嵌角砾状白云质灰岩桩自平衡静载试验研究

2021-03-05雷坤明吴禹辰

重庆建筑 2021年2期

雷坤明，吴禹辰

（1重庆市忠县建设工程质量中心，重庆 404300；2合肥工业大学土木与水利工程学院，安徽合肥 230000）

0 引言

桩的承载力可以采用高应变法、静压法和自平衡法进行测量，经过近20多年的发展，自平衡法也由传统的单荷载箱加载发展到双荷载箱加载，并被应用于桩基承载力及桩侧摩擦阻力测量工程中[1]。自平衡法作为基桩静载试验的一种方法，通过将放置于桩身的平衡点处的荷载箱进行加载，保证测试过程中上下两部分桩的承载力相等，从而测得桩身的侧摩阻力与端阻力平衡以维持加载。对于地质条件复杂的桩基，使用双荷载箱技术能解决单荷载箱测试中因平衡点失衡而导致所测承载力偏低的问题。近年来，国内外学者针对基桩自平衡法双荷载箱测量技术的应用进行了广泛研究[2-4]。龚成中等[5]对多种试桩进行了双荷载箱测试技术应用研究。胡勇[6]通过双荷载箱自平衡法对长大直径桩进行了测定，为同类桩基承载力的确定与设计提供了依据。卢波等[7]通过对双荷载箱测试技术进行应用研究，解决了单荷载箱测试中因平衡点确定不准确而导致所测承载力偏低的问题。李小娟等[8-9]分别研究了黏性土与砂性土下自平衡检测过程中的转换系数取值问题，提出转换系数分别为0.7～0.8与0.6～0.7。龚成中等[10]针对深长嵌岩桩基承载特性进行了双荷载箱技术试验研究，实现了指定桩段的极限承载力测定。于荣林等[11]以天津东站220kV地下变电站工程为例，采用双荷载箱自平衡试桩法对其试验桩进行了承载力检测。

可以看出，现有针对基桩承载力的自平衡检测方法的研究主要以单荷载箱为主，而对于特定岩层条件下的双荷载箱加载方式研究较少。本文以位于重庆秀山嵌角砾状白云质灰岩地层的某拟建工程基桩自平衡检测为背景，选取3根基桩进行静载试验，分析了试验过程中的荷载-位移曲线及位移-时间曲线。本文研究结果可以为我国西南地区嵌角砾状白云质灰岩地层基桩自平衡检测应用提供参考。

1 工程概况

1.1 工程背景

本文对重庆秀山县某垃圾焚烧发电项目工程试桩进行静载试验（自平衡法）。拟建项目面积70255.80m2，建设用地面积29023.71m2，总建筑面积 15791.03m2，其中地上建筑面积为15327.81m2，地下建筑面积463.22m2。试验选取该工程的三个地点设置试桩进行静载试验，如图1所示。拟建场地位于重庆市秀山县，场地除南侧外均紧邻市政道路，交通方便。

图1 测量对象及基桩布局图

表1 嵌角砾状白云质灰岩物理力学性质

勘察区属亚热带湿润季风气候区，其热量资源丰富，降雨充沛，四季分明，具有显著的山区立体气候特色。

据气象站统计，秀山多年平均气温16.5°C，极端最高气温41.5°C，极端最低气温-10.5°C （1977年1月29日），年无霜期260～270天。平均相对湿度81%，绝对湿度17.6豪巴，多为偏北风，年平均风速1.9m/s，最大瞬时风速可达20m/s。区内降雨量较充沛，但是分配不均，最大年降雨量1350.3mm，最小年降雨量783.2mm，多年平均降雨量1199.4mm，最大日降雨量178.3mm。场地红线外北东侧约10m处为秀山县城镇生活垃圾填埋场污水处理池。

本文研究对象试桩（旋挖灌注桩）为嵌岩段角砾状白云质灰岩，以白云质灰岩角砾为主，粒径约0.5～1.0cm，呈棱角状，含约10%～15%白云质灰岩碎石，碎石粒径约5～10cm，钙质、白云质胶结为主，少量泥质胶结，中厚层状构造，其物理力学性质见表1。岩芯较破碎，多呈散粒状～碎块状，少量呈短柱状，如图2所示。

图2 试桩嵌岩段角砾状白云质灰岩

1.2 自平衡法原理

本文采用基桩自平衡测试方法进行基桩承载力及岩层侧阻力测量，并使用双荷载箱进行加载。该方法的基本原理是将荷载箱埋入桩基相应位置，通过高压油管与放置在地面的高压油泵相连。测量过程中由高压油泵向荷载箱千斤顶充油加载，加载过程中其上部桩身的摩擦力及自重与下部桩身的摩擦力及端阻力相平衡保证维持加载，且荷载箱上安装有位移杆进行位移数据测量。根据向上、向下Q-s曲线（荷载-位移曲线）判断桩承载力、桩基沉降、桩弹性压缩和岩土塑性变形。试桩自平衡测试法示意图如图3所示。

