(上海市巖土工程檢測中心,上海 200072)

0 引言

在現(xiàn)代城市建設(shè)過程當(dāng)中，工程造價的高低，在設(shè)計階段尤為重要，特別是地下隱蔽工程。通常設(shè)計方在既有勘察資料的前提下，先進(jìn)行基礎(chǔ)承載能力的確定性試驗——通過對先期打入的樁進(jìn)行承載能力檢測，設(shè)計人員才可掌握建筑場地大量的巖土工程信息，為后期的建筑設(shè)計提供安全可靠的質(zhì)量保障和前提。

而基樁質(zhì)量的好壞、承載力的大小對整個工程來說起著決定性的作用?，F(xiàn)有的各種基樁檢測方法都有其各自的局限性，這一點正逐步得到人們的認(rèn)識。傳統(tǒng)的試樁方法如基樁高應(yīng)變動測、靜載荷試驗只能得到單樁的豎向抗壓或抗拔承載力值或極限承載力值，至于樁身、樁周土還不確切了解。當(dāng)試驗的一批樁有的能滿足要求，而有的卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于設(shè)計值，碰到類似情況，在試樁時，對樁身內(nèi)力及樁側(cè)阻分布情況有過測試，就能分析出其中的具體原因，并可給出合理、經(jīng)濟(jì)適用的解決辦法。在這方面，我們進(jìn)行了一系列的實驗工作，并得到了令人滿意的效果。

同時，隨著人們對地下空間的不斷開發(fā)與利用，深層建筑物也在逐日增多。對深層建筑物基樁承載力檢測絕大部分都是在自然地面以靜載荷（少部分采用高應(yīng)變法）進(jìn)行，測試結(jié)果代表的是從自然地面到樁端全部樁身所具有的承載力，而有效樁長部分的真實承載力則不得而知。若遇到多種不利情況疊加時，實際有效基樁承載力可能會與折減估算值偏差較大，給之后的建筑物沉降量控制帶來不利因素。

1 基本理論

在力學(xué)研究領(lǐng)域，研究物體在外力作用下的變形和破壞規(guī)律，即變形體靜力學(xué)理論是工程樁內(nèi)力測試及樁側(cè)摩阻力分布規(guī)律試驗的基礎(chǔ)。

1.1 變形體靜力學(xué)基本假定及相關(guān)變形的基本形式

1.1.1 基本假定

（1）連續(xù)性假定：物體的結(jié)構(gòu)是密實、無空隙的，因而其力學(xué)性能是連續(xù)的。根據(jù)這個假設(shè)，就可以把物體內(nèi)的一些物理量看成是連續(xù)的，用坐標(biāo)的連續(xù)函數(shù)來表示它們的變化規(guī)律；

（2）均勻性假定：物體內(nèi)各點材料均勻分布，其力學(xué)性能是均勻一致的。根據(jù)這個假設(shè)，就可以取出物體的任意一小部分來分析研究，然后把分析的結(jié)果用于整個物體；

（3）各向同性假定：物體內(nèi)任一點處沿各個方向的力學(xué)性能都相同。根據(jù)這個假設(shè)，在研究材料任一方向的力學(xué)性質(zhì)后，就可以將其結(jié)論用于其它任何方向。

1.1.2 相關(guān)變形形式

（1）軸向拉伸和壓縮：

受力特點：外力作用線與桿軸重合；

變形特點：桿件的長度發(fā)生伸長和縮短；

這即是豎向抗壓、抗拔靜載荷試驗樁承載力檢測時的基本變形形式。

（2）彎曲：

受力特點：由垂直于桿件軸線的橫向力作用，或作用于桿軸平面內(nèi)的外力偶引起的；

變形特點：桿件的軸線由直線變?yōu)榍€；

這即是水平靜荷載試驗樁承載力檢測時的基本變形形式。

1.2 軸向拉伸和壓縮時橫截面上的內(nèi)力、軸力

1.2.1 內(nèi)力的特點及計算方法

當(dāng)桿件受外力作用而變形時，其內(nèi)部質(zhì)點間的相對位置發(fā)生改變，從而引起相鄰部分的附加相互作用力，這種物體內(nèi)部各部分之間由于外力作用而引起的附加內(nèi)力，稱為內(nèi)力。內(nèi)力特點及計算方法：

