基于靜載試驗(yàn)的單樁豎向抗壓承載力試驗(yàn)方法研究

摘 要：為明確樁基靜載荷試驗(yàn)各試驗(yàn)方式、極限荷載計(jì)算方法之間的異同點(diǎn)，擴(kuò)大樁基靜載荷試驗(yàn)適用范圍及場(chǎng)景，本文從理論分析和案例驗(yàn)證兩方面對(duì)比分析了快速法與慢速法、極限荷載法與Chin-Kondner推導(dǎo)法之間的差異，驗(yàn)證了快速法與慢速法在各級(jí)荷載下得沉降量之間存在較強(qiáng)的相關(guān)性，二者壓縮量差值與荷載之間擬合曲線的相關(guān)系數(shù)R2大于0.97，并結(jié)合案例給出了二者之間的經(jīng)驗(yàn)公式，論證了極限荷載法與Chin-Kondner推導(dǎo)法的適用范圍，結(jié)果表明，Chin-Kondner推導(dǎo)法適用于85.71%的工況。本文研究?jī)?nèi)容對(duì)提高樁基靜載荷試驗(yàn)質(zhì)量具有一定指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：樁基檢測(cè)；靜載荷試驗(yàn)；豎向承載力；極限承載力預(yù)測(cè)

中圖分類號(hào)：TU 47" " " " " " " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

對(duì)靜載荷試驗(yàn)來(lái)說(shuō)，在試驗(yàn)方法方面有慢速法、快速法以及國(guó)外采用的維持荷載法等多種方法，其中，維持荷載法與快速法類似[1-2]。快速法與慢速法各有優(yōu)勢(shì)，關(guān)于在實(shí)際工程中選擇相應(yīng)的方式以及二者之間關(guān)系的相關(guān)研究工作較少[3]。此外，針對(duì)靜載荷試驗(yàn)的極限承載力預(yù)測(cè)方法，國(guó)內(nèi)外也進(jìn)行了研究，其中以極限荷載法及Chin-Kondner模型法較為常用[4]。靜載荷試驗(yàn)應(yīng)用廣泛且試驗(yàn)結(jié)果十分具有說(shuō)服力，基于此，為進(jìn)一步提高靜載荷試驗(yàn)質(zhì)量，滿足復(fù)雜項(xiàng)目需求，本文對(duì)靜載荷試驗(yàn)的不同試驗(yàn)方法和數(shù)據(jù)處理方式分別進(jìn)行研究，對(duì)比分析了快速法與慢速法、極限荷載法及Chin-Kondner模型法的異同點(diǎn)及適用范圍。

1 研究?jī)?nèi)容概況

1.1 快速法與慢速法

靜載荷試驗(yàn)的慢速法與快速法之間的差別主要是各級(jí)荷載的維持時(shí)間，兩種方法的對(duì)比情況見(jiàn)表1，其中，慢速法要求各級(jí)荷載維持時(shí)間大于等于2h，快速法要求每級(jí)荷載維持時(shí)間大于等于1h，慢速法判穩(wěn)標(biāo)準(zhǔn)為1h內(nèi)沉降量不超過(guò)0.1mm，快速法判穩(wěn)條件為后15min內(nèi)沉降量小于上一個(gè)15min內(nèi)的樁頂沉降量[5]。除此之外，兩種方法的加載級(jí)數(shù)均為10～12級(jí)，終止試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)均為出現(xiàn)可判定極限荷載的陡降段，卸載過(guò)程均為單級(jí)卸載量為加載量的2倍[6]。

