嵌岩桩内力测试探讨

2018-12-17张立新马晓蕾河北国华沧东发电有限责任公司河北沧州061113

中国房地产业 2018年23期

文/张立新、马晓蕾河北国华沧东发电有限责任公司河北沧州 061113

尹宏磊、庄从国北京国岩华北技术检测有限公司北京 100120

1、引言

电力工程设计中，嵌岩桩因沉降小、能提供的竖向承载力大而受结构设计者的青睐，但目前对嵌岩段的受力机理研究的不够清楚[1-2]，原体试验仍是确定嵌岩桩竖向承载力的重要手段。为了方便设计者根据需要调整嵌岩深度，在原体试验中就必须进行桩身内力测试，确定桩的侧摩阻力和端阻力。

在摩擦桩中，内力测试一般可获得较准确的桩侧和桩端阻力，但对于嵌岩桩而言，嵌岩段的内力测试值很小，不符合概念中岩体侧摩和端阻相当大的印象。

2、桩身内力测试方法

桩身内力测试可采用应变式传感器、钢弦式传感器或者滑动测微计等。传感器应设置在两种不同性质土层的界面处。在地面处或以上应设置一个测量断面作为传感器标定断面。传感器埋设断面距桩顶和桩底的距离不宜小于1倍桩径。在同一断面处可对称设置2～4个传感器。

2.1 钢弦式传感器测试内力原理

振弦式钢筋计属于钢弦式传感器。钢弦在一定范围内的荷载作用下，其自振频率是固定的，当荷载变化时，其自振频率随之发生变化，钢弦的自振频率与作用荷载有如下的关系：

式中：

Ns——钢筋计钢筋荷载；

Kv——传感器系数，其数值与承压膜和钢弦的尺寸及材料性质有关 (kPa/Hz2)；

F0——零压力(大气压力)下钢弦的自振频率(Hz)；

Fi——某荷载作用下钢弦的自振频率(Hz)。

当钢筋计承受轴向力时，引起弹性钢弦的荷载变化，从而改变钢弦的振动频率，通过频率测定仪测定钢弦频率变化，即可测出钢筋所受荷载大小。

钢筋计测量点上的轴向应变按下式计算：

式中：

Ns——钢筋计受力（N）；

Es——钢筋的弹性模量（N/mm2）；

As——测试钢筋的横截面积（mm2）。

按式（2）计算获得的是钢筋的轴向应变。在一般情况下钢筋与桩身混凝土是协调变形的，所以按式（2）求得的钢筋的轴向应变亦为桩身的轴向应变。

求出同一断面有效测点的应变平均值，并按下式计算该断面处桩身轴力：

式中Qi——桩身第i断面处轴力（kN）；

Ei——第i断面处桩身材料弹性模量（kPa），当混凝土桩桩身测量断面与标定断面两者的材质、配筋一致时，应按标定断面处的应力与应变的比值确定；

由桩顶极限荷载下对应的各断面轴力值计算桩侧土的分层极限摩阻力和极限端阻力：

式中qsi—— 桩第i断面与i+1断面间侧摩阻力（kPa）；

qp——桩的端阻力（kPa）；

i——桩检测断面顺序号，i=1，2，……，n，并自桩顶以下从小到大排列；

u——桩身周长（m）；

li——第i断面与第i+1断面之间的桩长（m）；

Qn——桩端的轴力（kN）；

A0——桩端面积（m2）。

2.2 钢弦式传感器内力测试方法

原体试验时，根据试验区勘测资料，确定安装钢筋计的断面，将钢筋计与主筋绑扎，通过电缆线与测试仪器连接，静载试验时测量在各级荷载作用下钢筋测力计的频率大小，通过试验前标定的钢筋测力计的频率和荷载关系，分析计算确定不同截面的桩侧及桩底各部分的阻力。

3、某嵌岩桩内力测试

在某电厂的原体试验过程中，基岩埋深较浅，按嵌岩桩设计。在竖向加载的过程中，采用钢筋计进行内力测试，获得桩基设计参数。

3.1 地层岩性

试验区内覆盖层主要为第四系全新统、上更新统冲洪积的淤泥质粉质粘土、粘性土，下伏侏罗系泥质砂岩。各地层自上而下描述如下。

①杂填土（Q4ml）：杂色，稍湿，松散～稍密，主要成分为碎石、粘性土和砖渣等，为近期人类活动形成。该层层厚为2.20m。

②1层粉质粘土(Q4al) ：黄褐色，灰黄色，稍湿～湿，可塑偏软，局部软塑，含少量高岭土团块。该层层厚为0.20m。

②2层淤泥质粉质粘土(Q4al) ：青灰、灰黄色，饱和～湿，软塑～流塑，略有腥味，该层土为欠固结土，灵敏度较高，有机质含量约在1.10～2.58%之间。该层层厚为4.30m。

⑥1层泥质砂岩(J)：灰白、灰褐色，全风化，泥质胶结，块状构造，岩体风化呈粘性土混砂土状，可见原岩构造，手捏可碎，遇水易软化，岩体基本质量等级为V类。厚度约为5.20m。

⑥2层泥质砂岩（J）：灰白、灰褐色，强风化，泥质胶结，块状构造，岩芯呈短柱状，裂隙较发育，遇水易软化和崩解，岩体基本质量等级为V类。该层厚度为1.10m。

⑥3层泥质砂岩（J）：灰白、灰褐、红褐色，中风化，泥质胶结，块状构造，岩芯呈长柱状或短柱状，裂隙较发育，遇水易软化，岩体基本质量等级为V类。该处未揭穿。

3.2 试验桩设计

采用旋挖成孔工艺，两组共6根试验桩，桩径600mm和800mm的桩长分别为16m、17m，以中风化泥质砂岩作为桩端持力层，桩端进入持力层深度5d分别3m、4m。

3.3 钢筋计安装

钢筋计安装在6根试验桩的主筋上，每根桩测试5个断面，每个断面对称安装3个钢筋计。Φ600mm桩安装在1m、7m、10m、13m、15m深度处；Φ800mm桩安装在1m、7m、10m、13m、16m深度处。

3.4 测试结果——轴力

通过对测试数据计算并根据孔径测量结果进行校正，试验桩S1～S6共计6根试验桩在各级荷载作用下轴力分布情况见图1～6。

图1 S1桩分级荷载作用下桩身轴力分布图

图2 S2桩分级荷载作用下桩身轴力分布图

图3 S3桩分级荷载作用下桩身轴力分布图

3.5 测试结果分析

从3.4节可以看出，桩端附近轴力很小，对于桩径800的S4～S6来说，桩端处轴力接近于零，桩顶荷载无法传递到桩端。结合地层岩性来分析，当嵌岩段岩体完整性好、强度高时，桩体混凝土与周围岩体变为一个整体，在进入嵌岩段后，轴力迅速传入周围岩体，形成“卡颈”效应，桩端轴力变得很小。由于“卡颈”效应的存在，在嵌岩桩的内力测试中，针对嵌岩段不适合单独提侧阻力和端阻力，而是给出一个综合的承载力值，这与《建筑桩基技术规范》JGJ94的提法一致。在此次原体试验中，最终推荐的内力测试值如表1。