自平衡桩试验的影响因素分析

2020-12-01戴自然徐再贤吴福飞

四川建材 2020年11期

戴自然，徐再贤，吴福飞

(1.贵州师范大学材料与建筑工程学院，贵州贵阳 550025；2.贵州黔严建设工程技术服务有限责任公司，贵州贵阳 550004)

0 前言

随着近代工业技术和科学技术的发展，桩的材料、种类和桩基形式、桩的施工工艺和设备、桩基设计计算理论和方法、桩的原型试验和检测方法等各方面都有了很大的发展。由于桩基础具有承载力高、稳定性好、沉降量小而均匀等特点，因此，桩基础已成为在土质不良地区修建各种建筑物所普遍采用的基础形式，在高层建筑、桥梁、港口和近海结构等工程中得到了广泛应用[1-3]。

在国外，桩基承载力自平衡测试方法源于日本的中山(Nakayama)和藤关(Fujiseki)于1969年提出的桩端加载试桩法[4]。四年之后，通过他们不断研究完善，于1973年取得了钻孔桩的测试专利。之后该测试法在全球蔓延，许多学者不断地对其进行研究、探讨。1978年，Summii获得预制桩的测试专利[5]。1973年，Gibson和Devenney采用类似技术测定在钻孔中混凝土与岩石间的胶结应力[6]。20世纪70年代初，以色列的Afar Vasela公司发明了Tomer桩基检测检测技术并申请专利，基于Osterberg博士对该法做了大量研究、总结并推广工作，因此，美国土木工程界又将该法命名为Osterberg-Cell载荷试验或O-Cell载荷试验[7-8]。至今，O-Cell载荷试验法已被美国土木工程界接受，现已成为美国广泛应用的一种载荷试桩新技术，美国深基础协会(DFI)为此授予Dr.Osterberg“杰出贡献奖”，并称试桩已进入“Osterberg新时期”。

在国内，桩基承载力自平衡测试法于1993年被清华大学李广信教授引入国内。同期，李广信教授指导博士和硕士做了大量的理论研究和模型试验，但自平衡测试技术作为一种新型的测试技术，碍于当时国内环境、技术、信息等条件的限制，并未引起国内工程界的注意。桩基承载力自平衡测试技术在我国开始应用于工程实践始于1996年，当时，东南大学土木建筑工程学院在国内众多单位理论研究的基础上，与江苏省建委合作对Osterberg试桩法进行研究，率先在国内将该法付诸实际，并于1999年编制了《桩承载力自平衡测试技术规程》(DB32/T291—1999)[9]，同时还开发了测桩软件及数据自动采集系统。之后自平衡测试法在我国27个省市开始大范围推广应用。目前，已完成了300多个实际工程，积累了大量的实践经验，产生了巨大的社会和经济效益。

1 自平衡试验的影响因素

自平衡测试法发展到今天，技术已十分成熟，国内外亦有学者和研究机构对其进行了学术研究，对自平衡测试法的影响因素也有比较透彻的分析，经查阅相关资料，并对自平衡测试法的试验影响因素进行分析总结，得出其影响因素主要如下：桩底沉渣及泥皮的影响、桩土间的相对刚度比Ep/Es、桩周土层间相对刚度比的影响、桩的长径比影响、桩承载力的“时效性”以及试验其他影响因素。

1.1 桩底沉渣及泥皮影响分析

从以往自平衡试验应用实例可知，自平衡试桩法绝大多数应用在钻孔灌注桩上，而钻孔灌注桩有其特殊的成桩工艺，影响到我们试验的主要是成桩工艺中的桩侧泥浆护壁和桩底沉渣两个因素。

桩侧泥浆护壁的存在会大大降低桩的侧摩阻力，经查阅相关研究资料[10]，桩顶的沉降会随泥皮厚度的增加而增加，孔壁泥皮的厚度与施工所采用的清孔方式、护壁泥浆的类型、密度及成孔时间等因素有关，在同等条件下，若泥皮过厚，可增加桩顶沉降2～5 mm。

