自平衡试桩法在中风化白云岩桩基承载性能中的应用

肖丽娜，黄质宏，屈文涛，穆锐，蔡行，庞旭峰

(1.贵州大学土木工程学院，贵州贵阳550025； 2.福州大学土木工程学院，福建福州350003；3.天津城建大学土木工程学院，天津300384)

传统的单桩竖向抗压静载试验需要压重平台或者锚桩反力系统，占用试验场地，试验操作加压装置较复杂，比较费时费力费钱。然而,近几年发展起来的基桩自平衡法解决了一般荷载试验方法无法解决的验桩问题[1-6]。自平衡试桩法与传统的静载试验方法(如堆载法)等相比较而言，其具有试验装置较简单、操作起来较方便、能够适用各种试验场地、能够测试大吨位、增强了适用性、性价比较高等优点，近年来在中国得到了广泛运用[7-11]。

结合自平衡试桩法的众多优点及本项目的试桩条件，本项目基桩承载力检测优先选择自平衡试桩法，分析了中风化白云岩岩基桩单桩极限承载力、桩身轴力、极限侧阻力和基桩极限端阻力等技术参数，对桩基承载特性进行了研究。

1 工程概况

拟建工程位于贵阳市某一区域，交通极为便利。拟建A、B座大楼位于拟建场地的西北侧，其±0.00标高为1 126.45 m；C、D两座大楼位于拟建场地北侧，其±0.00标高为1 126.45 m；E座大楼位于拟建场地的南侧，其±0.00标高为1 133.95 m；F座大楼位于拟建场地东侧，其±0.00标高为1 135.45 m。拟建A、B、C、D、F楼相临近，后期回填后将形成9.0 m高的回填边坡，在拟建E楼及F楼相邻处形成1.5 m高的回填边坡，场地工程环境条件较为简单，试桩主要参数见表1。

表1 试桩主要参数

1.1 场地岩土工程地质条件

场地所处地貌单元为侵蚀-溶蚀残丘地貌，地势总体较为平坦，起伏不大，最高点位于拟建场地西侧，标高约为1 131.50 m，最低点位于场地中央，标高约为1 122.00 m，相对高差约为9.50 m。拟建场区岩层产状倾向东，地质情况稳定。场区岩体节理、裂隙较发育至发育，岩体节理以闭合至微张开为主，泥质至钙质胶结，结合差至一般。岩体实测产状为90～110°∠55～65°，取其优势产状为110°∠50°。主要发育2组节理： J1,190～220°∠70～80°;J2, 300～330°∠50～80°。节理线密度2～3组/m，延伸长度0～0.20 m不等，节理裂隙宽度一般为0～2.00 mm，节理裂隙面一般以泥、钙质胶结为主。场区内岩层产状基本一致，未见活动断层通过，局部尚有溶蚀裂隙、沟槽、溶洞、石芽等岩溶形态发育，对岩体完整性及其工程性能影响较大。

1.2 岩土构成及岩土质量单元划分

拟建场地岩土主要由第四系覆盖层及下伏基岩组成，岩土特征自上而下分述如下。

a) 杂填土(Qml)：杂色，新近回填，主要由碎石、块石及黏土组成，块石多为白云岩，块石、碎石含量约为70%，黏土含量约为30%。

b) 耕土(Qpl)：以黑色为主，局部夹碎石块，含大量植物根系，结构松散，总体厚度不大。

c) 红黏土(Qel+dl)：褐黄色，裂隙较发育，含锰质成分，韧性中等，切面稍有光泽，局部含少量碎石团块，从上到下分为硬塑及可塑状态。

d) 硬塑状红黏土：褐黄色，土质较均匀，韧性中等，切面稍有光泽，局部含少量碎石团块。

e) 可塑状红黏土：褐黄色，土质较均匀，可塑状态，裂隙较发育，含锰质成分，用手可捏成条状，韧性中等，局部含少量碎石团块。场区土层、岩层物理力学参数见表2、3。

表2 场区土层物理力学参数指标

表3 场区岩层物理力学参数指标

2 自平衡试桩法测试原理

自平衡测桩法的主要装置是一种可用于加载的荷载箱(图1)。加载设备荷载箱与钢筋笼连接后安装在桩身下部，并将高压油管和位移杆一起引到地面。试验时，通过油泵在地面向荷载箱加载，使得上、下两段桩体受到一对大小相等，方向相反的作用力，且分别同时产生向上、向下位移。由于加载装置简单，基桩施工过程中在桩端附近或桩身截面处预先埋设单层(或多层)特制的液压千斤顶式荷载箱，荷载箱中的压力可用压力表测得，荷载箱向上、向下位移可用位移传感器测得。因此，可根据读数绘出相应的3根试桩的上段桩、下段桩荷载的Q-s曲线，再根据位移协调原则，由此转换计算得到相应的桩顶竖向受荷的承载力大小及荷载-位移(Q-s)曲线，见图2。

3 试验结果分析

3.1 单桩竖向承载力确定

自平衡试桩法不符合桩的荷载传递规律，在确定桩基承载力时，需要将测试结果等效转换为传统桩顶荷载-位移(Q-s)曲线，确定单桩的极限承载力。单桩竖向抗压极限承载力可结合现场试验数据，根据DBJ 52/T079—2016《基桩承载力自平衡检测技术规程》[1]及JGJ 94—2008《建筑桩基技术规范》、GB 50007—2011《建筑地基基础设计规范》[12-13]，可确定各试桩的极限抗压承载力极限值：

