郝志鵬 梁大偉 黃 浩

(山西省建筑科學(xué)研究院，山西 太原 030001)

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·巖土工程·地基基礎(chǔ)·

自平衡靜載荷試驗(yàn)法在山西地區(qū)應(yīng)用分析

郝志鵬 梁大偉 黃 浩

(山西省建筑科學(xué)研究院，山西 太原 030001)

介紹了堆載法與錨樁法兩種傳統(tǒng)樁基靜載荷試驗(yàn)方法的優(yōu)缺點(diǎn)，分析了新型自平衡靜載荷試驗(yàn)較傳統(tǒng)試驗(yàn)方法所具有的優(yōu)點(diǎn)，并闡述了該新型試驗(yàn)方法在山西地區(qū)的應(yīng)用范圍及修正系數(shù)，有利于提高樁基檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

樁基，自平衡靜載荷試驗(yàn)，堆載法，錨樁法

1 樁基靜載荷試驗(yàn)方法

隨著城市用地的緊張，近年來，高層、超高層建筑和市政橋梁、高鐵建筑的大量涌現(xiàn)，混凝土灌注樁由于其具有地層適應(yīng)性強(qiáng)、單樁承載力高、樁身剛度大、耐久性好等優(yōu)點(diǎn)，在工程上被大量采用，目前已成為應(yīng)用最廣泛的基礎(chǔ)形式。由于其單樁承載力很高，一般都達(dá)到1 000 t左右，多的甚至達(dá)3 000 t以上，所以樁身承載力必須滿足要求，否則將很容易造成工程事故。對(duì)于樁基承載力的檢測(cè)，目前最主要的手段是進(jìn)行靜載荷試驗(yàn)，主要是因?yàn)殪o載荷試驗(yàn)是最直接的判斷手段，該方法實(shí)際是通過預(yù)壓相當(dāng)?shù)暮奢d在樁基上，模擬將來基樁的實(shí)際受力狀況，通過分析基樁的沉降量與加載量的關(guān)系，判斷基樁承載力是否滿足要求。相比較其他方法，如計(jì)算法、動(dòng)測(cè)法、查表法、取芯法等，靜載荷法是最直接的方法，其他方法都屬于間接的方法，故通過靜載荷試驗(yàn)數(shù)據(jù)，判斷基樁承載力是否滿足要求是目前最可靠的方法。

常用的靜載荷試驗(yàn)方法有堆載法和錨樁法，兩種方法各有優(yōu)缺點(diǎn)。堆載法檢測(cè)具有一定的隨機(jī)性，檢測(cè)之前施工單位無法獲知具體的檢測(cè)位置，待樁基開挖至樁頂標(biāo)高后，由相關(guān)單位隨機(jī)現(xiàn)場(chǎng)選定，檢測(cè)位置具有隨機(jī)性和代表性。但該方法主要是通過在樁頂預(yù)加配重來實(shí)現(xiàn)反力裝置，反力裝置一般為水泥配重、土包或者水包等，對(duì)于噸位較小的靜載荷試驗(yàn)，該方法比較有效和簡(jiǎn)便，但對(duì)于較大噸位，尤其是1 000 t以上的靜載試驗(yàn)，所需配重大大增加，該方法就顯得笨重，而且操作難度大、周期長(zhǎng)、風(fēng)險(xiǎn)高、費(fèi)用大；錨樁法是在樁基施工設(shè)計(jì)階段，預(yù)先設(shè)計(jì)好檢測(cè)試樁樁位，在試樁周圍預(yù)先布置錨樁，試驗(yàn)時(shí)通過錨樁向上的上拔力來為試樁提供反力的一種試驗(yàn)方法。該方法具有一定預(yù)知性，施工時(shí)即可知道試樁和錨樁的位置，尤其對(duì)于后注漿工藝，人為目的性因素較大。該方法試樁周圍必須有規(guī)律的布置錨樁，這對(duì)結(jié)合上部結(jié)構(gòu)的布樁方式，有一定的約束，有時(shí)工程不需要但是必須為了試驗(yàn)而單獨(dú)做錨樁，造成浪費(fèi)。而且錨樁為了提供足夠的上拔力配合試驗(yàn)，一般樁長(zhǎng)都較長(zhǎng)，主筋數(shù)量和直徑較大，檢驗(yàn)完成后對(duì)工程造成一定浪費(fèi)。

2 自平衡靜載荷試驗(yàn)

