(山西省建筑科學(xué)研究院有限公司，山西 太原 030001)

引言

伴隨著城市化進(jìn)程和交通設(shè)施建設(shè)的完善，更多的超高層建筑與地鐵工程快速興起，在這些工程中，面臨著大量的深基坑工程，這常常需要處理好許多問(wèn)題，如開(kāi)挖基坑對(duì)周圍建筑物的影響、基坑回彈對(duì)工程樁產(chǎn)生的影響、軟土地區(qū)基坑開(kāi)挖的穩(wěn)定問(wèn)題、工程樁的變位問(wèn)題等，均應(yīng)加強(qiáng)防范，防止工程事故的發(fā)生[1-2]。

在深基坑工程中，基坑開(kāi)挖土體的卸載往往會(huì)對(duì)樁基的承載力及豎向剛度產(chǎn)生影響。目前廣泛采用的是地面試樁的方法，但其測(cè)試結(jié)果與樁的承載力存在偏差。對(duì)于深基坑工程的工程樁，樁頂往往在地面以下十多米的深度處，由于軟土及地下水等諸多因素的限制，當(dāng)前樁基的測(cè)試只能在地面上，盡管可以在計(jì)算中減去開(kāi)挖區(qū)域的摩阻力，但地面試樁的條件與深基坑開(kāi)挖后的情況并不相同[3-4]。部分研究通過(guò)數(shù)值模擬了深基坑情況，揭示了深基坑開(kāi)挖對(duì)樁基承載力的影響，但仍缺乏現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的相關(guān)數(shù)據(jù)，也沒(méi)有測(cè)試結(jié)果與承載能力的相關(guān)驗(yàn)證，同時(shí)樁基的上拔、變位等問(wèn)題，目前仍沒(méi)有較好的測(cè)試方法。基于上述問(wèn)題，本文對(duì)深基坑工程開(kāi)挖對(duì)樁基的影響展開(kāi)研究，闡述土體卸載可能對(duì)樁基產(chǎn)生的影響，探討靜載試驗(yàn)、自平衡試驗(yàn)等樁基檢測(cè)方法的應(yīng)用。

1 項(xiàng)目概況

某新建寫字樓項(xiàng)目，建筑高度為198 m，總建筑面積約為76 450 m2，地下部分共3層。該工程三面環(huán)水，基坑距離湖邊最近處約為10 m，地下水位埋深約為1.5 m。該工程的基坑總面積約為14 000 m2，該工程開(kāi)挖范圍的土質(zhì)主要為淤泥質(zhì)土，基坑底部位置接近承壓水層，承壓水頭較高，基坑開(kāi)挖可能會(huì)影響坑底的穩(wěn)定和造成圍護(hù)墻的變形。

2 基坑開(kāi)挖對(duì)工程樁的影響分析

基坑的開(kāi)挖可能會(huì)對(duì)深基坑工程樁樁基的水平位移、回彈和拉力產(chǎn)生影響。基坑的外側(cè)既有工程樁的影響及監(jiān)測(cè)和基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)相類似，包括水平與豎向位移以及深層的水平位移監(jiān)測(cè)。在超高層建筑基坑開(kāi)挖及施工時(shí)，面臨的主要問(wèn)題是基坑內(nèi)樁基的承載力及豎向位移測(cè)試，這也是本文著重分析的問(wèn)題。

2.1 承載力的影響

在深基坑開(kāi)挖過(guò)程中，土體的挖除即會(huì)造成挖除區(qū)域的荷載卸除，基坑底部樁頂截面標(biāo)高以上范圍的覆土被卸載?；娱_(kāi)挖平面范圍較大時(shí)，卸除的覆土荷載將導(dǎo)致樁側(cè)的法向土壓力降低，最終致使樁與土之間的側(cè)摩阻力下降。這會(huì)影響到樁基的承載力及豎向剛度，導(dǎo)致試樁的承載力偏高，即土體圍壓降低導(dǎo)致樁基承載力下降的問(wèn)題。同理，上述分析對(duì)于抗拔樁也適用，在土體開(kāi)挖后，樁周土體的豎向應(yīng)力降低，導(dǎo)致樁與土接觸界面的法向力下降，樁側(cè)摩阻力降低。而抗拔樁承載力多由側(cè)摩阻力提供，開(kāi)挖卸載則會(huì)造成樁基抗拔承載力下降。

