定樁基的豎向極限承載力是樁基施工過程中非常重要的一步[6-8]。受場地等方面的影響,傳統(tǒng)的堆載法所要求的堆載物重量至少為其極限承載力的1.2倍,若需要2 000 t及以上的荷載時,堆載成為最大的問題,故傳統(tǒng)的靜載方法難以實施。自平衡檢測法以其獨特的原理和簡單的試驗裝置設施,能夠較好地克服傳統(tǒng)承載力檢測方法的限制,該方法已逐漸在各類工程中有一定的應用[9-11]。樁基自平衡承載力檢測方法已成為傳統(tǒng)靜載方法的重要補充[12]。

目前,國內外已有大量學者針對自平衡檢測法在樁基承載力檢測中的應用進行研究。如鮑育明等[13]提出了用荷載相等的原則,將自平衡測試結果轉化為常規(guī)靜載試驗結果的處理方法;張廣彬等[14]將自平衡檢測有針對性地在大噸位靜載試驗中進行推廣應用;張帆等[15]通過分析超長樁荷載傳遞機理的某些特征和承載特性,認為樁端壓漿可以最大限度地減小施工造成的不利影響,改善超長樁荷載傳遞性能,大幅提高該類樁承載性能的穩(wěn)定性;歐孝奪等[16]通過擬合得到各因素與轉換系數(shù)間的二次項分布關系式及相關系數(shù);朱超等[17]通過研究大噸位嵌巖樁承載力試驗,結果表明自平衡法加載優(yōu)勢較明顯;歐孝奪等[9]提出一種適用于層狀地基中單樁承載力自平衡法測試的理論解析轉換方法;李家龍等[18]以虎跳峽金沙江大橋的主墩塔樁為例進行自平衡測試分析;鮑樹峰等[19]利用科威特Boubyan島海港工程公路橋預備樁OCPPT-01試樁工程,采用新技術SoniCaliper法進行了樁基成孔質量檢測;戴國亮等[20]將自平衡試樁法成功應用于港口碼頭上試樁工程;戴國亮等[21]基于試樁的自平衡測試結果,對樁壓漿前后的承載力、位移變化情況以及承載特性作了分析。根據(jù)現(xiàn)有的研究成果可知,將自平衡法應用于樁基檢測是切實可行的。

作者以中海成都超塔項目的試樁承載力檢測為例,首先采用聲波透射法對試樁的完整性進行檢測,然后利用自平衡方法檢測樁基在極限承載力作用下的位移變化,最后利用等效轉換關系確定出推薦的樁基承載力值。研究成果對軟巖地區(qū)巖土工程勘察及樁基設計具有一定的參考價值。

1 工程概況

工程項目位于成都天府新區(qū),擬建主樓超塔建筑高度為488.9 m,是集商業(yè)、辦公、酒店、觀光于一體的綜合性超級摩天大樓,其中地下室5層,地上建筑97層,該項目基礎形式擬采用鉆孔灌注樁。

整個項目地形較為平坦,場地不存在影響穩(wěn)定性的不良地質作用和地質災害,根據(jù)巖土工程勘察成果報告[22]可知:項目場地地貌單元屬寬緩淺丘,為剝蝕型淺丘陵地貌。場地巖土主要由第四系全新統(tǒng)人工填土(Q4ml):以素填土為主;第四系中更新統(tǒng)冰水沉積層(Q2fgl):以粉質黏土和黏土為主;侏羅系上統(tǒng)蓬萊鎮(zhèn)組(J3p):包括泥巖和砂巖,但以泥巖為主,砂巖主要以透鏡體狀或層狀分布于泥巖中,大部分地段泥巖及砂巖呈互層狀分布?；鶐r宏觀上呈現(xiàn)自上而下風化程度逐漸減弱的趨勢,按其風化程度的差異分為全風化、強風化、中等風化、微風化等風化帶,各風化帶之間風化程度往往呈逐漸過渡趨勢,其三維地質巖體模型如圖1所示[22]。