自平衡靜載荷試驗(yàn)是一種新型的靜載荷試驗(yàn)方法，該方法已在全國(guó)30個(gè)省份大量推廣應(yīng)用，國(guó)內(nèi)十余個(gè)省份已制定了基樁自平衡靜載試驗(yàn)技術(shù)規(guī)程地方標(biāo)準(zhǔn)。自平衡靜載試驗(yàn)方法已在我省逐步推廣和應(yīng)用多年，應(yīng)用范圍涉及多地市及多個(gè)領(lǐng)域，包括超高層建筑、工業(yè)建筑、市政橋梁、高鐵建筑等。前期的自平衡法樁基靜載荷試驗(yàn)方法僅用于灌注樁，目前已經(jīng)發(fā)展到預(yù)制樁領(lǐng)域，并且其技術(shù)在不斷的更新與發(fā)展。

自平衡靜載荷試驗(yàn)法屬于基樁靜載荷試驗(yàn)的一種，不同于傳統(tǒng)的堆載法和錨樁法，其是在樁身某個(gè)平衡點(diǎn)位置或者樁端設(shè)置荷載箱，荷載箱其實(shí)為樁身內(nèi)部的類似于千斤頂?shù)难b置，通過油管與地面油泵裝置相聯(lián)系，油管沿樁身主筋引出至地面。荷載箱上下兩端的位移，通過鋼管引出至地面，位移測(cè)試裝置設(shè)置于鋼管中。試驗(yàn)加載時(shí)，通過地面油泵裝置向樁身荷載箱施加壓力，在每級(jí)荷載下，荷載箱在壓力作用下，開始產(chǎn)生向上和向下的位移，通過鋼管中的位移串珠分別引出至地面，測(cè)出相應(yīng)的向上、向下的位移，即可得出同常規(guī)靜載荷試驗(yàn)一樣所測(cè)得的Q—s曲線，只不過該曲線為同級(jí)荷載下向上位移和向下位移的兩條曲線，之后經(jīng)過一定的換算公式，得出相應(yīng)的Q—s曲線。試驗(yàn)在每級(jí)加載下，荷載箱上部樁身受到荷載箱向上的作用力，樁周土體則產(chǎn)生向下的摩擦力，荷載箱下部的樁身受到向下的作用力，樁周土體產(chǎn)生向上的作用力，樁端阻力也得到發(fā)揮。此時(shí)，樁身上部的向下的側(cè)摩阻力以及樁身上部自重、樁頂施加向下的配重，三者之和與樁身下部的向上側(cè)摩阻力及樁端阻力之和是靜態(tài)平衡的，哪一端的合力較小，則產(chǎn)生的位移較大，哪一端先破壞。此處不考慮樁身下端的自重，是由于樁身平衡點(diǎn)位置一般都比較靠下或者位于樁端，其自重同上部樁身自重相比可忽略不計(jì)。

自平衡靜載荷試驗(yàn)方法，與傳統(tǒng)的靜載荷試驗(yàn)方法相比較，其最大的優(yōu)點(diǎn)就在于，傳統(tǒng)的靜載荷試驗(yàn)方法都是從樁身外部解決試驗(yàn)反力，而自平衡靜載荷試驗(yàn)法，是通過樁身內(nèi)部解決試驗(yàn)反力，這對(duì)基樁檢測(cè)來說不僅是過程大大簡(jiǎn)化，而且大幅降低了試驗(yàn)費(fèi)用。自平衡靜載荷試驗(yàn)關(guān)鍵技術(shù)問題其實(shí)是確定平衡點(diǎn)位置，平衡點(diǎn)位置如果選取不恰當(dāng)，很有可能導(dǎo)致試驗(yàn)未達(dá)到目標(biāo)荷載而某一端已經(jīng)破壞，無法繼續(xù)試驗(yàn)。目前常用的平衡點(diǎn)確定方法是通過地質(zhì)勘察報(bào)告估算，結(jié)合經(jīng)驗(yàn)確定出平衡點(diǎn)的位置，該方法對(duì)大部分工程都是適用的，但是對(duì)個(gè)別工程也有差異。

3 自平衡在山西地區(qū)的應(yīng)用狀況

從1996年起，通過現(xiàn)場(chǎng)80多個(gè)與傳統(tǒng)方法的對(duì)比試驗(yàn)，已經(jīng)摸索出一套系統(tǒng)的理論，自平衡試驗(yàn)法在全國(guó)30個(gè)省市開始大量采用，各省市也制定了一些相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，積累了一些當(dāng)?shù)氐慕?jīng)驗(yàn)。2000年以后，自平衡靜載荷試驗(yàn)法開始在山西一些工程項(xiàng)目中應(yīng)用，其主要集中在工業(yè)建筑和市政橋梁、高鐵建筑中，由于其具有前述的優(yōu)點(diǎn)，陸續(xù)在我省得到推廣和應(yīng)用，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，目前山西地區(qū)已完成的自平衡靜載荷試驗(yàn)約20項(xiàng)～30項(xiàng)，應(yīng)用范圍目前還有擴(kuò)大趨勢(shì)，這些項(xiàng)目大部分應(yīng)用都比較成功，積累了一定的地區(qū)經(jīng)驗(yàn)，推動(dòng)了我省基樁靜載荷試驗(yàn)檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展。表1為已收集到的有完整資料的我省的自平衡靜載荷試驗(yàn)項(xiàng)目。