1.2 快速法數(shù)據(jù)處理方法

快速法常用的資料整理方法為外推法，外推法中第N級(jí)荷載下，該級(jí)荷載穩(wěn)定后的沉降量與時(shí)間關(guān)系如公式（1）所示。

SN=αN+βN+ln（tN+1） " "（1）

式中：，tN為穩(wěn)定沉降量，mm；αN為第N級(jí)荷載下S-lnt曲線的截距，mm；βN為第N級(jí)荷載下S-lnt曲線的斜率。

快速法中常用的確定承載力特征值的方法主要有比例界限荷載值法、極限荷載值法和相對(duì)變形控制法。

除此之外，兩種方法所得Q-s曲線如圖1所示，可知慢速法與快速法的Q-s曲線均存在荷載作用下的3個(gè)階段：壓密變形階段（彈性變形階段）、局部剪切破壞階段（彈塑性變形階段）和整體破壞階段（塑性變形階段）。從曲線特征可知，慢速法與快速法在相同荷載下所產(chǎn)生的差值隨著施加荷載增加而變大，但二者在曲線形狀方面并無(wú)明顯差異[7]。綜上所述，從應(yīng)力應(yīng)變角度分析，慢速法與快速法在到達(dá)比例界限之前差異并不大，且二者之間存在一點(diǎn)關(guān)聯(lián)性。

2 樁基極限承載力計(jì)算方法

較為常用的靜載荷試驗(yàn)單樁豎向極限承載力計(jì)算方法包括極限荷載法和Chin-Kondner模型法。

2.1 極限荷載法

極限荷載是對(duì)應(yīng)超過(guò)樁的彈性壓縮（4mm）的變形的荷載加上土壤地震效應(yīng)，其中，Davisson極限荷載法的系數(shù)等于樁的直徑除以120，如圖2所示[8]。

因?yàn)檫@種方法可以從實(shí)際荷載-沉降曲線中得知最低的軸向壓縮能力估計(jì)值，而不需要任何推導(dǎo)，所以使用較為廣泛。該方法基于在應(yīng)變達(dá)到容量的假設(shè)，并試圖通過(guò)補(bǔ)償樁的剛度（長(zhǎng)度和直徑）來(lái)估計(jì)該變形[9]。主要用于根據(jù)快速方法測(cè)試的打樁的測(cè)試結(jié)果。但是該方法需要靜載荷試驗(yàn)加載至樁基破壞附近，試驗(yàn)難度較大，可以用公式（2）計(jì)算沉降量。

S=aQ2" " " " " " " " " " " "（2）

式中：S為樁荷載作用下的樁沉降量，mm。

通過(guò)運(yùn)算，可得到公式（3）。

（3）

式中：STL為試樁時(shí)的樁沉降量；QTL為試樁荷載。

2.2 Chin-Kondner模型法

該方法與Davisson極限荷載法類似，應(yīng)用Chin-Kondner 方法，將結(jié)果值與沉降繪制成圖。經(jīng)過(guò)一些初始變化后，繪制的值落在直線上，這條線的反斜率即為極限荷載，如公式（4）、公式（5）所示。

（4）

（5）

3 案例分析

3.1 快速法與慢速法對(duì)比分析

為分析慢速法與快速法之間的異同點(diǎn)，尋找二者之間的關(guān)系，本研究以前述理論研究?jī)?nèi)容為基礎(chǔ)，對(duì)實(shí)際工程中的4根水泥土攪拌樁進(jìn)行靜載荷試驗(yàn)。在試驗(yàn)過(guò)程中根據(jù)樁身具體位置，將距離最近的兩根樁劃分為一組，避免地層非均質(zhì)性對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，共劃分2組，每組2根。對(duì)同一組內(nèi)的2根試驗(yàn)樁分別采用慢速法與快速法進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)過(guò)程按照上文所述方法和相關(guān)規(guī)范進(jìn)行控制，將試驗(yàn)所得結(jié)果匯總至表2。將試驗(yàn)過(guò)程中荷載與沉降關(guān)系繪制曲線，如圖3所示。兩組試驗(yàn)過(guò)程中的慢速法與快速法所得荷載-沉降曲線較為相似，同組試驗(yàn)中快速法與慢速法之間曲線線性特征基本一致，與上文所述兩種試驗(yàn)方法理論機(jī)理研究?jī)?nèi)容一致。

