□□ 趙 月

(山西科匯工程質(zhì)量檢測有限公司,山西 太原 030013)

引言

在樁基工程選型與布置設(shè)計(jì)中,需要樁側(cè)土阻力和樁端土阻力參數(shù)。尤其是對摩擦樁或端承摩擦樁而言,樁側(cè)土阻力分布情況是重要的設(shè)計(jì)依據(jù)之一。對地基設(shè)計(jì)等級為甲級、地基條件復(fù)雜的重要建筑施工圖設(shè)計(jì)前,其樁基工程設(shè)計(jì)時,樁側(cè)土阻力參數(shù)除可參考工程地質(zhì)勘察報(bào)告數(shù)據(jù)外,往往需進(jìn)行試樁檢測,以準(zhǔn)確確定樁周土阻力分布情況。對于混凝土灌注樁,可以通過埋設(shè)傳感器進(jìn)行樁身內(nèi)力測試,來獲得樁側(cè)各土層的分層側(cè)阻力和樁端支承力。但對預(yù)應(yīng)力混凝土管樁而言,在鋼筋籠中預(yù)裝傳感器來進(jìn)行樁身內(nèi)力測試十分困難。因此,通常在預(yù)應(yīng)力混凝土管樁試樁進(jìn)行靜載試驗(yàn)前,采用高應(yīng)變動測方法對試樁進(jìn)行檢測,并運(yùn)用實(shí)測曲線擬合法進(jìn)行分層分段計(jì)算,推斷管樁樁周土層土阻力分布,為優(yōu)化工程樁的選型與布置設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 高應(yīng)變動測法及實(shí)測曲線擬合法原理

1.1 高應(yīng)變動測的現(xiàn)場工作方法

高應(yīng)變法理論基礎(chǔ)是一維應(yīng)力波理論,建立本構(gòu)關(guān)系,同時考慮土彈簧和土阻尼的非線性影響,綜合計(jì)算分析樁-土系統(tǒng)響應(yīng),以達(dá)到對樁側(cè)和樁端土阻力進(jìn)行測量的目的?；鶚陡邞?yīng)變動測法現(xiàn)場試驗(yàn)系統(tǒng)組成示意如圖1所示。高應(yīng)變動測系統(tǒng)主要包括高應(yīng)變基樁動測儀、加速傳感器、應(yīng)變式力傳感器、錘擊設(shè)備及相應(yīng)采集分析軟件。檢測設(shè)備主要技術(shù)性能符合JG/T 518—2017《基樁動測儀》要求,且具有存儲、實(shí)時顯示力與速度信號、實(shí)測信號處理與分析等功能,檢測所用的BECT-C6型高應(yīng)變動測儀器如圖2所示。

圖1 高應(yīng)變動測法試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖

圖2 BECT-C6型基樁動測儀

高應(yīng)變檢測的錘擊設(shè)備有兩種:一是自由落錘,適用于各種樁型;二是打樁錘,適用于打入樁,如筒式柴油錘、蒸汽錘和液壓錘等具有導(dǎo)向裝置的打樁機(jī)械都可作為高應(yīng)變錘擊設(shè)備。傳感器一般安裝于樁頂下1D～2D的樁側(cè)表面(D為基樁的直徑或邊寬)。安裝時,應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場條件盡量向下安裝,以避免錘擊時應(yīng)力集中和偏心的影響。每種傳感器≮2個,以提高力與速度測試的精度。

1.2 高應(yīng)變動測法中土阻力測量原理

高應(yīng)變動測是采用波動理論計(jì)算分析樁-土相互作用時的土阻力?，F(xiàn)場測試時,通過安裝在樁頂附近的傳感器來測量對樁激勵和響應(yīng),通常將傳感器的安裝截面當(dāng)作樁頂(x=0),將傳感器安裝位置到基樁樁端的距離L定義為測點(diǎn)下樁長。由于PHC樁(預(yù)制預(yù)應(yīng)力管樁)的樁身截面均勻,在樁頂通過實(shí)測得到力和速度的信號中,包含樁側(cè)和樁底土阻力信息。在樁頂受到高應(yīng)變重錘沖擊過程中,樁身某一深度x處的土阻力Rx對樁頂?shù)牧π盘柡退俣刃盘柕挠绊憺?當(dāng)入射波下行通過x界面時,會在界面處同時產(chǎn)生幅值為Rx/2的向上反射壓力波和向下傳播的拉力波,如圖3所示。這說明土阻力Rx在t時刻(t=x/c)被激發(fā),反射壓力波(幅值為Rx/2)將于2t時刻到達(dá)樁頂,導(dǎo)致在所測的力曲線上升Rx/2,所測速度曲線同時下降Rx/2Z,因而土阻力Rx對樁頂力和速度曲線的影響表現(xiàn)為導(dǎo)致力和速度曲線的差值。因此,在樁頂所測高應(yīng)變的力和速度時域曲線中,在2t時刻速度曲線與力曲線的差值,即為應(yīng)力波自樁頂向下傳播至x深度過程中所受到的樁周土阻力之和,土阻力Rx計(jì)算見式(1):

