静荷载试验与高应变动测技术确定单桩承载力

米焯华

在桩基础设计中,单桩竖向承载力值是一个非常重要的参数,其取值准确与否关系到建筑物的安全和基础投资的大小。目前主要的单桩承载力的检测方法主要有静载荷试验法和高应变动力检测法。静载试验是确定单桩竖向抗压承载力最直观和最可靠的方法[1],但静载荷试验价格昂贵、试验时间长。桩动力测技术则测试时间短,试验费用低,然而由于高应变动力检测不仅在理论模型与静荷载试验中存在差异,在数据分析过程中参数的选择不同都会引起承载力结果的误差。

1 工程概况

根据某工程的岩土工程勘察报告,地层由上到下依次为:①素填土:松散,稍湿～湿,主要由黏性土和岩石碎块组成(0 m～3.3 m);②砂质粉质黏土:稍湿,可塑(3.3 m～5.6 m);③细砂:湿,稍密(5.6 m～6.6 m);④砂质黏性土:稍湿,硬塑,含云母、石英等矿物,是基岩风化残积土(6.6 m～15.5 m);⑤全风化花岗片麻岩:岩芯呈坚硬土状(15.5 m～18.5 m);⑥强风化花岗片麻岩:岩芯呈坚硬土状、碎块状(18.5 m～23.5 m)。

2 检测方法原理

2.1 静荷载法

静载试桩法是传统的承载力检测方法,其测试管桩原理是:采用接近于建筑物实际工作条件的竖向抗压静载试验,确定单桩竖向极限承载力。静载试验通过反力装置分级对桩顶施加垂直荷载,在每级荷载作用下按规定时间间隔测读桩顶沉降量获得可供分析判定桩顶载荷与桩顶沉降关系的Q—s曲线。其极限承载力可通过满足桩顶沉降量的条件或达到某极限值时求得,此时可认为岩土阻力已充分发挥或桩已破坏。

2.2 高应变动力测试法

高应变动力检测是用重锤冲击桩顶,使桩周土产生塑性变形,实测的力和速度时程曲线将全面反映岩土对桩的阻力作用和桩身力学阻抗的变化。通过波动理论分析得到桩土体系有关性状,具体操作时分两种方法:1)现场进行数据采集及凯斯法估算基桩承载力;2)室内进行实测曲线拟合法确定基桩承载力。

表1 试验桩静动结果对比

3 静、动法测试结果

应用静载法与高应变动力测试方法中的凯斯法与实测曲线拟合法对试验桩进行测试,其测试结果如表1所示。

4 测试结果分析

在检测效果较好时高应变动测检测出来的承载力值与静载试验是比较接近的,但由于静载试验和高应变动测在检测原理上、桩—土体系荷载的传递过程、计算方法以及受人为因素影响大小的不同,高应变动测检测单桩承载力与静载试验有一定的误差是必然存在的,在正常情况下高应变动力试桩对单桩承载力的检测误差在20%以内。表1数据显示出动测法具有良好的可靠性。

凯斯法检测单桩承载力变异性较波形拟合法大。因凯斯法是以3个近似假定为前提:1)桩身等阻抗,即除截面面积不变以外,桩身材质均匀,无明显缺陷;2)桩周与桩尖土的动阻力全部集中在桩端,忽略了桩侧土阻力;3)桩周与桩尖土的静阻力模型为理想刚塑性体,忽略了应力波在传播过程中的能量损耗,包括桩身中内阻尼损耗和向桩周土的逸散。但是其假定和实际工程桩都不完全符合,另外阻尼系数是一个综合性经验参数,准确取值困难,因此会在实际测试中产生误差。

波形拟合法的数字模型比凯斯法更接近生产实际,它可以考虑抗自由阻尼的应力波能量衰减、桩身裂缝受力过程的闭合和张开、局部混凝土的非线性特性、土加卸载应力应变关系的不同变化、桩底沉渣或预制桩上抬引起的土隙等。它还可以不断调整桩土各分段单元的参数,使计算和实测波形吻合,从而判断单桩承载力。但是如何对各种参数进行取值还是要依赖工程技术人员的操作经验。

5 静载法与高动力应变法对比成立的条件

要使两种测试方法结果具有可对比性,则两者必须满足以下条件:1)桩土体系在试验时必须相同。此条件同时涉及两因素,分别是时间效应因素与测试引起的扰动效应。岩土对桩的阻力在成桩后随时间变化,由于不可能在同一时间内对一根桩进行两种方法的测试,因此不论如何设计两种试验,它们均存在时间间隔,其桩土体系的相同只能是相对的。2)岩土的阻力必须在试验时得以激发。桩在土中的位移与岩土阻力激发的程度有关,动测在桩顶每击贯入度超过2.5 mm时能充分激发岩土阻力,否则桩身下部的岩土阻力由于未被充分激发的缘故,动测获得的总阻力将低于其极限值。3)试验时的破坏模式必须相同。静载试验的破坏模式可能是多种多样,只有静载试验的破坏模式属于岩土阻力被克服,静动对比才有意义,如果是因为桩身材料的破坏而获得静载试验的极限承载力,那么对比将毫无意义。动力试桩以激发土壤的极限阻力作为桩的极限承载力。

6 静荷载法与高应变动力法所得结果差异性分析

1)高应变法是以行波理论为基础,假定了桩和土的力学模型,虽然对其模型参数的取值范围作了限定,但毕竟与桩和土的实际力学性状存在一定的差别。这种误差是由于高应变法原理本身引起的,需要通过大量的工程实践经验积累和特定桩型及地质条件下的动静对比,来不断完善桩—土力学模型及其参数的合理取值。2)桩在竖向荷载作用下,桩顶荷载是由桩侧摩阻力和端承力共同承担,且侧阻和端阻的发挥是不同步的[2]。静载试验的荷载作用时间较长,与实际情况较为接近。而高应变动测所用重锤毕竟重量有限,而且自由落锤产生的力脉冲持续时间通常不超过20 ms,作用时间相对很短,使得土的动阻力影响加大,从而增加了承载力测试分析结果的误差。3)高应变动测易受人为因素影响,由于每个检测人员的技术水平不同,对桩和土的力学模型的理解程度不同,其主要参数的设定亦不尽相同。虽然都在合理的范围内取值,但得出的计算结果却不同,且实测曲线拟合法具有多解性,其结果并非惟一性。

7 结语

从目前来说,高应变动测技术的理论原理和实践经验虽然已经日趋成熟,并且可独立完成对单桩承载力的判定,但影响因素较多,相对误差较容易控制的静载试验而言,很多因素都能对高应变动力试桩产生误差,其中对检测结果产生较大影响的是其理论原理以及试验人员的检测经验和水平等,只有通过试验可靠度较高的静载试验来验证高应变的承载力检测,有目的地进行动静对比,分析两者之间产生误差的原因,在工程桩的检测时采取有效的措施,同时选用合适的桩—土计算模型,取得更为合理的参数,才能提高高应变单桩承载力检测的可靠度。

[1]JGJ 106-2003,建筑基桩检测技术规范[S].

[2]侯玉宾,吴继敏.桩基检测[M].南京:河海大学出版社,1998.

[3]宋 扬,吴忠良,赵 军.某工程扩底灌注桩单桩承载力试验结果分析[J].山西建筑,2008,34(21):93-94.