（1）內(nèi)力隨外力的增加而增加，達(dá)到某一極限值時，構(gòu)件就會產(chǎn)生破壞；

（2）內(nèi)力與外加載荷的大小和約束的方式有關(guān)；

（3）內(nèi)力的分布與桿件變形有關(guān)；

（4）受力桿件中的內(nèi)力大小采用截面法求得。

1.2.2 軸力及軸力圖

當(dāng)外力F的作用線與桿的軸線重合時，內(nèi)力FN的作用線也與桿軸線重合，這種軸向內(nèi)力，簡稱軸力。桿件在軸向拉伸時，軸力的指向離開截面；而當(dāng)桿件在軸向壓縮時，軸力的指向向著截面，通常把拉伸時的軸力規(guī)定為正，壓縮時的軸力規(guī)定為義負(fù)。當(dāng)桿件受到多個軸向外力作用時，在桿件的不同段內(nèi)將有不同的軸力。這也正是抗壓、抗拔試驗樁的基本受力形式。為了表明桿內(nèi)的軸力隨截面位置的改變而變化的情況，常以軸力圖來表示。軸力圖，就是用平行桿件軸線的坐標(biāo)表示橫截面的位置，縱坐標(biāo)表示軸力值的大小，從而繪出表示軸力沿桿軸變化規(guī)律的圖形。

1.2.3 軸向拉伸與壓縮時橫截面上的應(yīng)力

根據(jù)平面假設(shè)，任意兩個橫截面之間所有縱向線段的伸長（壓縮）都相等，又因假設(shè)材料是連續(xù)、均勻的，所以內(nèi)力在橫截面上是均勻分布的，且垂直于橫截面，即橫截面上只有正應(yīng)力σ（法向應(yīng)力），且是均勻分布的（見圖1）。因軸力FN是橫截面上分布內(nèi)力系的合力，而橫截面上各點處分布內(nèi)力即正應(yīng)力σ均相等，故有：

FN=∫σdA=σ∫da=σA

于是，拉（壓）桿橫截面上的正應(yīng)力為：

σ=FN/A

它的正、負(fù)號規(guī)定與軸力FN相同，以拉應(yīng)力為正，壓應(yīng)力為負(fù)。

軸向拉伸（壓縮）桿，桿內(nèi)最大正應(yīng)力產(chǎn)生在橫截面上，而平行于桿軸的縱向截面上沒有應(yīng)力存在，因軸力為橫截面上分布內(nèi)力系的合力，據(jù)截面法原理，即可求得相鄰兩個測點間的軸力之差，即反應(yīng)了試樁兩個相鄰測點之間樁側(cè)摩阻力的大小。同時，工程中也把橫截面上的應(yīng)力作為拉（壓）桿強(qiáng)度計算的依據(jù)。

圖1 軸向拉（壓）桿的變形與內(nèi)力示意圖

1.2.4 軸向拉伸與壓縮時的變形

軸向變形：直桿受軸向拉力或壓力作用時，桿件會產(chǎn)生軸線方向的伸長或縮短，如圖2所示的等直桿原長L變?yōu)長L，桿的軸向伸長為：

ΔL=LL-L

ΔL稱為桿的軸向絕對線變形。線變形ΔL與桿件原長L之比，表示單位長度內(nèi)的線變形，又稱軸向線應(yīng)變，以符號ε表示，即ε=ΔL/L。

由上兩式可見，ΔL和ε在拉伸時均為正值，而在壓縮時均為負(fù)值。

實驗表明，工程中使用的大多數(shù)材料都有一個線彈性范圍。在此范圍內(nèi)，軸向拉（壓）桿的伸長（或縮短）ΔL與軸力FN、桿長L成正比，而與橫截面面積A成反比，引入比例常數(shù)E，即有：

ΔL=FNL/EA

即軸向拉伸或壓縮時等直桿的軸向變形計算公式。

引入σ=FN/A，ε=ΔL/L，可得到胡克定律另一表達(dá)式：

σ=Eε

上式說明：當(dāng)桿內(nèi)應(yīng)力未超過材料的比例極限時，橫截面上的正應(yīng)力與軸向線應(yīng)變成正比。比例常數(shù)E稱為材料的彈性模量，大小可由實驗測定，量綱與應(yīng)力的量綱相同。彈性模量E表示材料抵抗彈性拉壓變能力的大小，E值越大，則材料越不易產(chǎn)生伸長（縮短）變形。EA稱為桿件的抗拉壓剛度，它表示桿件抵抗彈性拉壓變形的能力。EA值越大，即剛度越大，桿的伸長（縮短）變形就越小。

