基于基桩自平衡法的深基坑地基土承载力检测方法

刘 黔

（惠州市大禹工程质量检测中心有限公司，广东 惠州 516000）

0 引言

目前深基坑地基土承载力的测量方法较多，较为常见的是通过测试地基土内部单桩轴向抗压能力计算出地基土的承载力[1]。该种方法的可操作性较强，可以在一定程度上满足对深基坑地基土承载力的检测需求，但是在某些方面也存在局限。由于单桩所能承受的荷载力具有个体差异，不同材质的单桩其自身的承载力是不同的。因此，当采用不同材质的单桩对同一批深基坑地基土进行检测时，得到的检测结果会产生较大的差异，不具备科学性。并且，由于单桩的安全系数较低，进行检测时如果荷载力过大，会有桩体崩断的危险，对操作人员的生命安全产生威胁。单桩表层的桩体承载力在进行振冲处理之前变化较小，检测出的数值变化浮动较小，导致最终检测出的深基坑地基土承载力误差较大。同时单桩的检测方法未能充分发挥桩间土的实际作用，忽略了桩土的应力大小，导致检测出的数值低于实际数值[2]。因此，采用单桩轴向抗压法对深基坑地基土承载力进行测试得到的检测数值误差较大，检测结果也不不稳定。对此需要开发新型的检测方法，旨在提高检测精度，规范检测手段。

1 基于基桩自平衡法的深基坑地基土承载力检测方法

1.1 基于基桩自平衡法的地基土芯特征值计算

所谓基桩自平衡法，就是通过构建静载测试装置，采用多根位移杆固定的方式，测量出地基土的承载能力。采用该方法进行地基土承载力检测时，由于位移杆分担了荷载力，不会出现绷断的情况，操作的安全系数较高，能够在提高施工质量的同时有效保障操作人员的安全，是集安全性与可操作性为一体的科学检测方法[3]。不同于传统方法通过借助外部反力实现承载力检测，基桩平衡静载检测方法的原理是在深基坑施工之前将特制的装载箱安装在钢筋笼内部，并确定好对基桩的平衡点的波动范围，再进行混凝土的浇筑。待混凝土内部水分完全干透，其土体强度满足施工需求时，即可通过对油管施加外部压力，进而使桩体内部产生压力。使用位移杆以及传感器对桩体的位移量进行测量与计算，最终得到地基土的承载力。

根据上述基桩自平衡原理对深基坑地基土承载力进行检测，需要先对地基土芯进行试样检测，得到土层的土性参数，为此需摇构建试样检测装置，具体步骤如下[4]。

基桩自平衡静载检测系统由装载箱、高压喷射油罐以及位移杆组成。对测试装置进行安装时，需要将装载箱与钢筋进行连接，采用厚度较大的护管连接桩顶与钢筋笼，并将高压喷射油罐焊接在钢筋笼两侧的内壁上，具体安装示意图如图1所示。

图1 基桩平衡静载测试装置

在实际施工时需要注意装载箱应该竖直放在施工场地中央，使位移杆与装载箱保持垂直状态，进行焊接时要将钢筋笼内外的主筋全部焊接到装载箱的外壁，以此保证钢筋笼在起吊时能够保持稳定，不会脱落，同时也能够保证起吊时钢筋笼与装载箱位于相同垂线上，可减少起吊所需要的拉力[5]。同时需要将钢筋笼焊接在装载箱的下部，并采用扎绑的方式将二者固定为一个整体，使其受力均匀，且装载箱的荷载力能够实现完全的传导，这样也能保证钢筋笼不会因接触泥浆而使自身硬度受到影响。待混凝土内部完全干透后，即可将焊接完成的装载箱以及钢筋笼一同放入桩内，通过地面上的加压泵对装载箱进行施压，采用位移测量计对箱体的位移量进行测量。在混凝土浇筑的过程中，传统的装载箱的导流结构会影响混凝土的流通情况，容易在装载箱上部产生薄弱层，影响最终的浇筑效果。因此，为了提高施工质量，该文选取了导流结构更好的通莫装载箱，能够有效提高混凝土与装载箱上部之间的贴合情况，提高浇筑密度。