圖3 土阻力波傳播示意圖

Rx=F(0,2x/c)-Z·V(0,2x/c)

(1)

1.3 實(shí)測曲線擬合法原理

高應(yīng)變實(shí)測曲線擬合法是通過波動方程理論數(shù)值計(jì)算,反演出基樁和樁周土的力學(xué)參數(shù)。實(shí)測曲線擬合分析時,先按照力學(xué)模型,把樁-土系統(tǒng)分成若干個計(jì)算單元,初始設(shè)定各樁和土單元的相關(guān)參數(shù),擬合計(jì)算時將實(shí)測的力(或者速度、下行波、上行波)曲線當(dāng)作邊界條件,根據(jù)一維波動理論,用數(shù)值計(jì)算方法求解波動方程,計(jì)算出樁頂?shù)乃俣?或力、上行波、下行波)曲線。根據(jù)擬合計(jì)算出曲線與樁頂實(shí)測曲線的擬合相似程度,針對性地調(diào)整模型或單元參數(shù)進(jìn)行多次擬合計(jì)算,直到擬合計(jì)算曲線與實(shí)測曲線非常吻合為止。在調(diào)整樁-土體系的相關(guān)參數(shù)時,應(yīng)與樁、土情況相符合,不可片面追求擬合程度,從而導(dǎo)致選取的樁土參數(shù)脫離實(shí)際。分析實(shí)測曲線擬合法輸出結(jié)果,既可得出樁的靜阻力,又可得出樁側(cè)土阻力、樁身軸力和阻抗的分布情況、樁端阻力的大小。

1.3.1樁身模型

將樁身簡化為一根一維的連續(xù)彈性桿狀體,單元長度采用等時單元模型(即應(yīng)力波穿過每個單元的耗時相等),將樁劃分成N個單元,按照特征線差分格式要求,分別設(shè)置每個樁單元截面積A、彈性模量E和波速c,以模擬樁身阻抗隨深度的不規(guī)則變化。等時單元模型如圖4所示。

圖4 樁身單元模型

1.3.2土的靜阻力模型

該模型基本上采用理想的彈塑性模型,靜阻力Rs與樁單元的位移有關(guān),目前大多數(shù)值分析軟件采用該模型。采用該土阻力模型優(yōu)點(diǎn)在于可以很好地模擬計(jì)算樁側(cè)土阻力的情況,同時土的極限靜阻力和加載時最大彈性變形值都可以通過試樁的靜載試驗(yàn)來驗(yàn)證。通過與試樁靜載試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比對,完善土的靜阻力模型,同時對土的阻尼系數(shù)、最大彈性變形值和彈限等參數(shù)合理調(diào)整,達(dá)到最佳的實(shí)測曲線擬合效果,力求實(shí)測曲線擬合法輸出的土靜阻力分布值與樁周土的情況十分接近,使其成為工程樁優(yōu)化選型設(shè)計(jì)的重要依據(jù)。

2 工程應(yīng)用實(shí)例及分析

某變電站電壓等級為1 000 kV,根據(jù)工程勘察報(bào)告,其電廠間隔擴(kuò)建工程基礎(chǔ)擬采用先張法預(yù)應(yīng)力混凝土管樁(PHC樁),樁徑為500 mm,以②2老黃土層為樁端持力層。

2.1 場地工程地質(zhì)概況

擬建場地位于盆地的邊緣地帶,周圍區(qū)域地勢西高東低,場地海拔高程為965～967 m,地貌類型單一,地形平坦開闊。站址區(qū)25 m深度內(nèi)的地層為第四系黃土沉積層。根據(jù)時代成因和土層物理力學(xué)性質(zhì),揭露的土層自上而下分為黃土狀粉質(zhì)黏土和老黃土兩大層,每層又分為兩個亞層,各土層具體情況如下:

2.2 場地預(yù)應(yīng)力管樁檢測要求

為了優(yōu)化后期工程樁的選型和布置設(shè)計(jì),需檢測單位向設(shè)計(jì)人員提供樁周土阻力分布參數(shù)。故在工程樁施工圖設(shè)計(jì)前,布置一組(3根)預(yù)應(yīng)力管樁試驗(yàn)樁(SZ1～SZ3),樁徑為500 mm,樁長為9 m,混凝土強(qiáng)度為C80,持力層為第②2老黃土,進(jìn)入持力層4 m,設(shè)計(jì)要求單樁豎向抗壓極限承載力估算值為1 400 kN。