圖4為將兩組試驗(yàn)結(jié)果中各級(jí)荷載的慢速法變形量與快速法之間的差值與荷載值繪制的曲線，分別對(duì)其進(jìn)行多元方程擬合，擬合結(jié)果表明，t1中兩種方法的差值可表示為公式（6），曲線擬合程度的R2=0.970；t2中兩種方法的差值可用公式（7）表示，曲線擬合程度的R2=0.995，說(shuō)明慢速法與快速法在同級(jí)荷載下沉降量存在明顯的相關(guān)關(guān)系。

S1=3.474×10-5p2-5.726×10-4p+0.735" " （6）

S1=3.338×10-5p2-16.127×10-4p-0.172 " " （7）

式中：S1為p級(jí)荷載下兩種試驗(yàn)方法所得沉降量差值，mm；p為加載荷載，kN。

為進(jìn)一步明確慢速法與快速法在各級(jí)荷載下的沉降量關(guān)系，本文在上述研究的基礎(chǔ)上采用多元方程的曲線形式，將公式（6）、公式（7）中相同位置的系數(shù)值取平均值作為經(jīng)驗(yàn)公式相應(yīng)位置的系數(shù)，最終給出描述樁基靜載荷試驗(yàn)中慢速法與快速法沉降量關(guān)系的經(jīng)驗(yàn)公式，如公式（8）所示。

Sm=Sk+S1=Sk+3.406×10-5p2-10.927×10-4+0.282 （8）

式中：Sm為p級(jí)荷載下慢速法沉降量，mm；Sk為p級(jí)荷載下快速法沉降量，mm。

3.2 不同數(shù)據(jù)處理方法對(duì)比分析

表3總結(jié)了本研究中考慮的所有試驗(yàn)樁的荷載和沉降結(jié)果。由表3可知，參與計(jì)算的樁型種類包括灌注樁、鉆孔樁、CFA樁、PHC樁以及螺旋鉆孔樁等。表3中提到的樁設(shè)計(jì)容量是根據(jù)塑性理論計(jì)算的，安全系數(shù)為2.5或3.0，具體取決于巖土工程報(bào)告的可能精度，根據(jù)作者的經(jīng)驗(yàn)。測(cè)試載荷的施加范圍是計(jì)算設(shè)計(jì)載荷的0.86倍～5.5倍。

采用上文所述2種方法對(duì)案例內(nèi)容進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算所得結(jié)果見(jiàn)表4。從表4可以看出，極限荷載法只適用于所有分析案例的4個(gè)樁荷載測(cè)試，即28.57%，而Chin-Kondner推導(dǎo)法占所有分析案例的85.71%。說(shuō)明Chin-Kondner推導(dǎo)法使用范圍更加廣泛。

4 結(jié)論

為進(jìn)一步提高樁基靜載荷試驗(yàn)質(zhì)量，擴(kuò)大適用范圍，本文對(duì)其試驗(yàn)方法與數(shù)據(jù)處理方法分別進(jìn)行了研究，得出以下結(jié)論。1）對(duì)案例中的各組試驗(yàn)中的快速法與慢速法所得沉降量差值進(jìn)行曲線擬合，擬合得到相關(guān)系數(shù)R2大于0.97，說(shuō)明快速法與慢速法在各級(jí)荷載下的沉降量之間存在較強(qiáng)的相關(guān)性，并結(jié)合案例結(jié)果給出兩者之間的經(jīng)驗(yàn)公式。2）針對(duì)樁基極限荷載計(jì)算方法，極限荷載法只適用于所有分析案例的4個(gè)樁荷載測(cè)試，即28.57%，而Chin-Kondner推導(dǎo)法占所有分析案例的85.71%，具有更加廣泛得適用性。

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