基于砼基桩竖向荷载传递机理探讨钻芯法的应用

(福建省交通建设工程试验检测有限公司，福州350008)

基于砼基桩竖向荷载传递机理探讨钻芯法的应用

■张志国

(福建省交通建设工程试验检测有限公司，福州350008)

钻芯法作为混凝土基桩成桩质量检测中的一种半破损检测方法，具有比其他无损检测方法更直观的一面，尤其是在桩身混凝土抗压强度检测方面，但也存在一孔之见代表性差的缺陷。为确保工程质量的安全可靠，在钻芯法检测结果评定中，基于基桩竖向荷载传递机理方面考虑，结合工程算例，探讨在钻芯法的应用过程中应综合考虑基桩具体受力状况的必要性及相关注意事项。

基桩竖向荷载承载力钻芯法抗压强度

0 引言

在工程建设中桩基础是一种被普遍采用的深基础形式，基桩常常作为竖向受力构件考虑，桩通过桩侧阻力和桩端阻力将荷载传递给土体。在桩基计算中，按土对桩的阻力确定单桩承载力后，还要验算桩身材料强度是否满足桩的承载力设计要求，对于混凝土桩而言，也就是要验算混凝土强度是否满足桩的承载力设计要求[1]。在混凝土基桩施工过程中受成孔灌注方法、地层特性及各种突发状况的影响，基桩易产生很多质量问题，那么有针对性的检测方法和手段就显得尤为重要。声波透射法及低应变法虽然在检测桩身完整性方面能达到较好的效果，但是在检测桩身混凝土强度、桩底沉渣厚度及桩端岩土性状等方面却无法给出准确的结果，而钻芯法对于以上各个方面都能达到更为直观准确的检测效果。钻芯法在桩身完整性判定、桩身取样抗压及桩端岩土性状判定等方面包含了一定程度的个人主观因素，为了能客观地反映基桩的成桩质量，试验检测人员有必要结合基桩的受力机理及桩周地层实际情况，有针对性的布孔取样评定。必要时应与设计单位沟通，为设计单位提供有针对性的检测结果，以便设计单位进行测算，确保基桩使用的安全可靠。

本文通过阐述基桩的竖向荷载传递机理并结合钻芯法检测工程实例，探讨钻芯法在实际应用中依据规范但不拘泥于规范的针对性原则及相关注意事项。

1 基桩竖向荷载传递机理

在较小的竖向荷载作用下，混凝土桩身材料将发生弹性压缩变形，桩与桩侧土体发生相对位移后达到稳定，这时桩侧、端阻阻力总和与桩顶荷载处于静力平衡。随着桩顶荷载不断增大，桩身的压缩变形和桩土间相对位移相应增大，桩侧、端阻力也逐渐增大，桩身压缩变形和桩土间相对位移沿桩身深度递减，侧阻力的发挥也相应递减。随着荷载再增加，压缩量和位移再增大，桩身下段侧阻力和端阻力也逐步增大，在某一级荷载下，桩将出现不停滞下沉，这时桩侧、端阻力充分发挥，即桩处于承载力极限状态[2]。

在桩顶荷载逐级增加的过程中，桩截面的轴力、位移和桩侧摩阻力不断变化，起初荷载较小，桩身截面位移主要发生在桩身上段，荷载主要由上段桩侧摩阻力承担，当荷载增大到一定数值桩端产生位移，桩端阻力开始发挥。桩侧极限摩阻力与所在的深度、土的类别和性质、成桩方法等多种因素有关，而桩侧摩阻力达到所需的桩土相对滑移极限值则基本上只与土的类别有关，一般黏性土为4～6mm，沙土为6～10mm。桩端阻力的发挥不仅滞后于桩侧阻力，而且其充分发挥所需的桩底位移值比桩侧摩阻力达到极限所需的桩身截面位移值大得多，一般砂类土的桩底极限位移为(0.08～0.1)d,一般黏性土为0.25d，硬黏土为0.1d。因此，在工作状态下，基桩桩端阻力的安全储备一般大于桩侧阻力的安全储备[3]。

2 混凝土基桩钻芯法

钻芯法是一种半破损检测方法，属于直接法。适用于基桩直径不小于800mm，基桩混凝土强度等级不低于C25，检测基桩混凝土龄期不小于28d的各类混凝土基桩。基桩钻芯法可检测基桩桩身完整性、桩长、桩身混凝土强度、桩底沉渣厚度和桩端持力层岩土性状，以评定基桩成桩质量[4]。

3 结合基桩受力原理探讨钻芯法的应用

3.1 从桩身混凝土正截面受压角度进行分析

某嵌岩桩桩径1.2m,保护层厚度为40mm,桩身配筋率为0.5%，桩长30m，桩身混凝土设计强度等级C25，桩顶竖向力为6600kN，干作业非挤土灌注桩，自桩顶往下0～10m范围内桩周土层为不排水抗剪强度小于10kPa的软弱土层。