對3根試樁采用靜載荷試驗(yàn)和動力檢測技術(shù)結(jié)合法。在靜載試驗(yàn)前,先進(jìn)行低應(yīng)變法樁身混凝土完整性檢測,再進(jìn)行高應(yīng)變單樁豎向抗壓承載力檢測,最后進(jìn)行單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)。利用高應(yīng)變實(shí)測曲線擬合法的分析結(jié)果提供樁周土層側(cè)阻力數(shù)據(jù)。為了了解黃土濕陷性對基樁樁周土阻力和承載力的影響,除SZ1樁試驗(yàn)過程未浸水外,SZ2和SZ3樁均在浸水后進(jìn)行高應(yīng)變動測及靜載試驗(yàn)。

2.3 實(shí)測曲線擬合法所得樁周土阻力結(jié)果分析

2.3.1高應(yīng)變實(shí)測曲線擬合法結(jié)果

經(jīng)對SZ1～SZ3試樁(預(yù)應(yīng)力混凝土管樁)的高應(yīng)變動測曲線進(jìn)行實(shí)測曲線擬合法計(jì)算,結(jié)果為:SZ1管樁的樁側(cè)摩阻力極限值為1 376 kN,樁端阻力為348 kN;SZ2管樁的樁側(cè)摩阻力極限值為1 240 kN,樁端阻力為350 kN;SZ3管樁的樁側(cè)摩阻力極限值為1 264 kN,樁端阻力為340 kN。其高應(yīng)變實(shí)測曲線擬合法計(jì)算曲線如圖5～圖7所示。

圖5 SZ1高應(yīng)變實(shí)測擬合計(jì)算曲線

圖6 SZ2高應(yīng)變實(shí)測擬合計(jì)算曲線

圖7 SZ3高應(yīng)變實(shí)測擬合計(jì)算曲線

2.3.2動靜結(jié)果對比

將高應(yīng)變動測結(jié)果與靜載試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比,結(jié)果表明,無論是否浸水,高應(yīng)變動測結(jié)果與相應(yīng)靜載試驗(yàn)結(jié)果均非常接近,單樁抗壓極限承載力值的相對誤差為2.6%～4.2%,動靜對比系數(shù)為1.026～1.041,3根試樁上動靜對比分析數(shù)據(jù)見表1。

表1 試樁高應(yīng)變與靜載試驗(yàn)結(jié)果

2.3.3樁周土阻力結(jié)果

根據(jù)場地地質(zhì)條件,該項(xiàng)目擬采用預(yù)應(yīng)力管樁,雖然在工程樁施工前進(jìn)行了靜載試驗(yàn),但對預(yù)應(yīng)力管樁試樁無法進(jìn)行樁身內(nèi)力測試,無法直接從試樁的靜載試驗(yàn)中獲得樁側(cè)土阻力數(shù)據(jù),結(jié)合表1的動靜對比結(jié)果來看,同條件下(浸水或未浸水),試樁的動測結(jié)果與對應(yīng)的靜載試驗(yàn)結(jié)果很接近,這說明高應(yīng)變結(jié)果準(zhǔn)確可靠。

工程實(shí)測曲線擬合法算出的SZ1～SZ3樁周土摩阻力分布如圖8所示。將擬合法計(jì)算的樁側(cè)土摩阻力平均值與工程勘察報(bào)告所提供的樁側(cè)土摩阻力數(shù)據(jù)進(jìn)行對比可知,兩者相差不大,工程勘察提供的數(shù)據(jù)相對稍低,實(shí)測曲線擬合法算出的樁周土阻力參數(shù)更符合工程場地的情況,可應(yīng)用于工程樁的優(yōu)化設(shè)計(jì)中。3根試樁實(shí)測曲線擬合法計(jì)算結(jié)果與工程勘察提供數(shù)據(jù)的比對情況見表2。

表2 樁極限側(cè)阻力計(jì)算結(jié)果和勘測報(bào)告數(shù)據(jù)

圖8 實(shí)測曲線擬合法計(jì)算的樁周土摩阻力分布圖

3 結(jié)語

在工程樁設(shè)計(jì)施工前,對試驗(yàn)樁進(jìn)行靜載試驗(yàn)或高應(yīng)變動力測試,獲得準(zhǔn)確的樁周土阻力參數(shù),為優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)是檢測的主要目的之一。然而對預(yù)應(yīng)力混凝土管樁而言,通過在鋼筋籠中預(yù)埋傳感器的方法來測試樁身內(nèi)力和樁周土阻力分布情況在工程中很難實(shí)現(xiàn)。通過在預(yù)應(yīng)力混凝土管樁工程的靜載試驗(yàn)樁中開展高應(yīng)變動力檢測,并運(yùn)用實(shí)測曲線擬合法進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合,可計(jì)算出預(yù)應(yīng)力管樁樁周土阻力的分布數(shù)據(jù),將其作為優(yōu)化工程樁設(shè)計(jì)的重要依據(jù)。