圖1 三維地質巖體模型圖

為了檢驗工程樁承載力是否滿足設計要求,根據(jù)檢測規(guī)范要求[23]：本工程的設計等級為甲級,地質條件復雜,所以需要試打樁。選擇整個場地最具有代表性、場地地質條件較差的三個點位進行試樁試驗,以驗證設計豎向承載力14 000 kN。試樁混凝土強度等級為C50,樁位布置見圖2。

圖2 試樁樁位布置圖

2 測試方法

2.1 測試原理

2.1.1 聲波透射法

聲波透射法,其基本原理是根據(jù)聲波脈沖波穿越被測混凝土時,聲學參數(shù)的變化反映缺陷的存在,通過分析這些聲學參數(shù)的變化來評判樁身的完整性。聲波透射法根據(jù)兩個換能器的相對位置分為平測和斜測兩種[23]。平測時,兩個換能器應始終保持相同深度;斜測時,兩個換能器應始終保持固定高差,且兩個換能器中點連線與水平夾角不應大于30°,聲波透射法檢測示意圖如圖3所示[23],圖中l(wèi)表示測管之間的距離,i表示探頭的位置。

圖3 聲波透射法檢測示意圖

2.1.2 自平衡試驗法

自平衡測樁法的主要裝置是一種經(jīng)特別設計可用于加載的荷載箱[24]。在試驗加載過程中,根據(jù)規(guī)范要求[24],記錄逐級荷載及相應的樁身向上和向下的位移,得到荷載與位移關系曲線,分別測試上段樁、下段樁的極限承載力或樁的極限端阻力,由計算確定單樁豎向抗壓極限承載力。試樁的沉降變形,通過對稱布置于樁頭的位移計測量,所有位移計均用磁性表座固定于基準梁上,基準梁具有一定剛度。自平衡試樁法試驗示意圖見圖4。

圖4 自平衡試樁法試驗示意圖

2.2 分析方法

2.2.1 聲波透射法

當受檢樁的混凝土強度不低于設計強度的70%,且不低于15 MPa時(一般混凝土齡期在14 d以上)[23],方可采用聲波透射法進行檢測,聲測管的埋設數(shù)量與受檢樁的樁徑有關,樁徑與聲測管數(shù)量的對應關系如表1所示。

表1 樁徑與聲測管數(shù)量的對應關系

檢測數(shù)據(jù)分析參數(shù)主要是由聲速和波幅兩個指標來判別,指標包括平均值、臨界值、標準差、變異系數(shù),計算公式見表2。

表2 評價指標表

結合樁身混凝土各聲學參數(shù)平均值、臨界值及實測波形,按表3評價樁身完整性[25]。

表3 樁身完整性評價表

2.2.2 自平衡試驗法

(1) 荷載分級。每級加載值為極限承載力的1/10。按10級9次加載,卸載分級進行,每級卸載量為2級加載分級量,具體分級加載見表4。

表4 荷載分級加載表

(2)荷載箱位置的確定。根據(jù)地勘參數(shù)及試樁對應地勘鉆孔位置地層情況,依據(jù)《建筑基樁自平衡靜載試驗技術規(guī)程》[24](JGJ/T 403—2017)中相關規(guī)定及已有研究成果可知[26-27]：

側摩阻力按下式計算:

Qsi=uphiqsia

(1)

式中:up為樁身周長,hi為土層厚度,qsia為側摩阻力特征值。

總的樁側摩阻力為:

Qs=∑Qsi

(2)

說明:λ可由建筑基樁檢測技術規(guī)范(JGJ 106—2014)中表10.2.3查得[23],υm為數(shù)據(jù)的平均值,υi為第i點的聲速,υ0為異常判斷值,sx為數(shù)據(jù)的標準值,Cv為變異系數(shù),Am為波幅平均值,Apj為第j點的波幅值,Ac為波幅臨界值。

樁端阻力:

Qb=Apqpa

(3)

式中:Qb為樁端阻力;Ap為樁端截面積;qpa為樁端阻力特征值。

依據(jù)平衡原理可知:

