自平衡法與高應變法基樁承載力檢測比對試驗

王兆亮，吳秋霜，黃建平，劉守花

（1.淮安市建筑工程質量檢測中心有限公司，江蘇 淮安 223000；2.中大智能科技股份有限公司，湖南 長沙 410006；3.淮陰工學院建筑工程學院，江蘇 淮安 223001）

0 引言

承載力檢測是樁基工程中必須進行的檢測項目之一，規范提供的檢測方法有傳統的堆載法或錨樁法，也有自平衡法與高應變法。傳統靜載試驗是承載力檢測的直接法，考慮檢測穩定性、準確性和隨機性，房建工程項目基本采用傳統的靜載試驗方法進行樁基承載力檢測。但是傳統的靜載試驗，因成本高、工期長、場地要求嚴格和安全風險大等因素對某些項目不適用，而必須采用其他檢測方法［1］。自平衡靜載試驗適用于傳統靜載試驗條件受限時的豎向承載力檢測，具有裝置簡單，試驗省時、省力、安全、無污染、直接測得樁側阻力與端阻力，綜合費用低等優勢，但也有試驗土體的受力方向與工程不一致，試驗隨機性差和抗壓摩阻力轉換系數的取值等局限性［2］。高應變曲線擬合法相比傳統靜載試驗而言是一種半直接法，是利用樁頂平面荷載的瞬時沖擊產生的脈沖信號，使樁土之間發生相對移動，隨著相對移動的延續，促使樁側及樁端阻力順序發揮作用，也有自身方法假定條件的局限性。

本文基于長沙市某房建項目 28# 棟住宅樁基工程由于場地條件的限制，不適用傳統的靜載試驗方法，項目檢測方案經專家論證后擬采用自平衡靜載試驗和高應變擬合曲線法進行現場承載力的檢測。根據兩種方法的試驗原理分別進行現場試驗檢測，對比分析高應變法和自平衡靜載試驗的檢測數據，明確兩種檢測方法的配合使用，可以有效地補充兩種檢測方法在房建工程檢測中的局限性，從而達到準確評定樁基工程承載力的目的。

1 工程概況

長沙市某房建項目 28# 棟住宅，建筑高度 52.4 m，地上 17 層，地下 1 層，地基基礎設計等級乙級，建筑物等級二級。28# 棟住宅基礎形式為樁基礎，旋挖機械成孔，樁身直徑d=800 mm，設計圖紙提供兩種承載力檢測值，工程樁數量為 92 根。根據檢測方案要求，先進行 5 根基樁的自平衡靜載試驗，樁頭處理滿足要求后再進行基樁的高應變法試驗。樁基及樁側土層參數如表1、表2 所示。

表1 長沙市某房建項目 28# 棟樁基靜載試驗參數

表2 長沙市某房建項目樁側土層及參數

2 試驗原理

2.1 自平衡靜載試驗

自平衡靜載試驗是利用與鋼筋籠連接并安置于樁身平衡點處的一種特制的荷載箱，通過預埋在樁身內的壓力管傳遞試驗壓力，使荷載箱頂板和底板向上、向下移動，從而調動樁周土的摩阻力與端阻力，直至破壞。因此，將荷載箱上段的樁側摩阻力與荷載箱下段的側阻力和端阻力迭代計算可順利獲得試驗樁的極限承載力。自平衡靜載試驗示意圖如圖1 所示。

圖1 自平衡靜載試驗示意圖

平衡點即是基樁上段樁樁身自重及極限樁側摩阻力之和與下段樁極限樁側摩阻力及極限樁端阻力之和基本相等的位置。自平衡法加載點平衡計算后一般置于樁身或樁底，故自平衡法樁身應力分布及樁側土層應力分布與樁實際工作狀態時不同，而且自平衡法靜載試驗為雙向加載，樁身產生的應力是傳統堆載法試驗的一半［3］。

2.2 高應變法

高應變法為一種半直接法，是基于樁體位移僅在一個尺寸上進行，其余兩個尺寸方向上的變形均為零，樁周土體均勻連續，樁身應力均勻連續分布等假定的試驗方法［4］，是基于一定質量的重錘（不小于承載力特征值的 0.02 倍），使其從設定的高度自由下落，沖擊樁頂并通過樁身傳遞荷載從而激發足夠的土阻力。試驗中通過預設于樁身或者重錘上的傳感器記錄樁頂部的速度和力時程曲線，再通過應力波一維桿件的波動理論對其進行分析并檢測樁的承載力［5］。

高應變檢測應力波的一維波動方程，如式（1）所示。

式中：u為應力波沿一維方向x處的位移量，m；c為應力波沿一維方向的傳播速度，m/s；t為應力波沿一維方向的傳播時間，s；x為一維方向的長度，m。

基于波動理論，高應變檢測的應力波是由上行波、下行波疊加形成的，試驗時樁身任一截面的F或V，均可根據一維波動方程的通解導出，如式（2）、（3）所示。

式中：A為基于波動理論的樁身均一截面的面積，m2；E為基于樁身材料和一維假定的彈性模量，N/m2；F為應力波傳播過程中樁身任一截面處波疊加的質點力，N；V為應力波傳播過程中樁身任一截面處波疊加的質點速度，m/s。