圖2 桿件軸向與橫向變形圖

2 樁身軸力的計算

（1）對現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)進(jìn)行處理時，應(yīng)刪除異常測點數(shù)據(jù)，求出同一斷面有效測點的應(yīng)變平均值，并應(yīng)按下式計算該斷面處的樁身軸力：

式中：Qi—樁身第i斷面處軸力（kN)；

Ei—第i斷面處樁身材料彈性模量（kPa)；當(dāng)混凝土樁樁身測量斷面與標(biāo)定斷面兩者的材質(zhì)、配筋一致時，應(yīng)按標(biāo)定斷面處的應(yīng)力與應(yīng)變的比值確定；

Ai—第i斷面處樁身截面面積（m2)。

（2）每級試驗荷載下，應(yīng)將樁身不同斷面處的軸力值制成表格，并繪制軸力分布圖。樁側(cè)土的分層側(cè)阻力和樁端阻力應(yīng)分別按下列公式計算：

式中：qsi—樁第i斷面與i+1斷面間側(cè)阻力（kPa) ；

qp—樁的端阻力（kPa)；

i—樁檢測斷面順序號，i= l，2，……，n，并自樁頂以下從小到大排列；

u—樁身周長；

li—第i斷面與第i+1斷面之間的樁長（m)；

Qn—樁端的軸力（kN)；

A0—樁端面積（m2)。

3 工程概況

本項目選址于浦東新區(qū)世博后灘西片區(qū)C02-01地塊內(nèi)，世博大道以東、規(guī)劃路以南、博成路以西、國展路以北，具體位置參見圖3。項目總投資370518.54萬元人民幣。項目主要建設(shè)內(nèi)容包括新建演出用房、劇目創(chuàng)作排練及制作用房、歌劇藝術(shù)教育及交流用房、配套設(shè)施和輔助用房、地下人防車庫等。設(shè)置劇場3個，大歌劇廳2000座、中歌劇廳1200座、情景歌劇廳1000座。項目總建筑面積146338平方米，其中地上建筑面積75204平方米，地下建筑面積70774平方米，地下通道360平方米。擬建建筑物地上6層、地下2層，部分結(jié)構(gòu)體位于地面以下約30米處，單樁承載力大。工程區(qū)域地質(zhì)情況參見表1。

圖3 現(xiàn)場地理位置圖

表1 地基土主要土層物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

4 現(xiàn)場檢測

4.1 試樁基本資料（見表2）

表2 試樁主要技術(shù)參數(shù)

4.2 應(yīng)變計的設(shè)置

所有（抗壓）試樁全樁長范圍內(nèi)采用應(yīng)變計進(jìn)行樁身軸力及側(cè)摩阻力量測。鋼筋應(yīng)變計在樁頭、設(shè)計樁頂、樁底處及其它主要土層分界面標(biāo)高設(shè)置。傳感器標(biāo)定的斷面設(shè)置在樁頂以下1.5～2.0m處，在標(biāo)定斷面上設(shè)置4個應(yīng)變計，其余各斷面設(shè)置3個應(yīng)變計。傳感器的量程、精度應(yīng)能滿足測試要求，并采取有效措施保證傳感器的成活率大于90%。各埋設(shè)標(biāo)高根據(jù)試樁處相鄰勘探鉆孔資料確定，或按設(shè)計圖中所示位置布設(shè)。

4.3 應(yīng)變計的安裝

（1）應(yīng)變計按指定位置沿樁周均勻分布，并焊在主筋上，并滿足規(guī)范對搭接長度要求。

（2）在焊接應(yīng)變計時，為避免熱傳導(dǎo)使鋼筋計零漂增加，采用焊接方式，應(yīng)滿足以下要求：應(yīng)變計與鋼筋焊接可采用綁條焊。焊接時儀器應(yīng)采用棉紗包裹，澆水冷卻，使儀器溫度不超過60°，用冷水降低儀器溫度時，不要將冷水澆至焊縫處，以免影響焊接質(zhì)量。需保證焊接強(qiáng)度不低于鋼筋強(qiáng)度，并注意使受力鋼筋接頭應(yīng)距鋼筋應(yīng)變計兩端接頭不小于1.5m。電纜引出時，為了防止鑿樁頭時對電纜造成損壞，樁頂電纜外套1.5m長的鋼管進(jìn)行保護(hù)。應(yīng)變計現(xiàn)場布設(shè)可參見圖4。

