某学院教学楼建筑桩基承载力检测方案比较研究

李贵文 冯 莉

(甘肃建筑职业技术学院，甘肃 兰州 730050)

1 工程地基与基础概况

研究项目位于兰州市七里河晏家坪，为某高校新建教学楼，地下1层，地上9层，人工成孔大直径灌注桩基础，建筑面积12 616 m2。依据项目《岩土工程勘察报告》，场地内地层主要由杂填土、黄土状粉土、卵石组成，现按岩性自上而下分述如下：①层杂填土:稍湿、稍密、黄褐色；由人工堆填形成，以粉土为主，含有砾石及建筑垃圾。场地普遍分布，层厚0.50 m～2.70 m不等，平均1.29 m。②层黄土状粉土：稍湿～湿，稍密，黄褐色；土质较均匀，干强度低，韧性低，切面粗糙，具大孔隙结构，摇振反应迅速。该层场地普遍分布，层厚18.60 m～21.30 m，平均20.04 m，③层卵石：杂色、中密，磨圆度较好，粒径大于20 mm的颗粒占总量的79.7%～89.8%，中粗砂填充，该层场地内普遍分布，上部含砂量较大，钻进较困难。主要矿物成分为石英岩、花岗岩、变质岩，粒径一般为3.00 cm～8.00 cm。层面埋深19.80 m～22.10 m。采用133根人工挖孔灌注桩，设计桩长约为18.50 m，设计桩身直径分别为0.90 m,1.00 m,1.20 m,1.40 m，其设计承载力特征值分别为3 324 kN，4 027 kN,5 178 kN,5 996 kN，桩身混凝土设计强度等级为C35。桩端持力层为③卵石层，进入持力层深度大于1.20 m。JGJ 106—2014建筑基桩检测技术规范明确规定，对于甲级的桩基、无相关试桩资料的乙级桩基、地基条件比较复杂等桩基，施工前应进行试验桩检测并确定单桩极限承载力。本项目选用3根直径1.20 m的大桩为检测对象，单桩竖向抗压承载力极限值10 356 kN计算。

2 堆载法研究

堆载法测桩的基本原理是在预测桩桩头中心位置使用钢梁系统与承重平台形成堆载反力的传力装置，在堆载架上堆重物，依靠放在桩头上的千斤顶将平台逐步顶起，从而将力施加到桩头上，通过测力装置直接读出单桩竖向承载力。检测用设备主要有反力型钢梁或者箱梁、钢平台、堆载重物(可以选用砂袋、混凝土预制块、钢锭、取土装袋、水箱等)、液压千斤顶控制系统、应力传感器及相应的专业软件、桩沉降量观测装置(见图1)。对受检桩要求凿除桩头浮浆，浇筑混凝土桩帽，桩帽顶部水平平整，桩帽中心与桩体中心完全重合，在距离桩头1.50 m范围内，井桩箍筋应该加密，并在桩顶设置3层～5层间距80 mm～150 mm的钢筋网片，在距离检测桩周围1倍桩径的范围内用3 mm～5 mm厚钢板防护，桩帽混凝土强度等级高出桩身1个～2个强度等级，桩头高出检测区域地面0.60 m左右。对检测区域要求场地平整，道路宽度和转弯半径满足吊车和大型平板车的通行要求。检测原理是在试验前，一次性加上堆载重物，并稳固均匀地放在堆载平台上。通过压力表和载荷传感器在计算机上记录加载值和位移传感器测量桩的沉降量。随着桩头上堆载量的增加，检测的Q—S曲线和S—lgt曲线有相对变化，通过对曲线变化进行分析，可以判定基桩的极限承载力。该方法可能出现的问题：一是堆载平台出现偏心，在堆载放置过程中由于堆放的位置不对称、一次堆放量较大、吊车脱钩速度过快、堆载物放置的稳定性差，甚至温度、风向均会造成堆载中心偏移，出现堆载平台重心偏移，可能出现堆载量未达标之前，堆载平台失去稳定性，试验不得不结束，如果出现问题未能及时纠正，就极易造成堆载物倒塌的安全事故。二是测量控制基准桩自身稳定性不足，堆载重量对地面的附加力造成地面位移，测量结果不可靠。三是在大直径、高承载力的堆载试验检测中，认真研究加载的速度和加载量，防止出现检测桩突然急剧下沉。在本工程的检测中预计加载重量要达到10 000 kN以上，堆载配重物只能使用混凝土预制块或者钢锭，根据对兰州地区检测市场的考察，仅有两家单位有成品的堆载配重物，两家单位都在两个月以后才能预约到。

3 锚桩法研究

锚桩法是通过反力梁装置将被测桩周围对称布置的几根锚桩用预埋锚筋与反力架连接起来，依靠安设在桩头上的液压千斤顶将反力架顶起，桩顶压桩荷载的大小取决于锚桩的数量、抗拔强度、反力架的强度和锚筋的抗拔力。检测用设备有传力架、液压千斤顶、高压油泵、压力传感器、安装在桩头上的位移传感器和计算机辅助自动记录系统(如图2所示)。使用锚桩法检测的核心因素是锚桩布置位置、锚桩数量、入土深度、插筋抗拉计算等要素。检测采用分级逐步加荷载法，当上一级加载达到相对稳定后，持续一段时间再进行下一级加载，加载过程中记录不同荷载下试桩的竖向位移，直到试验桩出现破坏。当出现下列情况之一时，在某级荷载作用下，桩顶沉降量大于前一级荷载作用下沉降量的5倍，且桩顶总沉降量超过40 mm；在某级荷载作用下，桩的沉降量大于前一级荷载作用下沉降量的2倍，且经24 h尚未达到相对稳定；最大加载量达到设计要求的最大加载值且桩顶沉降达到相对稳定标准；Q—S沉降曲线呈缓变型时，可加载至桩顶总沉降量60 mm～80 mm；当桩端阻力尚未充分发挥时，可加载至桩顶累计沉降量超过80 mm。