(1)

式中Qu——桩的单桩竖向抗压极限承载力；Qsu——桩上段桩的极限承载力；Qxu——桩下段桩的极限承载力；W——桩荷载箱上部桩自重；γ——桩的向下、向上摩阻力转换系数，根据荷载箱上部土的类型确定：黏性土、粉土γ=0.8；砂土γ=0.7；岩石γ=1。若上部有不同类型的土层，γ取加权平均值。

根据试验数据可知，3根试桩在加载到预估极限加载值时均未发生破坏，且得到3根桩试验曲线均为缓变型。试验所得的Q-s曲线见图3。将 1—3号试桩上段桩和下段桩的Q-s曲线(图3)进行等效转换，得到传统静载试验Q-s曲线(图4)。根据Q-s曲线的变化趋势和桩体上、下段产生的最大位移，各试桩的承载力均满足设计要求。

3.2 桩身轴力与摩阻力确定

根据桩体混凝土和钢筋协调变形原理，结合现场试验数据分析结果，可得到1—3号试验桩在不同级别荷载下桩身轴力分布曲线，见图5。现场桩身采用混凝土强度等级为C40，钢筋为HRB400，钢筋直径为12 mm，主筋数量为15 mm。因此有：

Ec=3.25×105N/mm2

Es=2.0×105N/mm2

桩身轴力可通过埋设的钢筋测力计换算得到，其计算公式为：

Qi=εiEiAi

(2)

εc=εs

(3)

σc=εcEc

(4)

σs=εsEs

(5)

Pz=σsAs+σcAc

(6)

式中εc——某级荷载作用下桩身截面混凝土产生的应变量；εs——某级荷载作用下桩身截面钢筋产生的应变量；σc——某级荷载作用下桩身截面混凝土产生的应力；σs——某级荷载作用下钢筋产生的应力；Ec——桩身混凝土弹性模量；Es——钢筋弹性模量；Ac——桩身截面混凝土的净面积；As——桩身截面纵向钢筋总面积；Pz——某级荷载作用下桩身某截面的轴向力，kN。

计算得到3根试桩的桩身轴力分布见图5。在每级荷载作用下，桩顶轴力为0，自上而下随着深度的增加，上段桩、下段桩的桩身轴力都增加，这种受力特性符合上段桩摩擦桩的变化特性。另外，在整个加载过程中，桩身上段的轴力呈线性分布，下段的轴力随荷载增加变化明显。

根据《高层建筑岩土工程勘察规程》(JGJ 72—2004、JGJ 366—2004)、DB 2245—2004《贵州建筑地基基础设计规范》、JGJ 106—2014《建筑基桩检测技术规范》[14-15]反算基桩极限端阻力qpr及基桩极限侧阻力qsr。其计算公式为：

(7)

(8)

式中Qu上——荷载箱上部桩的实测极限值；Qu下——荷载箱下部桩的实测极限值；Wi——荷载箱上部桩自重；Ap——桩端截面面积(进行极限端阻力计算时，桩端截面积采用荷载箱面积)；μ——桩身截面周长；l—荷载箱与距荷载箱1.5 m处钢筋应力计所在截面之间试桩桩身长度(l=1.5 m)；Pz——极限荷载作用下距荷载箱1.5 m处钢筋应力计所在截面的轴向力。

经计算1—3号试桩的极限端阻力极差为956 kPa，小于3根试桩平均值的30%(10 191×30%=3 057 kPa)。1—3号试桩的桩侧极限侧阻力极差为40 kPa，其小于3根试桩平均值的30%(607×30%=182 kPa)，因此对于中风化白云岩，其基桩极限端阻力和基桩极限侧阻力可取为3根桩的平均值。计算结果见表4。由表4可知，3根试桩的极限承载力特征值分别为8 096、8 095、7 335 kN，各桩竖向抗压极限承载力均满足设计要求。

表4 试桩试验结果

4 结论

a) 试验得到的1—3号的Q-s曲线均为缓变型，无明显拐点出现，且各桩上、下段桩产生的最大位移以及桩顶的总沉降量均未达到规定的限值，即工程桩的承载力均满足设计要求。

b) 在自平衡试验过程中，桩身轴力随深度增加逐渐增大，呈线性变化规律，在靠近桩端时的轴力随荷载增加变化较为明显，出现了明显的拐点。同时，桩顶处轴力趋向于零，符合上段桩摩擦桩的受力特性。

c) 研究结果表明，由于本建筑场区内岩体组成较为复杂，岩性、岩质、层厚、节理裂隙发育程度、风化程度等在平面及剖面分布上的变化均较大，通过自平衡试桩法在中风化白云岩岩基桩单桩承载力特征值、桩身轴力、极限侧阻力和基桩极限端阻力的研究时，对于试验点以外各基础(桩基)底部的基岩，若其岩质、岩性、破碎程度及风化程度与本试桩处基岩相同，且桩基成孔施工工艺(机械旋挖成孔工艺)一致，才可采用相应的岩石极限端阻力和极限侧阻力。