2.2 承載變形的影響

深基坑開(kāi)挖往往會(huì)導(dǎo)致基坑底部的土體回彈，從而在樁頂往下的一定范圍產(chǎn)生上拔的摩阻力，而下部的樁側(cè)則形成向下的摩阻力，以達(dá)到平衡，使得整個(gè)樁身會(huì)處于受拉的應(yīng)力狀態(tài)。上述作用對(duì)樁的荷載傳遞產(chǎn)生影響會(huì)降低樁的豎向剛度。在國(guó)外的規(guī)范中，把地基變形對(duì)樁基的作用作為獨(dú)立工況，在計(jì)算時(shí)考慮基坑開(kāi)挖效應(yīng)對(duì)樁的影響，把地基的變形作為對(duì)樁的一種影響因素，尤其是樁基尚未受到荷載時(shí)，需要著重考慮。在一些深基坑工程中，甚至?xí)霈F(xiàn)基坑開(kāi)挖后樁基大面積受拉，甚至出現(xiàn)樁身結(jié)構(gòu)的破壞。在基坑底部不同位置的樁基，還可能因土體側(cè)向位移等因素的影響而產(chǎn)生樁身彎曲、偏位等問(wèn)題。

就抗拔樁來(lái)說(shuō)，其主要用于承受上拔力，土體的開(kāi)挖回彈產(chǎn)生的上拔力可能不會(huì)導(dǎo)致樁身斷裂，但必定會(huì)對(duì)樁身的受力狀態(tài)產(chǎn)生影響。因而，無(wú)論是承壓樁或是抗拔樁均應(yīng)考慮深基坑土體卸載對(duì)樁基受力狀態(tài)的影響。

3 樁基承載力檢測(cè)

3.1 靜力載荷試驗(yàn)

通過(guò)靜力荷載試驗(yàn)可以得到樁基的抗壓、抗拔以及橫向承載力，這是當(dāng)前較為廣泛采用的方法。隨著科技的不斷進(jìn)步，為進(jìn)一步探究樁基的作用機(jī)理創(chuàng)造了條件。在對(duì)深基坑開(kāi)挖條件下的單樁豎向承載力進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，可以采用與樁基受力狀態(tài)類似的方法。在加載時(shí)，利用堆載或者錨樁提高支反力，通過(guò)千斤頂對(duì)樁基逐步增大荷載，測(cè)出荷載隨樁頂位移變化的曲線、位移-時(shí)間曲線等，確定單樁的承載力、樁身摩阻力及樁端阻力等。如采用慢速維持荷載的方法，通過(guò)逐級(jí)等步增加荷載，每步荷載為預(yù)估最大荷載的10%，其中第一級(jí)的荷載可取最大荷載的20%，在卸載過(guò)程中按照與加載過(guò)程相反的次序逐級(jí)卸載。加載和卸載過(guò)程應(yīng)保證荷載的均勻、連續(xù)保持荷載的過(guò)程中荷載的變化幅度不能超過(guò)該步分級(jí)荷載的±10%。

對(duì)于基坑底部的工程樁，樁頂通常在地面下10 m左右的深度處，開(kāi)挖到基坑底部時(shí)，由于軟土及地下水等因素，僅能在地面上進(jìn)行試樁。常用的試樁方法有兩種：一種是常規(guī)試樁法，如圖1所示，通過(guò)試樁的承載力減去開(kāi)挖面以上樁的側(cè)摩阻力來(lái)確定樁基承載力；另一種是套管試樁法，在常規(guī)試樁法的基礎(chǔ)上，在基坑開(kāi)挖深度范圍增加套管，以消除開(kāi)挖范圍的樁基側(cè)摩阻力，但樁基的受力狀態(tài)與該加載方法亦存在區(qū)別。較為理想的試樁方法則如圖2所示，在土體開(kāi)挖完成后進(jìn)行樁基試驗(yàn)，這在現(xiàn)實(shí)中常常無(wú)法實(shí)現(xiàn)。但對(duì)于大面積深基坑開(kāi)挖工程，應(yīng)當(dāng)考慮土體開(kāi)挖回彈對(duì)樁基承載力等的影響。

圖1 常規(guī)試樁方法

圖2 理想試樁方法

考慮到開(kāi)挖卸載后常規(guī)的樁基試驗(yàn)也難以進(jìn)行，可采用錨樁法或者荷載錨樁聯(lián)合試驗(yàn)的方法進(jìn)行，力求實(shí)現(xiàn)在基坑底部試樁。試樁時(shí)加載可以采用1臺(tái)或者多臺(tái)相同型號(hào)的千斤頂進(jìn)行，荷載可以通過(guò)并聯(lián)在千斤頂?shù)膲毫Ρ磉M(jìn)行換算，若需進(jìn)一步提高精度，可以在千斤頂上設(shè)置壓力傳感器，以實(shí)現(xiàn)雙控校正。通過(guò)坑底試驗(yàn)結(jié)果與地面試驗(yàn)結(jié)果的比較，分析地面卸載對(duì)樁基承載力的影響。試樁時(shí)，需要在樁身中提前埋設(shè)電阻應(yīng)變計(jì)、位移桿等元件，測(cè)出樁側(cè)不同深度的摩阻力及端承力。樁基的沉降測(cè)試可以通過(guò)安裝于樁正交方向的4個(gè)位移計(jì)測(cè)得。沉降測(cè)定的平面應(yīng)距離樁頂≮0.5d，需要監(jiān)測(cè)基坑開(kāi)挖引起坑底土體的位移，并在樁基加載的沉降計(jì)算中扣除。