图3 基桩自平衡测试法示意图

2 现场测量

2.1 加载设备

该双荷载箱自平衡测试试验的加载设备主要由荷载箱、加载水泵、传感器、数据采集系统组成。

（1）荷载箱

荷载箱加载的率定曲线由计量部门标定，荷载箱参数详见表 2。

表2 荷载箱参数表

（2）加载水泵

加载水泵最大加压值为63MPa，压力传感器精度达到相应规范要求。压力传感器亦由计量部门标定并提供标定证书。

（3）位移量测装置

该试验使用电子位移传感器进行位移量测量，该传感器量程50mm，每桩5支，通过磁性表座固定在基准钢梁上。试验过程中，2支用于测量荷载箱附近桩体的向上位移，2支用于测量荷载箱附近桩体的向下位移，1支用于测量桩顶处的向上位移。

（4）数据采集仪

数据自动采集仪采用适用于自平衡法检测的专用配套系统，与电子位移传感器等均有针对性的数据接口。

2.2 加载方式

（1）加载程序

本次试验采用双荷载箱加载，先进行荷载箱Ⅱ（下荷载箱）加载，荷载箱Ⅱ加载完后不卸载，继续进行荷载箱Ⅰ（上荷载箱）加载，试验完后再统一卸载，如图4所示。

图4 双荷载箱加载示意图

由图4可以看出，该加载试验采用两个荷载箱加载，桩体分为A、B和C三部分，黑色部位代表荷载箱，上荷载箱用Ⅰ表示，下荷载箱用Ⅱ表示。成桩满足休止期后，先进行荷载箱Ⅱ加载，得到C段桩极限加载值。荷载箱Ⅱ加载完后不卸载，进行荷载箱Ⅰ加载，得到A段桩极限加载值。上下荷载箱加载均为独立完成，因此试验过程互不影响。

（2）加载分级

该双荷载箱自平衡测试试验采用的加载方式为慢速维持荷载法，分级荷载设置为最大加载值的10%，第一级加载值取分级荷载的2倍。试验过程中不进行分级卸载，具体加卸载分级情况见表3。

表3 加载分级表

2.3 试验步骤

静载试验步骤如下：

（1）每级荷载开始施加后，60min内每间隔5min测读一次位移，60min后每间隔30min测读一次位移；

（2）分级荷载开始施加30min后，将1.5h内每30min测得的位移值作为该小时位移量，当每小时位移增量不超过0.1mm且连续出现两次时，位移变化进入相对稳定阶段；

（3）当判断位移变化速率进入相对稳定阶段后，施加下一级荷载；

（4）终止加载。

3 结果分析

通过对秀山县垃圾焚烧发电项目试桩静载试验现场所有检测数据进行整理，分别绘制了试桩的竖向荷载-位移（Q-s）及位移-时间对数（s-lgt）曲线，如图5、图6所示。

由图5、图6可知：

（1） 3# 试桩（下荷载箱）荷载-位移（Q-s）曲线为陡变型，当加载至2500kN级时，下段位移增量已大于前一级荷载作用下位移增量的5倍，且位移总量已超过40mm，即终止加载，3#试桩下段桩极限加载值Qud取2250kN。3#试桩（上荷载箱）荷载-位移（Q-s）曲线为陡变型，当加载至3600kN级时，上段位移增量已大于前一级荷载作用下位移增量的5倍，且位移总量已超过40mm，即终止加载，3#试桩上段桩极限加载值Quu取3200kN。

图5 荷载箱Q-s曲线

图6 荷载箱s-lgt曲线

（2） 2# 试桩（下荷载箱）荷载-位移（Q-s）曲线为陡变型，当加载至2500kN级时，下段位移增量已大于前一级荷载作用下位移增量的5倍，且位移总量已超过40mm，即终止加载，2#试桩下段桩极限加载值Qud取2250kN。2#试桩（上荷载箱）加载值均已达到试验方案的荷载箱最大加载值4000kN，且上段和下段位移均达到相对稳定标准，2#试桩上段桩极限加载值Quu取4000kN。

（3）1#试桩（下荷载箱）加载值均已达到试验方案的荷载箱最大加载值2500kN，且上段和下段位移均达到相对稳定标准，1#试桩上段桩极限加载值Qud取2500kN。1#试桩（上荷载箱）荷载-位移（Q-s）曲线为陡变型，当加载至2800kN级时，上段位移增量已大于前一级荷载作用下位移增量的5倍，且位移总量已超过40mm，即终止加载，3#试桩上段桩极限加载值Quu取2400kN。

（4）由图6可以发现，由于2#试桩嵌入中等风化以上岩层的厚度较大，因此该曲线比较平缓，变形较小。说明嵌岩深度的增大，对提高桩基的承载力和变形是有利的。另外，由于上荷载箱的荷载对上部岩层侧摩阻力有抵消作用，因此下荷载箱所测出的岩层侧摩阻力比较可靠。

依据《建筑桩基技术规范》（JGJ 94—2008），结合现场静载试验测得的下段桩极限加载值Qud和上段桩极限加载值Quu，可按下式求得试桩嵌岩段的极限端阻力和极限侧阻力：