自平衡法在砂泥岩地层基桩承载力检测中的应用

韦文国

（广东国宏工程检测有限公司 广东韶关512000）

随着城市化进程的不断完善，一些城市的交通枢纽建设和地下空间建设都有着较快的发展。作为城市化进程中的重要组成部分，桩基施工在项目建设中发挥着举足轻重的作用。在桩基施工过程中，一些新技术和新设备应用，对于基桩的承载力检测提出了更高的标准和要求，如何选择合适的检测手段，是目前有着重要研究意义的问题［1］。目前，基桩抗拔承载力检测的自平衡试验方法作为一种新型的桩基承载力测试方法，有着成本和时间上的应用优势，对其分析有着重要的现实意义。

1 工程概况

1.1 工程背景

某建筑工程一期项目主要由5 栋高层建筑组成，分别为是1#、2#、3#、4#、5#，本文主要针对3#楼的7 桩、5#楼64桩及41桩侧阻力和端阻力等相关指标，采用基桩抗拔承载力检测的自平衡试验方法，确定出单桩抗拔承载力及其周围土层的桩端阻力与侧摩阻力。在现场取样测量中，测得砂泥岩相关的物理力学性质如下：天然抗压强度为5.9 MPa，容重为2 510 kg∕m³，软化系数为0.62，泊松比为0.33，饱和抗压强度为3.6 MPa，变形模量为2 053.5 MPa，弹性模量为2 288.3 MPa，粘聚力为76 MPa，内摩擦角为27°。

所应用到的试验场地其地貌为丘陵型，在试验开始前，已做到初步整平，地形坡度范围通常为0°～40°，现状较为稳定。其最高高程以及最低高程分别为202 m 以及187 m，高差约15 m。在场地中不存在对这一工程建设产生影响的地表水系。其存在的岩层层面结合较差，间距在30～60 cm 之间，存在少量间距较大的位置，实际距离为2～3 m［2］。砂泥岩界面存在泥化夹层，没有良好的结合性，张开度为3～10 mm 围内，结构面较为软弱。通过实际调查裸露岩体，发现在岩体中存在2 组裂隙，没有构造破碎带与断层构造出现。因为在场区内，存在的地下水形式是基岩裂隙水以及孔隙水，是大气降水所致，由此可以断定，在该场地内，土壤会对钢筋、钢结构以及混凝土结构产生一定影响。

1.2 基桩抗拔承载力检测的自平衡试验原理

在该试验过程中，主要是通过在桩端预埋荷载箱，并且这种荷载箱向垂直方向进行加载。在实施过程中由于整个项目桩身都会产生一种极限侧摩阻力，所以在抗拔桩上，需要对这种阻力进行测试，才能更好地完成测验［3］。而在桩端处，同样也会面临一些问题，比如桩端处无法为整个试验提供必要的反力支撑。针对这种问题，需要通过对桩钻深的方式进行解决。从整个抗拔试验的过程来看，应用到的主要设备除了需要进行预先埋设的荷载箱以外，还包括位移丝、位移传感器、压力机以及高压油管等。

1.3 选取砂泥岩地层平衡点

自平衡法检测环节，较为重要的工作是进行平衡点选取。主要的选取方法包括3种：数值模拟法、相似模拟法和经验法。当荷载箱在平衡点位置处时，其检测结果才具备良好的准确性，列出公式⑴：

式中，fs为摩擦力；μs为摩擦因数，与原有试验及研究结果相结合，取值0.72；Fx为基桩所受岩层作用力。结合式⑴、式⑵，求出桩底平衡点的实际位置情况。

1.4 选取砂泥岩地层转换系数

根据数值模拟方法预估检测过程，选取最终的转换系数，极限侧阻力QR实际计算公式详见式⑶：

如图1 所示，数值模拟结果会以几何图形及网格划分的形式显现。与工程实际相结合，基桩总高度应为45 m，其嵌岩深度应为5 m，进行数值模拟分析，最终得出实际转换系数0.9，与相关技术规范相结合，最终将1.0作为实际系数。

图1 数值模拟结果Fig.1 Numerical Simulation Results

2 试验方法

在具体试验原理上，根据有关经验以及规定，整个的试验方法需要从试验加载、卸载以及稳定标准等多个方面，结合多个数据循序渐进地对自平衡检验方法进行分析。

2.1 试验加载

首先在试验加载上，主要采用一种慢速维持荷载法方法，利用这种方法来明确出分级荷载，而这种分级荷载的取值，一般以最大试验荷载的1∕10最为适宜。在相应的分级荷载达到某一标准或者是要求以后，然后再对下一级荷载进行施加，通过分级荷载的层层试验，来保证相对稳定［4］。