将位移计固定在位移杆的上部，每根位移杆均采用4只电子测量计对位移量进行测量，采用万用表座进行固定，将4只测量计两两分组，分别用于测量基桩上部及下部产生的位移量，以减少测量结果的实际误差。进行检测时，油泵将液压油传送至油管内部，液压油经由油管，最终被传送到装载箱中。随着液压油的不断输送，装载箱内部的荷载力也不断增大，进而使其发生移位。装载箱的移位使桩体内部产生阻力并发生位移，通过采用位移传感器和数据采集系统对桩体位移量及相关变量进行采集和计算，得到需要的桩体参数。根据上述测试装置测量出土层的加权平均中度以及内摩擦角，计算出土层的特征值，具体计算公式如公式（1）所示。

式中：ε和φ为土层黏聚力以及内摩擦角；ra为基础地面土层的加权平均重度；d为基桩埋置深度。

按照极限状态，可对地基土芯特征值进行求解，具体计算公式如公式（2）所示。

式中：fc为地基土芯的极限承载力；εb为基础形状参数；Nc为承载力系数。

根据上述步骤即可计算出地基土芯的特征值，为后续的深基坑地基土承载力检测提供数据支持。

1.2 基桩岩土阻力测量

由于在对地基土芯特征值进行测量与计算的过程中会产生对基桩顶部的冲击脉冲，该冲击力会影响最终的测量结果，因此需要对基桩顶部的岩土受到的阻力进行测量与计算，进而测算出基桩的承载力[6]。

假设基桩为一维的线性弹力杆，基桩长度为L，桩杆的横截面积为S，假设基桩顶部受到的阻力分为两部分，分别是静态阻力以及动态阻力，具体计算公式如公式（3）所示。

假设基桩的弹性模量为E，桩身的密度为ρ，则可计算出桩身内部的应力波传播速度，具体计算公式如公式（4）所示。

则基桩桩身应力变化的关系表达式如公式（5）所示。

式中：O为基桩桩身发生的形变程度，代表广义波阻抗。

将上述公式进行推导，即可得到基桩的一维波动方程，具体表达式如公式（6）所示。

式中：ω为桩底反射对应时间；t为冲击脉冲的速度；M为基桩岩土受到的阻力。

根据上述公式即可计算出基桩上部受到的阻力大小[7]。

2 地基土承载力计算

当装载箱位于基桩底部时，基桩受到的承载力由基桩顶部岩土阻力以及基桩侧部的摩擦力组成。单桩竖向的抗压承载力计算公式如公式（7）所示。

式中：Q为单桩竖向的抗压承载力；Qa为试验的加载系数；Ws为基桩重力；Wp为土层堆载重力；γ为荷载阻力修正系数，该值根据土层的具体类型进行选取，碎石土与岩石土一般取0.6~0.8，黏性土质一般取0.5；Qk为基桩顶部的极限承受阻力，具体计算公式如公式（8）所示。

式中：Sp为装载箱的底部面积；ϑ为基桩的阻力尺寸效应系数。

ϑ值根据土层的类型有不同的取值规则，对土质为黏性土或粉土的，其阻力尺寸效应系数的具体计算方法如公式（9）所示。

对土质为砂土或碎石类土的阻力尺寸效应系数计算公式如公式（10）所示。

综合以上步骤，即可计算出地基土的承载力大小，具体计算公式如公式（11）所示。

通过上述步骤即可计算出深基坑地基土承载力，实现对承载力的检测[8]。至此，基于基桩自平衡法的深基坑地基土承载力检测方法设计完成。

3 试验部分

为证明提出的基于基桩自平衡法的深基坑地基土承载力检测方法在检测精度上优于传统的地基土承载力检测方法，在理论部分完成设计后，进行试验验证环节，对该检测方法的实际检测效果进行分析。