4 自平衡法研究

桩基承载力自平衡法检测法是近年来逐步发展并走向成熟的新技术，测试的基本工作原理是：通过土力学计算，找到桩基础下部承载力和上部自重、摩擦阻力等合力作用的平衡点，在灌注桩成孔后浇筑“平衡点”以下部分桩体的混凝土，当下部混凝土达到一定强度后，在桩孔后安装荷载箱，并将位移杆、护管应力器、桩侧位移测定仪和钢筋笼一起安装到位，检查钢筋笼的垂直度、荷载箱的平整度均达到测试要求后浇筑井桩混凝土并振捣养护。养护桩身混凝土达到设计强度等级的75%以上时，调试检测液压系统，通过高压油泵给荷载箱内的千斤顶加压，使荷载箱产生竖向位移，由于作用力与反作用力的平衡作用，计算机系统可以准确作用在荷载箱以下部分的荷载值，以此判断桩的承载力极限值,自平衡检测法工作原理见图3。通过加载过程中采集的相关数据，计算机程序可以清晰的计算出桩基础所在各个土层的一些关键性力学指标如侧阻系数、桩的侧阻力等。该项检测技术的核心装置是荷载箱，选择荷载的核心参数要看它的最大顶升力(荷载标定值)、最大顶升行程。桩基自平衡检测法的检测步骤是：第一步，依据工程地质资料进行适宜性评价，如果桩埋深浅不具备反力平衡条件则不可使用此法；第二步，依据计算结果和设计要求安装荷载箱；第三步，利用高压油泵逐级加载，计算机导出相关参数；第四步，基于过程数据和终止荷载分析计算极限载荷。

5 各检测方案适宜性比较研究

堆载法：最大的优点是承重平台搭设简单，一套装置可以满足不同荷载等级的检测对象使用，对检测桩几乎没有配筋量的要求，工具化的堆载块可以重复利用，施工现场只需要平板运输车辆和一台中级吨位的吊车，检测成本主要为运输和吊装机械费，工程总成本较低，缺点是检测周期较长，一次只能检测一根桩，加载卸载时间较长，检测结果中桩端阻力和侧阻力所占比例不易确定，在湿陷性黄土地区应谨慎使用。

锚桩法：该方法为比较原始比较传统的检测方式，市场设备和技术均比较成熟，所检测桩的承载力的准确性在许多工程已经得到了验证，但检测中需要施工大量的锚桩，施工工期长、成本高，在加载施工过程中有锚固钢筋断裂的安全隐患，目前在桩基检测技术比较发达地区已经逐步被淘汰。

自平衡法：和传统锚桩法、堆载法相比，自平衡有其独特的优势:

1)装置较简单，不需要运入数百吨或数千吨物料，占用场地空间小，更不需笨重的反力架，如果有必要，多根桩可以同时测试，试验准备工作省时、省力、安全。

2)该方法能将桩的侧阻力与端阻力清楚地用各自的荷载—位移曲线描述，检测数据的可信度在设计中可以放心使用。

3)试验费用省，消耗物只有荷载箱，对检测桩的配筋量要求较低。

4)试验后试桩可利用预埋管对荷载箱压力灌浆仍可作为工程桩使用。

5)遇到水上试桩，坡地试桩，基坑底试桩，狭窄场地试桩，斜桩，嵌岩桩，抗拔桩等自平衡技术更加突出优势。

6)自平衡检测桩作为工程桩使用时，要认真研究平衡箱内的注浆方案，保证箱体段桩体在承载力和耐久性方面与其他工程桩同寿命。

6 检测方案经济性比较研究

针对三种不同的检测方法，经编制试桩施工和检测费用预算，得到数据(含税价)见表1。

表1 单桩施工和检测成本对比表

自平衡检测法的检测成本明显低于其他两种方法，就检测工期而言：堆载法加载较慢，堆载物移动和吊装需要工期较长，每根试桩检测需要7 d；锚桩法桩架安装和锚筋固定需要吊车配合，每根试桩检测需要3 d；自平衡法每根试桩检测则只需要半天。

7 研究成果的工程应用

2018年8月，建设单位同意利用自平衡技术检测3根试桩，委托检测单位依据此法重新评定该建筑物桩基础承载力特征值。经现场检测与后期分析评定，采用自平衡检测技术取得单桩承载力重要参数表见表2。

表2 单桩承载力重要参数表 kPa

设计单位依据检测报告重新修改了桩基础设计图纸，并通过第三方审查机构的审查备案。修改后的最多桩基为1.00 m，桩基础施工的土方开挖量、桩身混凝土浇筑量、井桩钢筋笼的配筋量均有大幅度下降，为该教学楼基础工程节约工程投资120万元(含税)。基于桩基基础设计质量的可靠性直接影响着建筑的安全性，通过工程前期试桩检测中能够科学、准确、有效地得出单桩基础的端阻力和侧阻力标准值，为结构设计工程师提供可信可采纳检测数据，对保证工程设计质量，有效控制工程施工成本有非常重要的作用。利用自平衡技术检测桩基础端阻力和侧阻力标准值弥补了《建筑桩基技术规范》中利用经验参数取值的不足，对保证工程设计质量、降低工程施工成本、缩短基础工程施工工期具有突出作用。