Qs上+G上=Qs下+Qb

(4)

式中:Qs上為荷載箱上部樁自重,由于上段樁受到的負摩阻力,故Qs上還要除以折減系數(shù)λ,根據(jù)規(guī)范規(guī)定:巖石λ=1.0。

考慮到本次試驗為驗證性試驗,荷載箱應設置在平衡點處,由于嵌巖樁主要是樁端發(fā)揮承載力,平衡點應該位于下段樁,因此荷載箱選擇盡量靠近樁端,當荷載箱以下的樁側阻力與樁端阻力之和達到極限值時,荷載箱以上的樁側阻力同時達到極限值。并考慮方便施工,綜合確定荷載箱的埋設標高,試樁基本參數(shù)見表5。

表5 試樁基本參數(shù)

(3)等效轉換。按照上、下段樁位移大小相等時荷載相加的原則進行等效轉換,結合式(1)和式(2)可得到等效樁頂荷載-沉降曲線。

(5)

式中:sd為荷載箱向下位移,mm;Δs為樁身壓縮量,mm;Lu為上段樁長,m;Ap為樁身截面積,m2;Ep為樁身彈性模量,MPa。

(4) 承載力計算。實測得到荷載箱上段樁的極限承載力Quu和荷載箱下段樁的極限承載力Qud,根據(jù)建筑基樁自平衡靜載試驗技術規(guī)程可知[16],試樁的極限承載力可按下式計算:

(6)

式中:Qu為單樁豎向承載力極限值;Quu為上段樁的極限加載值;Qud為下段樁的極限加載值;w為荷載箱上段樁的自重與附加重量之和;γ1為受檢樁的抗壓摩阻力轉換系數(shù),可根據(jù)地區(qū)經(jīng)驗確定,通常取0.8～1.0之間,長樁及黏性土取大值,短樁或砂土取小值,本項目巖層為中風化泥巖且為長樁,故γ1取1.0。

3 結果分析

3.1 樁身完整性分析

中海成都超塔項目的3根試混凝土等級均為C50,樁徑為1.0 m,樁長24 m,布置三根聲測管,呈三角形布置。澆筑14 d后采用武漢巖海RS-ST06D(T)對試樁3個剖面同時進行水平測量,測試結果如圖5—圖7所示。

圖5 SZ1樁聲波檢測結果

圖6 SZ2樁聲波檢測結果

圖7 SZ3樁聲波檢測結果

運用PSD-V-A法對3根試樁實測曲線進行判斷,由PSD曲線可知:在距離樁底5.0 m左右位置處曲線存在明顯的突變,這正是埋設荷載箱的位置,與實際情況較為相符;圖中各個測面聲速均大于臨界值,只有SZ1在樁底附件位置處出現(xiàn)了聲幅較小于臨界值,但偏差不大。一般而言,樁底位置處的粗骨料較多而細骨料相對較少,從而會增加聲學反射界面,反射界面的增加會導致聲波的反射及散射加劇,波的衰減程度加劇,從而導致波的聲能降低,造成較大波幅下降。而其他兩個剖面未出現(xiàn)類似情況,根據(jù)工程經(jīng)驗可知當個別測點出現(xiàn)波幅略小于臨界值但波速正常時,可視為非缺陷點。結合實測影像圖可知,影像圖均勻完整,從樁底部到樁頂逐點未出現(xiàn)聲學參數(shù)異?，F(xiàn)象,各波形正常。結合表3可以判定3根試樁質量等級為Ⅰ類樁。

3.2 樁的承載力測試

根據(jù)地勘報告可知,樁周均為中風化巖層,成樁后承載力很高,試驗時荷載箱向上、向下位移量都非常小。3根試樁于2021年12月08日開始試驗,當加載至試驗要求的最大荷載時,持荷2 h達到穩(wěn)定標準,滿足加載終止條件,之后分5級卸載。3根試樁的位移情況如表6—表8所示。