3.1 试验准备

该次试验的试验对象为广东地区的深基坑施工项目。该地区地势平坦，以平原为主，主要地貌类型包括侵蚀地貌和堆积地貌。该地区的气候属于热带和亚热带季风气候区，夏季炎热多雨，冬季温和干燥，常年平均降水量保持在1500mm以上，最高降水量可达2500mm以上。降水年均分配不均，夏季降水较为集中，冬季降水较少，利于深基坑施工工作的开展。由于该地区河流较多，地下径流的特征会受降水条件以及地形地貌条件的影响，地表径流的分布特点与年均降水特点类似，地区地表径流年际变化较小，为深基坑施工工作提供了良好的地表环境。地质结构方面，该地区的地质构造较为复杂，基岩露出程度较大，岩石厚度分布不均，西南部岩石厚度在350m以上，东北部岩石厚度不足100m，土壤主要由黏性土、砂质土、粉土以及砂砾石组成，土层为软塑状态，含有较高的钙质结核，土壤水分含量较大，地基土层承载力较高。

该次试验选取深基坑地基土中安插的5根试验桩进行测试，检测桩位由检测方随机决定，同时对深基坑地基土周围应力较为集中的桩点进行测试。用到的试验设备包括JCQ-364A全自动静力荷载测试仪、截面面积为2.5m2的圆形承压板、QW200T油压千斤顶以及压重平台反力装置。采用提出的三种地基土检测方法对试验桩承载力进行测试。先清理试验桩周围的浮浆以及木渣，露出表层的混凝土桩面。在桩面上放置圆形承压板以及应力传感器。以圆形承压板为中心，共安装4块位移测量计，用于读取试验桩的位移数据，为检测方法提供相同的试验数据。为提高试验结果的准确性，选用逐级增加荷载力的方式，对试验桩增加不同级别的荷载力，记录圆形承压板的沉降情况，每隔半小时记录一次。当圆形承压板的沉降程度在0.2mm以下时，即可继续增大荷载力，比较试验桩对荷载力的承载情况。如果出现沉降力急骤增大或减弱的情况，或者圆形承压板的周围出现隆起程度较大的肿块时，须停止增加荷载力，待肿块消失或沉降力变化浮动趋于稳定时方可继续试验。用力敲击桩顶放置的圆形承压板，使承压板产生弹性波，对波形曲线进行观测，根据弹性波的变化程度不断调整测试参数，直到荷载力的大小能够有效反映出桩身的承载特性为止。在试验的过程中需要注意累计沉降量的变化，该值如果超过圆形承压板宽度的5%以上，说明此刻试验桩的承载力已经达到极限，可记录最后一次位移数据，停止观测。试验数据提取完成后进行检查，当总荷载量在实际设计要求的两倍以上时方可作为有效数据进行测试。将采集到的试验数据绘制成荷载力-沉降程度的曲线，为检测方法提供更直观的数据支持。

3.2 试验结果

该次试验选取的评价指标为预测值的相对误差，通过采用3种地基土承载力的检测方法对5根试验桩进行测试，比较实测值与预测值的实际误差，进而得出地基土承载力的检测精度，具体试验结果见表1。其中，传统检测方法A和B分别代表基于灰色理论的深基坑地基土承载力检测方法以及基于单桩轴向抗压的地基土承载力检测方法。

表1 检测精度对比

根据上述试验结果可知，采用不同检测方法对基桩安置情况相同的地基土进行承载力检测时，其检测的精度也有所不同。传统的深基坑地基土检测方法得到的相对误差较高，平均误差在0.6~1.0，说明其检测能力较差，无法对深基坑地基土进行精准检测。而该文提出的基于基桩自平衡法的深基坑地基土承载力检测方法的相对误差明显低于两种传统的检测方法，相对误差均值在0.30左右，说明其检测能力较高，能够有效满足深基坑地基土的检测需求。

4 结论

该文将提出的深基坑地基土承载力检测方法与基桩自平衡法进行了有效结合，该方法具备操作简便、精度较高等优点，可用于实际的深基坑地基土承载力的检测工作。在今后的研究工作中，还需要结合工程实例，对检测方法带来的附加成本进行探讨，研究出性价比更高、更贴合实际工程的地基土承载力检测方法。