桩底沉渣对自平衡试验的影响主要体现在下段桩的沉降位移上，对下段桩而言，其受桩底沉渣影响的典型下段桩荷载-沉降曲线(Q-s-)如图1所示，下段桩在荷载施加之初由于桩周侧摩阻力的存在，下段桩的位移量不明显，如图1中的o-a段所示。随着荷载的增加，下段桩周侧摩阻力达到极限，桩端开始受力。由于桩底有一定厚度的沉渣，也就是相当于桩底存在一个“软垫”。其位移量急剧增加，曲线的曲率也越来越大，如图1中的a-b段所示。随着荷载继续增加，位移量进一步增加，桩底沉渣越来越趋于密实，其压缩模量逐渐增大，这就出现了在试验的最后，位移趋势放缓，曲率变小的阶段，如图1中的b-c段所示，之后再随着荷载增大，桩端承载力达到极限。

图1 受桩底沉渣影响的典型下段桩荷载-沉降曲线(Q-s-)

1.2 桩土间的相对刚度Ep/Es影响分析

不同桩土间相对刚度Ep/Es对自平衡试验的影响主要体现在以下方面。

1)对上段桩轴力的影响：随着桩土间相对刚度比的提高，在相同荷载下，虽然上桩轴力的整体分布方式变化不大，但上桩轴力沿桩身向上衰减变慢，这是由于当桩土相对刚度比增大时，桩周土体的摩阻力减小，对桩的约束作用减小，因此，上段桩轴力随摩阻力作用的减小自然衰减就减慢。

2)对上段桩截面位移的影响：对于同样长度的桩，在相同的荷载下，随着桩土相对刚度比的提高，土体的刚度降低，变形量增加，上段桩桩底和桩顶位移增长较快。当桩土相对刚度比较小时，随着荷载等级的增大，上段桩桩顶截面位移的增长趋势将不如桩底截面位移增长的趋势，但当桩土相对刚度比较大时，则上桩各截面位移增长趋势趋于一致。

3)对桩身压缩量的影响：在相同荷载下，随着桩土相对刚度比的提高，桩身的弹性压缩量增大。分析其原因，主要是因为随着桩土相对刚度比的提高，上段桩轴力沿桩身向上衰减变慢，再根据材料力学知识，桩身的弹性压缩量可用式(1)表示：

(1)

式中，ΔL为桩身弹性压缩量；N(z)为桩身轴力；Ep为桩身弹性模量；A为桩身截面面积。

由以上公式可知，当轴力N(z)向上衰减变慢时，ΔL即桩身弹性压缩量将增大。

4)对下段桩端阻力和侧阻力分担荷载比的影响：随着桩土相对刚度比的提高，土体的刚度降低，变形量增加，下段桩下沉位移增大，端阻分担的荷载将增大，经查阅相关研究资料表明，当Ep/Es>100后，端阻分担的荷载比将不会十分明显。

1.3 土层间的相对刚度影响分析

土层间的相对刚度主要是对桩的位移产生影响。当土层间的相对刚度比很小时，最理想化的情况就是各土层的刚度一样，即相对刚度比为1，相当于桩周土层为均匀土层，土体的总体刚度较大，因此桩随土体的刚体位移较小，桩体位移几乎全由桩身压缩组成；另一方面，较小的相对刚度使得上部土体的负摩阻力较下部土层减小不多，因此桩身轴力会缓慢减小，根据式(1)，桩身的压缩量较大，随着荷载箱压力不断增大，桩顶的位移将不会很大，但荷载箱处的上段桩桩底位移由于桩身压缩量增大而增大。在桩身范围内，各截面的位移量会明显的增加，桩在刚体位移的基础上有明显的轴向变形。因此，在桩土相对刚度较小且土层相对刚度也较小的情况下，要注重考虑桩身压缩量引起的位移。

当土层间的相对刚度比很大时，土体的总刚度较小，桩随土体的刚体位移较大，荷载箱压力主要由下层土来平衡(通常下层土的刚度比上层土的要大)，此时上部桩身的轴力较小，因此桩身的压缩量较小。在这种情况下，桩底的位移取决于桩的刚体位移，在上部桩身范围内，因轴力较小，轴向变形很小，桩的位移主要为刚体位移。下部桩身范围内，因其轴力较大，轴向变形会很大，该段桩身的变形决定了桩的弹性压缩量。土层间的相对刚度比主要对桩的位移组成产生影响，当土层间的相对刚度比较小时，桩的位移主要为桩的弹性变形。当土层间的相对刚度比较大时，桩的位移则要同时考虑桩的弹性变形和刚体位移。