表1 自平衡靜載荷試驗(yàn)項(xiàng)目

4 自平衡在山西地區(qū)的具體應(yīng)用

4.1 應(yīng)用范圍

根據(jù)已掌握的完整試樁資料，由表1可以看出，自平衡靜載試驗(yàn)?zāi)壳爸饕獞?yīng)用于我省的工業(yè)建筑和高鐵、市政橋梁建筑，其中項(xiàng)目1,2,5,6為城市市政橋梁建筑，項(xiàng)目3,4,7為高鐵車站建筑，項(xiàng)目8為工業(yè)廠房建筑。這主要是由于，目前工業(yè)建筑和市政、高鐵建筑的基樁具有以下特點(diǎn)：一般樁身較長(zhǎng)、直徑較大，布樁形式不規(guī)律，單樁承載力較高等，傳統(tǒng)的堆載法由于單樁承載力較高導(dǎo)致費(fèi)用較大、工期較長(zhǎng)、風(fēng)險(xiǎn)較高而無法實(shí)現(xiàn)，傳統(tǒng)的錨樁法由于其布樁形式的不規(guī)律，試樁周圍很難找到可用的錨樁，單獨(dú)為試驗(yàn)做錨樁成本又太高，故為了進(jìn)行靜載荷試驗(yàn)，只能采用自平衡法。同時(shí)目前在我省個(gè)別地區(qū)，已經(jīng)開始將該技術(shù)應(yīng)用于住宅建筑中的高層和超高層建筑，隨著該技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)用范圍必將越來越廣泛。

4.2 試驗(yàn)范圍

通常對(duì)于自平衡靜載荷試驗(yàn)，10 000 kN以內(nèi)其優(yōu)勢(shì)還不是很明顯，這是因?yàn)?0 000 kN以內(nèi)，傳統(tǒng)的堆載法和錨樁法，完全能夠順利完成試驗(yàn)，并且經(jīng)過幾十年的發(fā)展，其技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，經(jīng)過多年的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，相對(duì)成本已經(jīng)在逐步降低，完全能夠被業(yè)主單位接收。而對(duì)于加載量超過10 000 kN，甚至20 000 kN以上的靜載荷試驗(yàn)，由于堆載法的配重?cái)?shù)量較大、試驗(yàn)費(fèi)用較高，錨樁法的鋼梁剛度要求較高、錨樁數(shù)量要求較多，此時(shí)自平衡法方能顯示出其優(yōu)勢(shì)。根據(jù)已掌握的資料，目前在我省由山西省建筑科學(xué)研究院完成的最大噸位的堆載法靜載荷試驗(yàn)為28 000 kN，由表1可以看出，我省上述項(xiàng)目試驗(yàn)最大加載量已達(dá)到37 500 kN。對(duì)于加載量達(dá)到3 750 t以上的靜載試驗(yàn)，自平衡法能夠輕松完成，且試驗(yàn)獲得成功。即使噸位再大，通過特制的并聯(lián)千斤也能夠完成，可以說自平衡法靜載荷試驗(yàn)，其檢測(cè)承載力上限完全突破了錨樁和堆載法的范圍。

4.3 修正系數(shù)

修正系數(shù)是指荷載箱上段樁的側(cè)阻力修正系數(shù)，由于自平衡法靜載試驗(yàn)的荷載箱設(shè)置在樁身中部平衡點(diǎn)位置處，當(dāng)加載時(shí)，樁身上段實(shí)際產(chǎn)生相對(duì)向上位移，產(chǎn)生的其實(shí)為抗拔力，而非豎向抗壓力，這與樁將來的豎向抗壓實(shí)際受力情況剛好相反，所以必須對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，將向上的抗拔力轉(zhuǎn)換為向下的抗壓力。目前國(guó)外對(duì)該法測(cè)試值如何得出抗壓樁承載力的方法也不相同，有些國(guó)家將上、下兩段實(shí)測(cè)值相迭加作為樁抗壓極限承載力，這樣偏于安全、保守，有些國(guó)家將上段摩阻力乘以1.5再與下段樁迭加而得抗壓極限承載力。我國(guó)目前現(xiàn)有地方標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，都是根據(jù)樁身上段土的類型，劃分為不同的修正系數(shù)，將樁身上段的向上的極限承載力除以修正系數(shù)，轉(zhuǎn)化為樁身上段向下的極限承載力。根據(jù)國(guó)內(nèi)在黏土地區(qū)做的對(duì)比試驗(yàn)，其系數(shù)一般在0.73～0.8之間。由表1看出，我省已完成的工程項(xiàng)目，該修正系數(shù)絕大多數(shù)取值都為0.8，這主要是由于我省目前該修正系數(shù)還缺乏大量工程實(shí)例的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，尤其是缺乏自平衡結(jié)合內(nèi)力測(cè)試及破壞性試驗(yàn)的數(shù)據(jù)，故將該修正系數(shù)取大值，是偏于工程安全的。