2.2 试验卸载

卸载测回弹应分5 级逐一进行，将预定试验荷载（5 617 kN）的1∕5 作为各级卸载减量，待各级卸载后的荷载达到相对稳定后，再进行下一级的卸载。

2.3 稳定标准

受各级荷载的作用，上下部桩的位移量在单位时间（1 h）内不应超出0.1 mm，当连续2次位移量未超出该标准时，施加下级荷载。在本次试验中，将27 000 kN 设置为最大荷载值，将13 500 kN 定为最大加载量［5］。实际试验环节，通过分级加载这一方法，对基桩逐级的施加荷载，施加荷载过程中，分时间段对所发生的位移进行测量，具体时间是：5 min、15 min、30 min、45 min以及1 h，超过1 h后，每隔30 min进行一次位移的测量，试验具体分级加载情况如下：1～9 级荷载情况分别为2 700 kN、4 050 kN、5 400 kN、6 750 kN、8 100 kN、9 450 kN、10 800 kN、12 150 kN、13 500 kN。

本试验不涉及分级卸载操作，当施加一个级别的荷载后，观察其位移变化速率，待相对稳定后，进行下一荷载的施加试验，在此过程中，对于每一级别加载发生的位移都应详细记录，以便对位移变化速率稳定性进行判断。

2.4 加载中止的条件

首先，加载中止的第一个条件就是当荷载的总位移量超出某一范围或者是标准以后，并且本级荷载经过长时间的加载并没有保持稳定，应该终止加载。一般这种超出范围的标准是总位移量超出40 mm并且是上级荷载5 倍的情况［6］。其次当基桩总下沉量并没有高出40 mm，但是荷载量却已经明显超出了规定安全系数和设计值的乘积，这种情况下也需要终止加载。

3 检测结果分析

图2 Q-s曲线Fig.2 Q-s Curve

实际试验检测环节，桩体试验位置处会因为荷载的变化而产生不同的位移，进而其位移量也会不断发生变化，根据这一情况绘制出Q-s曲线，详细如图2所示。其中，上桩代表的是荷载箱上部桩体，而下桩代表的则是下部桩体。

对图2 进行分析，在桩体上部荷载以及下部荷载值不断增加的情况下，其2 个位置处的位移都出现了线性增加的变化，同时，上部位移与下部位移相比，下部位移较大。在试验环节，对所有位移数据进行记录，绘制s-lgt曲线，如图3所示。

图3 s-lgt曲线Fig.3 s-lgt Curve

从图3中可以得出，在荷载不断增大的情况下，桩体位移状态一直趋于稳定，1#、2#、3#三个位置处的基桩，所承受的荷载已经达到了最大加载值，即13 500 kN，同时，上、下段的位移都处于相对稳定标准的范围内［7］。根据以上条件，列出端阻力及极限侧阻力计算公式，详见式⑷：

式中：K为抗压摩阻力转换系数，由于本工程地质为岩石，因此，K=1.0；G 为上段桩总重（kN），包括自重及附加重量，若处于地下水位以下，实际要取浮重度；Ap为桩端底面积。

在式⑴中输入最大加载值，得出极限端阻力以及极限侧阻力，1#、2#、3#三个基桩存在相同的极限端阻力值［8］，均为7.64 MPa，而极限侧阻力则存在不同，1#为697 kPa；2#为581 kPa；3#为748 kPa，取平均值处理，最终得出极限侧阻力为675 kPa。

4 结论

综上所述，对于桩基础施工而言，其施工难度较大，技术要求较高，并且存在较为复杂的地质变化情况。所以，在大型工程中，为保证工程质量，应做好桩基的检测及验收工作。

⑴从实际工程出发，开展静载实验检测工作，将所有获得的数据采集后，利用公式进行计算［9］，得出极限端阻力值及极限侧阻力值分别为：7.64 MPa、675 kPa。

⑵对试验结果进行分析，可以看出，基桩承受荷载为13 500 kN 时，并没有出现超荷载现象，其桩底位置还在发生压缩增强变化，所以，不用加大桩基长度。结果显示，在荷载不断增加时，桩体位移没有发生加速变形情况，而是一直呈线性增加，可见此时桩体还可以承受一定程度的荷载压力［10］。

⑶针对于本工程基桩承载力情况，选择自平衡法进行检测计算，在实际的试验环节，由于砂泥岩的岩性特点，使其具备不同的摩擦因子，利用数值模拟的方式，做出了预先的演算处理，最终得出转换系数［11］。从所得出的结果中可以看出，在不同岩性地层中应用此种方法效果较好，特别是对于砂泥岩地层而言，更能准确分析出承载力情况，实践意义较大。