曲線擬合法即是基于變量F、V以及土參數，利用將變量V的曲線或變量F的曲線設置為目標曲線，并通過持續的合理調整土參數值，進而實現將F或V的計算和實測變量擬合至最佳狀態，從而獲得單樁極限承載力［6］。

3 試驗數據

3.1 自平衡靜載試驗

1）試驗利用靜載荷測試儀自動采集記錄樁身位移量，如表3 所示。由于篇幅限制，本文只列出 5 根基樁自平衡靜載試驗的Q-s曲線，如圖3～圖7 所示。

表3 長沙市某房建項目 28# 棟基樁自平衡靜載試驗位移統計表 mm

圖3 長沙市某房建項目 28# 棟 6# 樁 Q-s 曲線

圖4 長沙市某房建項目 28# 棟 7# 樁 Q-s 曲線

圖5 長沙市某房建項目 28# 棟 52# 樁 Q-s 曲線

圖6 長沙市某房建項目 28# 棟 74# 樁 Q-s 曲線

圖7 長沙市某房建項目 28# 棟 92# 樁 Q-s 曲線

2）根據自平衡試驗原理，計算得到荷載箱上段樁的極限摩阻力、荷載箱下段樁的極限承載力以及基樁的單樁豎向抗壓極限承載力，如表4 所示。

表4 長沙市某房建項目 28# 棟基樁自平衡靜載試驗承載力統計表

3.2 高應變法

自平衡靜載試驗完成，樁頭處理滿足試驗要求后，立即進行高應變法靜載試驗，試驗整體錘錘重為 8 t，落錘高度設置為 1.0 m。試驗檢測數據統計如表5 所示。

表5 長沙市某房建項目 28# 棟基樁高應變靜載試驗結果統計表

4 結果分析

1）將本項目 5 根樁自平衡法試驗的荷載－位移曲線按建筑基樁檢測技術規范進行等效轉換，從而獲得傳統靜載試驗的荷載-位移曲線，如圖8、圖9 所示。

圖8 長沙市某房建項目 28# 棟 6#、7# 樁等效轉換自平衡試驗 Q-s 曲線

圖9 長沙市某房建項目 28# 棟 52#、74#、92# 樁等效轉換自平衡試驗 Q-s 曲線

由規范可以確認上述曲線均為緩變形的Q-s曲線，樁的豎向抗壓極限承載力取最大加載值［7］，與現場自平衡試驗結果相符合。

2）對比兩種方法的樁端阻力發揮情況，如圖10 所示?？梢园l現自平衡靜載試驗的樁端阻力發揮程度要高于高應變法的樁端阻力發揮程度，這與兩種方法的試驗原理密切相關。理論計算的樁端極限承載力為 3 619.1 kN，自平衡靜載試驗時樁端承載力發揮比例最大的樁為 7# 樁，發揮比例為 91 %；高應變試驗時樁端承載力發揮比例最大的樁同樣為 7# 樁，發揮比例為 79 %。

圖10 長沙市某房建項目 28# 棟自平衡與高應變法樁端阻力比對圖

3）對比兩種方法的樁側摩阻力，如圖11 所示。高應變試驗數據總側摩阻力比自平衡法靜載試驗數據略有偏大，這是因為自平衡靜載試驗時土體的實際受力方向與工程受力方向是不一致的，而高應變試驗是與土體的實際受力方向一致出現的。不考慮負摩阻力的影響，對樁側土體而言，樁身上拔時，會使樁側土的側摩阻力有所下降，而樁身受壓時，則會產生樁側摩阻力一定量的增長。上述結果與兩種試驗方法的原理相呼應。

圖11 長沙市某房建項目 28# 棟自平衡與高應變法樁側摩阻力比對圖

4）由本文上述數據及分析后發現，自平衡靜載試驗和高應變試驗獲得的承載力均大于設計承載力要求，說明上述 5 根基樁承載力滿足設計要求為合格樁。同時，5 根基樁均存在自平衡靜載試驗數據計算的單樁極限承載力，要略高于高應變曲線擬合法獲得的極限承載力。本項目自平衡靜載試驗的極限承載力檢測值比高應變法大 5 %～7 %，誤差在規范允許的范圍內，說明兩種方法的檢測數據均可用于判定該項目的基樁承載力。

5）高應變的整體沉降量比自平衡靜載試驗的沉降量略小，其原因一方面是自平衡靜載試驗時，樁底已經被部分壓密；另一方面是高應變試驗樁端阻力未充分發揮；另外，高應變試驗是在自平衡靜載試驗結束后立即進行的，未滿足充分休止時間的要求，也會對最終沉降量產生影響。

5 結語

本文對長沙市某房建項目進行基樁自平衡靜載試驗和高應變法試驗檢測。通過整理分析承載力檢測數據并繪制相應的曲線圖，判定兩種方法獲得的單樁豎向抗壓承載力均滿足設計要求，結合兩種方法的原理，確認兩種方法判定房建工程的承載力是適用的，而且實現了兩種檢測方法的互補，為房建項目靜載試驗方法的選擇提供了一個新的思路。