1.4 桩的长径比L/D影响分析

传统静载试验在桩顶施加竖向作用力，其竖向由作用于桩侧的总摩阻力Qs和作用于桩端的端阻力Qp共同承担，如图2所示，竖向力可以表示为：

Q=Qs+Qp

(2)

图2 桩的侧阻力与端阻力

桩侧阻力与桩端阻力的发挥过程就是桩土体系荷载的传递过程。桩顶受竖向压力后，桩顶压缩并向下发生位移。桩侧表面与土间发生相对运动，桩侧表面开始受土的向上摩阻力，荷载通过侧阻力向桩周土中传递，就使桩身的轴力与桩身压缩变形量随深度递减。随着荷载增加，桩身下部的侧阻力也逐渐发挥作用，当荷载增加到一定值时，桩端才开始发生竖向位移，桩端的反力也开始发挥作用。所以，靠近桩身上部土层的侧阻力比下部土层的先发挥作用，侧阻力先于端阻力发挥作用，经查阅国内外大量相关资料，侧阻力与端阻力发挥作用所需要的位移量也是不同的。大量的常规直径桩的测试表明，侧阻力发挥作用所需的相对位移一般不超过20 mm。对于大直径桩，一般在位移量s=(3%～6%)d情况下，侧阻力已发挥绝大部分的作用。但是端阻力发挥作用的情况比较复杂，与桩端土的类型与性质及桩长度、桩径、成桩工艺和施工质量等因素有关。

对于岩层和硬的土层，只需很小的桩端位移就可充分使其端阻力发挥作用，对于一般土层，完全发挥端阻力作用所需位移量则可能很大。以桩端持力层为细粒土的情况为例，要充分发挥端阻力作用，打入桩sp/d为10%；钻孔桩sp/d为20%～30%，其中sp为桩端的沉降量。

这样对于一般桩基础，在工作荷载作用下，侧阻力可能已经发挥出大部分作用，而端阻力只发挥了很小一部分作用。只有对支撑于坚硬岩基上的刚性短桩，由于桩端无法下沉，而桩身压缩量很小，摩擦阻力无法发挥作用，端阻力才先于侧阻力发挥作用。

综上所述，可对静载试验荷载传递作如下归纳：①一般情况下，侧阻力先于端阻力发挥作用；②在工作荷载Qk作用下，对于一般摩擦型桩，侧阻力发挥作用的比例明显高于端阻力发挥作用的比例；③对于l/d较大的桩，即使桩端持力层为岩层或坚硬土层，由于桩身本身的压缩，在工作荷载下端阻力也很难发挥。当l/d≥100时，端阻力基本可以忽略而成为摩擦桩。

对于自平衡试桩法的下段桩长径比的影响基本与其相同，对于自平衡试桩法的上段桩，当桩径相同时：L/D较小，桩的位移主要由桩体位移为主，桩的弹性压缩量较小，但当L/D较大时，上段桩的桩顶位移将较小，但上段桩的桩底位移较大，桩的位移主要以桩的弹性压缩量为主。当L/D>60时，桩的位移几乎全由桩身压缩组成。

1.5 桩承载力的“时效性”影响分析

当自平衡试桩为打入的挤土桩时，如果桩周土为饱和的黏性土时，则成桩时的挤压和振动会在土中形成较高的超静孔隙水压力，使有效应力降低，结构的扰动和超静孔水压力升高会使桩周土抗剪强度降低，侧阻力也就大为降低，但是如果放置一段时间，随着土中超静孔压的消散，再加上土的触变性可恢复土的结构强度，也会使侧阻力逐渐提高。这就是所谓的桩承载力的“时效性”。因此，在自平衡试桩时需等待一定的时间使桩周土体结构强度恢复后才能进行试验。具体时间在国内相关规范上都有规定，如《建筑基桩检测技术规范》(JGJ 106—2003)中第3.2.6条便有如下规定：桩基承载力检测前的休止时间除应满足试桩混凝土龄期达到28 d或预留同条件养护试块强度达到设计强度外，当无成熟的地区经验时，尚不应少于表1中规定的时间。