4.4 平衡點(diǎn)位置

自平衡靜載荷試驗(yàn)其關(guān)鍵點(diǎn)就是確定平衡點(diǎn)的位置，因?yàn)樵撛囼?yàn)主要是靠樁身上下端的相互平衡來維持試驗(yàn)的，有一端達(dá)到極限狀態(tài)而破壞，則試驗(yàn)無法進(jìn)行。故只有確定了合適的平衡點(diǎn)，才能使向上、向下的側(cè)阻力以及樁端阻力充分發(fā)揮，而不至于在樁身某一段已達(dá)到極限狀態(tài)，另一段尚未接近極限狀態(tài)，試驗(yàn)提前結(jié)束。由表1可以看出，火炬橋的前4根試樁、聞喜冀東的前2根試樁，其向上、向下的位移差別較大，其一端的位移值已達(dá)到極限值，而另一端其位移值還較小，還有很大的發(fā)揮空間，但試驗(yàn)由于一端的破壞，無法達(dá)到平衡，必須終止。其余試驗(yàn)的平衡點(diǎn)選擇相對(duì)來講比較合理，向上、向下的位移范圍大致一致，獲得了較好的試驗(yàn)效果。

5 結(jié)語

1)近年來，自平衡靜載試驗(yàn)方法已在我省逐步推廣和應(yīng)用多年，應(yīng)用范圍涉及多地市及多個(gè)領(lǐng)域，目前急需制定相應(yīng)的規(guī)范來指導(dǎo)其設(shè)計(jì)、施工、檢測(cè)。同時(shí)隨著市政建筑、高鐵建筑和超高層建筑的大量涌現(xiàn)，該方法應(yīng)用范圍今后將呈現(xiàn)出逐步擴(kuò)大的趨勢(shì)。

2)基樁自平衡法適用于碎石土、黏性土、軟土、砂土、粉土、巖層以及特殊性巖土中的混凝土灌注樁等的承載力測(cè)試，特別適用于傳統(tǒng)堆載法和錨樁法難以實(shí)施的狹窄場(chǎng)地試樁、特大噸位試樁、坡地試樁、基坑底試樁等。該方法不僅可用于基樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)，也可用于基樁豎向抗拔靜載試驗(yàn)。

3)荷載箱的埋設(shè)位置和承載力的評(píng)價(jià)方法是自平衡法的關(guān)鍵問題，需要結(jié)合我省典型地質(zhì)特點(diǎn)，組織山西各地的試驗(yàn)單位對(duì)試驗(yàn)成果進(jìn)行調(diào)研總結(jié)，并加強(qiáng)和傳統(tǒng)靜載試驗(yàn)的對(duì)比，特別是各地區(qū)土性參數(shù)研究，以獲得比較合理的修正系數(shù)值和承載力評(píng)價(jià)方法。

[1] 張文彬，姬同庚，李志斌.超大噸位自平衡法與靜壓法荷載試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比研究[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2011(5)：33.

[2] 龔維明，戴國(guó)亮.樁承載力自平衡測(cè)試技術(shù)及工程應(yīng)用[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2013.

[3] 龔維明.樁承載力自平衡測(cè)試?yán)碚撆c實(shí)踐[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2002(3)：96-98.

3.5 管井?dāng)?shù)量與布置

Analysis on the application of self-balancing static load testing method in Shanxi province

Hao Zhipeng Liang Dawei Huang Hao

(Shanxi Research Institute of Architecture Science, Taiyuan 030001, China)

The paper introduces merits and defects of two kinds of traditional pile foundation static-load testing methods including overloading method and anchorage pile method, analyzes advantages of new self-balancing static-load testing method comparing to traditional testing method, and describes application scope and correction coefficient of new testing method in Shanxi province, which will be good for improving the accuracy of the pile foundation detecting results.

pile foundation, self-balancing static load testing, overloading method, anchorage pile method

1009-6825(2016)34-0058-03

2016-09-21

郝志鵬(1975- )，男，碩士，高級(jí)工程師； 梁大偉(1980- )，男，碩士，高級(jí)工程師； 黃 浩(1989- )，男，碩士，助理工程師

TU473.16

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