此桩为频率取芯，根据规范规定初步打算钻A、B共2个孔(如图1所示)。A孔在桩顶下9.03～9.92m范围内芯样侧面见蜂窝、小沟槽，混凝土胶结稍差(如图2所示)。B孔芯样完整无缺陷(如图3所示)。因桩顶往下0～10m范围内桩周土层为不排水抗剪强度小于10kPa的软弱土层，考虑到压屈影响可能导致桩身正截面受压承载力不够，为确定缺陷部位横截面面积，故增设一个钻孔C孔，经钻孔取样，C孔在桩顶下9.11～9.87m范围内出现与A孔同深度位置基本一致的成桩效果，芯样侧面见蜂窝、小沟槽，混凝土胶结稍差。为了确认薄弱部位的强度(结构承载能力)能否满足使用要求，在A、B、C三个孔同深度缺陷位置(表1所示)截取三组试样进行抗压强度试验。芯样试件抗压强度的评定原则为同一组三块试件强度值的平均值作为该组试件抗压强度检测值，同一受检桩同一深度部位有两组或两组以上抗压强度检测值时取平均值作为该桩该深度处混凝土芯样试件抗压强度检测值[5]。抗压强度检测结果如表1所示。

虽然在A、C孔同深度位置芯样侧面见蜂窝、小沟槽，混凝土胶结稍差，但由抗压强度检测结果可见，该深度部位抗压强度代表值满足设计强度等级要求，依据规范则可判定基桩的混凝土质量满足设计要求。

考虑到缺陷横截面积可能达到0.5倍桩身横截面积，并且桩周0～10m存在软弱土层，可能产生压屈影响破坏，故对该桩正截面受压承载力进行了验算。从最不利条件考虑，桩身抗压强度检测值取A、C孔平均值18MPa，不计入桩身纵向钢筋的抗压作用[6]。

图1 开孔孔位

图2 A孔(中)芯样

图3 B孔(中)芯样

表1 芯样试件抗压强度试验检测结果表

桩身正截面受压承载力验算如下[7]。

圆截面桩桩身换算截面受拉边缘截面模量：

表2 桩身稳定系数

表3 混凝土轴心抗压强度设计值(MPa)

混凝土轴心抗压强度设计值[8]由A、C孔缺陷部位两组芯样抗压强度平均值18MPa及表3按内插法：

因fc是由实际抗压值算得故不考虑成桩工艺系数的折减，取ψc=1.0。

由计算结果可知该桩承载力不满足设计要求。为验证该桩的实际承载能力，经与施工单位沟通，采用单桩竖向抗压静载试验进行验证。静载试验按最大加载值1320t分10级加载，在第10级13200kN荷载作用下Q～s曲线产生明显陡降，桩头一侧土体隆起，单桩竖向抗压极限承载力取Q～s曲线发生明显陡降起始点对应的荷载值11880kN，承载力特征值为5940kN，不满足设计要求。经五方商定该桩做原位返工处理。

3.2 从桩周土对桩支撑作用角度进行分析

某摩擦桩桩径1.8m,桩长78m，桩身混凝土设计强度等级C35，桩顶竖向力9900kN，桩周土层分布情况如表4所示。

表4 桩侧土层分布情况表

该桩为频率取芯，开孔3个，其中A孔在60.50～61.31m、B孔在60.55～61.26m、C孔在60.47～61.36m范围内芯样严重离析(见图4～图6)，抗压强度检测结果如表5所示。由表5可知该深度位置(取为60.90m)芯样试件抗压强度深度代表值为11.1MPa，不满足设计要求。为此，对60.90m处截面的桩身轴力进行了理论计算[9]。

图4 A孔(中下)芯样

图5 B孔(中下)芯样

图6 C孔(中下)芯样

该截面桩身压应力：

本案例意在从理论上说明桩身轴力上大下小，在桩身下部存在低质混凝土的既定事实的情况下，为减少加固补强处理费用，缩短工期，可由设计单位根据基桩实际受力状况及钻芯法试验检测数据进行测算，以确定基桩能否满足工程使用要求。

4 结束语

混凝土基桩钻芯法试验检测中芯样抗压取样位置的选取要有针对性，以能反应基桩薄弱部位状况为准则。芯样试件抗压数据离散性较大，为提高数据的准确可靠性，在试件的截取加工过程中要确保尺寸的精准。在钻取桩底芯样时，要特别注意掉杆及回水状况，以便准确反应桩底沉渣厚度及性状。试验检测人员应了解基桩的荷载传递机理，提供有针对性的检测数据，根据检测结果结合基桩具体受力状况综合判定处理，在依据规范的同时不拘泥于规范，确保工程质量的安全可靠。

[1]陈希哲，叶菁.土力学地基基础：第5版[M].北京：清华大学出版社，2013：371-372.

[2]刘兴录.注册岩土工程师执业资格专业考试300问[M].北京：中国环境科学出版社，2003：112.

[3]于海峰.全国注册岩土工程师专业考试培训教材：第五版上[M].武汉：华中科技大学出版社，2011：754-756.

[4]DB35/T 1446-2014，福建省公路工程基桩钻芯法检测技术规程[S].福州：福建省质量技术监督局，2014.

[5]JGJ 106-2014，建筑基桩检测技术规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2014.

[6]GB 50007-2011，建筑地基基础设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2011.

[7]JGJ 94-2008，建筑桩基技术规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2008.

[8]GB 50010-2010，混凝土结构设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2010.

[9]JTG D63-2007，公路桥涵地基与基础设计规范[S].北京：人民交通出版社，2007.