（3）儀器安裝并檢驗正常工作后，經(jīng)檢測合格后，方可進(jìn)行混凝土灌注。在混凝土澆筑（灌注）時，采用水下灌注高流態(tài)混凝土的方式，避免振搗對傳感器和電纜的造成破壞。

（4）儀器安裝埋設(shè)完成后，應(yīng)及時觀測初始值，并做好標(biāo)記，以防人為損壞。吊放鋼筋籠子、澆筑砼以及后續(xù)土方開挖時，設(shè)置的傳感器需加強(qiáng)對檢測器件的保護(hù)，施工時采取采用管徑50mm，壁厚3.5mm的鋼管內(nèi)裝聚苯顆粒等材料進(jìn)行密封保護(hù)，伸出地面0.5m，并與鋼筋籠可靠固定，避免在樁身施工時脫落或受到破壞，造成無法進(jìn)行檢測。

圖4 應(yīng)變計現(xiàn)場布設(shè)實景圖

4.4 樁身軸力測量

在靜載荷試樁測試過程中，每次加載完成后，即對所有應(yīng)變計進(jìn)行數(shù)據(jù)測讀與記錄，當(dāng)每層埋設(shè)多個應(yīng)變計時，現(xiàn)場不得對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行平均、刪除等。

表3 試樁1各級荷載作用下的樁身軸力

表4 試樁2各級荷載作用下的樁身軸力

表5 試樁3各級荷載作用下的樁身軸力

圖5 1#樁樁身軸力分布曲線

圖6 1#樁樁身側(cè)阻力分布曲線

圖7 1#樁靜載荷測試Q-S曲線

圖8 1#樁靜載荷測試s-lgt曲線

圖9 2#樁樁身軸力分布曲線

圖10 2#樁樁身側(cè)阻力分布曲線

5 結(jié)果與分析

5.1 試驗結(jié)果

（1）樁身軸力與側(cè)阻力深度曲線分別見圖5、圖6，試樁1靜載荷測試Q-S、s-lgt曲線見圖7、圖8，各級荷載作用下樁身軸力統(tǒng)計見表3。

（2）試樁2測試軸力見表4，樁身軸力與側(cè)阻力分別見圖9、圖10。

（3）試樁3測試軸力見表5，樁身軸力與側(cè)阻力分別見圖11、圖12。

圖11 3#樁樁身軸力分布曲線

圖12 3#樁樁身側(cè)阻力分布曲線

5.2 試樁曲線分析

根據(jù)實測截面處的應(yīng)變通過上述公式求得試樁樁身軸力與側(cè)阻力，繪制成樁身軸力與側(cè)阻力沿深度的分布曲線見圖11、圖12，從圖得出如下結(jié)論：

（1）基樁靜載荷測試無法對有效樁長部分與其上部加長部分的承載力進(jìn)行區(qū)分。

（2）對于大埋深、大承載力的建筑基樁，其承載力測試均在自然地面進(jìn)行，由于有效樁身上部尚有數(shù)拾米加長樁身，后期基樁實際極限承載力要小于靜載荷測試極限值。

（3）試樁的軸力沿深度逐漸遞減向下傳遞，并且在不同的土層中有不同的遞減速率，呈非線性分布，反映出摩擦型樁的特點。

（4）在各級荷載作用下，樁身上部的軸力分布曲線斜率基木不變，說明樁身上部的側(cè)摩阻力已發(fā)揮充分。

（5）在各級樁頂荷載作用下，樁身上部一定深度范圍內(nèi)的樁側(cè)阻力是基本完全重合的，再次表明此深度范圍內(nèi)的樁側(cè)阻力已發(fā)揮充分；在此范圍以下，樁側(cè)摩阻力隨著荷載的增加而增加，這說明樁身下部的樁側(cè)阻力在逐步發(fā)揮出來。

（6）試樁在第三級荷載作用下，下部才出現(xiàn)側(cè)明顯的側(cè)摩阻力，且隨著荷載的增加，側(cè)摩阻力增大。這表明試樁下部的側(cè)摩阻力發(fā)揮是滯后于中上部的，在加載后期發(fā)揮程度逐漸增大。

（7）通過樁身軸力可以更加準(zhǔn)確的得出有效樁身長度側(cè)阻力及端阻力的分布情況，較單純的靜載荷測試能更加真實反應(yīng)有效樁長范圍內(nèi)的受力情況，特別是當(dāng)樁頂埋深較大時（如地鐵、地下大型樞紐等），為工程質(zhì)量提供更加科學(xué)的數(shù)據(jù)依據(jù)。