由表6—表8可知:SZ1向下最大位移量為3.88 mm,下樁最大回彈量1.55 mm,回彈率為39.98%;向上最大位移量為3.77 mm,上樁最大回彈量1.11 mm,回彈率為29.44%;SZ2向下最大位移量為 4.12 mm,下樁最大回彈量1.59 mm,回彈率為38.59%;向上最大位移量為4.47 mm,上樁最大回彈量1.24 mm,回彈率為27.74%;SZ3向下最大位移量為4.58 mm,下樁最大回彈量為1.99 mm,回彈率為43.45%;向上最大位移量為4.63 mm,上樁最大回彈量1.06 mm,回彈率為22.8%。

表6 SZ1號樁試驗荷載分級及相應位移

表7 SZ2號樁試驗荷載分級及相應位移

表8 SZ3號樁試驗荷載分級及相應位移

現(xiàn)場實測的荷載-位移曲線(Q-S曲線)見圖8。

圖8 實測的荷載-位移曲線圖

由圖8可知:位移曲線呈雙曲線變化,加載過程中變化規(guī)律基本一致,3根試樁在初級加載過程中上下位移均較小,且隨著加載等級的增大位移逐漸增大。3根試樁的上下位移都小于5 mm,說明樁側或樁端阻力得到較為充分的發(fā)揮。從回彈率來看,3根試樁的回彈率平均值為33.67%,說明3根試樁的加載強度已接近其極限加載強度,接近破壞,故回彈率較小。

根據(jù)簡化等效轉換原則:SZ1號、SZ2號、SZ3號樁等效轉換數(shù)據(jù)見表9。

表9 等效轉換數(shù)據(jù)

由表9可知:SZ1、SZ2、SZ3樁轉換后的試樁樁頂荷載均為29 776 kN且試樁均未達到破壞狀態(tài),大于單樁豎向承載力標準值(28 000 kN)。

依據(jù)公式法確定試樁極限承載力,上下段樁的加載極限為15 000 kN,荷載箱以上樁段自重約為606 kN,γ1取1.0,根據(jù)計算式(6)可知:Qu=29 394 kN。

綜上所述:故3根試樁的極限承載力試驗推薦值均不小于29 394 kN,而樁設計豎向承載力標準值為28 000 kN,滿足設計要求。

4 結 論

(1) 試驗過程利用聲波透射法進行樁身完整性檢測,結果顯示試樁的樁身混凝土材質分布較為均勻,樁身較為完整,3根試樁均可判為Ⅰ類樁。

(2) 自平衡試樁試驗過程正常,未出現(xiàn)異常突變數(shù)據(jù)。由于樁周土均為中風化巖且成樁質量較好,荷載箱向上、向下位移量都較小,SZ1試樁測試荷載箱向上位移僅3.77 mm,向下最大位移量為3.88 mm;SZ2向下最大位移量為4.12 mm,向上最大位移量為4.47 mm;SZ3向下最大位移量為4.58 mm,向上最大位移量為4.63 mm。3根試樁的上段樁與下段位移的位移較為接近,說明荷載箱的位置選擇是比較合理的,將荷載箱設置于平衡點附近是可行的。

(3) 依據(jù)試驗加載數(shù)據(jù)分析,分別用公式法和簡化轉換法得到了試樁的承載力試驗實測值。得到樁頂荷載承載力均為29 776 kN,SZ1的樁頂位移為19.57 mm;SZ2樁頂位移為19.82 mm;SZ3的樁頂位移為20.27 mm。

(4) 通過試驗分析可知:3根試樁的極限承載力試驗推薦值均不小于29 394 kN,而樁設計豎向承載力標準值為28 000 kN,滿足設計要求,且自平衡所測結果是偏于保守的。

(5) 自平衡加載過程均為全自動加載,排除了人為主管因素的影響,而從項目工期、成本、現(xiàn)場試驗條件來看,自平衡法試驗時間較短,成本相對較少,經(jīng)估算,自平衡檢測費用可節(jié)省30%～60%,具體比例視樁噸位與地質條件而定,尤其是能克服因場地條件而無法堆載的難題。