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(lèi)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(lèi)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(mǎn)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(lèi)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(lèi)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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