3.2 自平衡檢測(cè)

對(duì)于大范圍開(kāi)挖的深基坑坑底試樁、水上試樁及大噸位試樁等，通常的靜載試驗(yàn)堆載平臺(tái)無(wú)法實(shí)現(xiàn)，此時(shí)可以通過(guò)樁基自平衡檢測(cè)的方法進(jìn)行。該方法試驗(yàn)裝置較為簡(jiǎn)便，同時(shí)不需要占用較多場(chǎng)地，操作簡(jiǎn)單方便，同時(shí)又安全可靠。其原理是通過(guò)安裝于樁底附近的千斤頂，由油泵在地面進(jìn)行加載，千斤頂向上對(duì)樁身加載，向下壓樁底，這樣便能實(shí)現(xiàn)樁的摩阻力和樁的端阻力相互成反力，測(cè)出荷載-位移曲線，并進(jìn)行疊加，得到樁頂?shù)某休d力-位移曲線。在試驗(yàn)過(guò)程中，荷載的大小通過(guò)千斤頂油泵的壓力表獲得，位移則通過(guò)位移計(jì)獲得，上、下部樁的位移均采用兩只百分表測(cè)試。

自平衡檢測(cè)方法的主要設(shè)備是經(jīng)特殊設(shè)計(jì)的液壓千斤頂式的壓力單元。該壓力單元分為不可回收(一次性)和可回收兩種。不可回收的壓力單元通常為鍋式、鞘式?？苫厥盏膲毫卧前惭b在空心預(yù)制樁的內(nèi)部、樁底附近。通過(guò)預(yù)先加工的卡口澆筑在樁端附近，試樁時(shí)將壓力單元放在卡口位置，再順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°將其鎖住，試樁完成后再卸下壓力單元。

4 樁身缺陷檢測(cè)

4.1 鉆芯法

通過(guò)鉆芯法對(duì)樁身缺陷進(jìn)行檢測(cè)是比較直觀的方法，可以了解灌注樁的完整性、確定斷裂位置，了解樁身缺陷與基坑回彈的關(guān)系，同時(shí)檢測(cè)出混凝土是否存在離析、蜂窩等缺陷，了解樁底沉渣的厚度等，為準(zhǔn)確分析開(kāi)挖基坑導(dǎo)致工程樁豎向剛度降低提供有效數(shù)據(jù)。

鉆芯法是微破損或局部破損的方法，該方法適合大直徑樁的檢測(cè)，但該方法在檢測(cè)受基坑開(kāi)挖影響上拔斷裂破壞時(shí)，宜與其他方法結(jié)合進(jìn)行檢測(cè)。在試驗(yàn)前，確定鉆芯檢測(cè)方案，如鉆孔的深度、數(shù)量、位置等，鉆芯時(shí)應(yīng)避開(kāi)樁內(nèi)的鋼筋。

4.2 鉆孔內(nèi)水下攝像

鉆芯法檢測(cè)時(shí)往往容易受到制約，甚至在部分工程中出現(xiàn)爭(zhēng)議，如由于機(jī)械原因?qū)е滦緲悠茡p，這時(shí)則需要輔助光學(xué)技術(shù)進(jìn)行判斷。通過(guò)拍攝的圖像進(jìn)行觀察，對(duì)于樁身的缺陷位置進(jìn)一步的進(jìn)行識(shí)別，對(duì)缺陷的大小、樁底沉渣的厚度等均能夠進(jìn)行判斷。

5 結(jié)語(yǔ)

在深基坑工程中，往往由于土體開(kāi)挖卸載導(dǎo)致基坑底部土體回彈，這對(duì)基坑底部的工程樁承載力及豎向剛度產(chǎn)生影響，甚至引發(fā)樁身受拉裂縫、斷裂等問(wèn)題。在工程中，可以綜合選擇靜載試驗(yàn)或自平衡試驗(yàn)進(jìn)行樁基檢測(cè)，通過(guò)鉆芯法與鉆孔內(nèi)水下攝像結(jié)合的方法，對(duì)樁身缺陷進(jìn)行檢測(cè)。