PHC 管桩单桩竖向抗压承载力试验对比分析

2022-10-08甘梓坚

广东建材 2022年9期

关键词：测力单桩抗压

甘梓坚

(佛山市三水区建筑工程质量安全监督站)

0 引言

PHC 管桩自从上世纪80 年代国内开始生产和使用，优点显著：造价相对低、运输方便、施工时效快、桩身强度高、成桩质量较可靠，在桩基础建设方面得到了非常广泛的应用。

桩基主要作用在于保证桩身结构性完整的情况下，将上部荷载沿着桩身传递到持力层。可见桩基承载力是否合格将极大地影响到建筑工程的健康与安全，因此桩基承载力检测尤为重要。

目前单桩竖向抗压承载力检测通常采用单桩竖向抗压静载试验和高应变法试验，本文结合工程实例对两种试验方法的优缺点进行探讨，并对承载力结果进行对比分析，以期给检测人员及管理人员一定的参考和借鉴。

1 单桩竖向抗压静载试验

1.1 静载试验的原理和试验过程

单桩竖向抗压静载试验分为慢速维持荷载法和快速维持荷载法。《建筑与市政地基基础通用规范》GB55003-2021 强制性条文明确指出单桩竖向抗压静载试验应采用慢速维持荷载法。

单桩竖向抗压静载试验采用压重平台反力装置。压重平台反力装置提供荷载反力，在试验开始前将设计要求的承载力极限值对应的堆载量一次性加上平台，试验时利用油压千斤顶分级加载。

在分级加载的过程中，持续性观察并记录桩顶部随着时间产生的沉降，最终通过基桩施压的荷载（Q）与沉降（s）的曲线分析，判断基桩破坏的形式及承载能力。

图1 静载试验装置示意图

1.2 具体工程案例分析

佛山三水某工程A，该工程基桩采用桩径为500mm的PHC 管桩，设计混凝土强度等级为C80，设计承载力特征值为2500kN，设计极限承载力为5000kN。要求最大试验荷载为5400kN。

地质分布情况地面以下依次为人工填土、淤泥质黏土、砂质黏性土、全风化泥质砂岩、强风化泥质砂岩、中风化泥质砂岩。单桩竖向抗压静载试验的五根受检桩，自编号分别为ZK1、ZK2、ZK3、ZK4 和ZK5 号桩。五根受检桩采用慢速维持荷载法后的Q-S 曲线如图2，ZK2 的s-lgt 曲线见图3。

图3 ZK2 的s- lgt 曲线

根据图2 数据按照地基基础检测规范分析得各受检桩单桩竖向抗压静载试验结果，如表1 所示。

表1 各受检桩单桩竖向抗压静载试验结果

图2 受检桩加卸荷载Q- S 曲线

5 根受检桩单桩竖向抗压静载试验结果如表1 所示，仅有ZK1 号桩满足承载力特征值2500kN 的设计要求。其余的4 桩检测承载力特征值分别为：1350kN、1890kN、1620kN 和1540kN，均不满足设计为2500kN 的要求。

静载试验结果分析简单、直观且可靠，但是堆载过程安全风险较高，且耗时太长，如图3 所示ZK2 号桩整个加荷过程耗时约15 小时，一台检测设备测完5 根桩共需要111 小时，经济成本较高。

2 高应变法试验

2.1 原理及测试过程

高应变法试验的基本原理：用重锤自由下落冲击桩顶，使桩—土产生足够的相对位移，以充分激发桩周土阻力和桩端阻力，再通过安装在桩顶以下桩身两侧的力和加速度传感器接收桩的应力波信号（锤上测力则通过安装在重锤锤体和桩顶以下桩身两侧的加速度传感器接收桩的应力波信号），两种测力方式最终均以应力波理论为基础分析处理力和速度时程曲线，从而判定桩的承载力和评价桩身质量完整性。

图4 为桩上测力高应变法测试示意图。目前广东省内高应变测力方法分为桩上测力和锤上测力，因PHC 管桩的混凝土强度等级为C80，弹性模量较高，在设计值较低，打击力不大的试验条件下较难出现塑性破坏，所以在PHC 管桩上用桩上测力可以满足日常试验要求。

图4 高应变法测试示意图（桩上测力）

在高应变法分析过程中，需要着重考虑土的非线性，是一种半经验半理论方法，因此对从业人员的专业和经验均有着较高的要求。

2.2 具体工程实例分析

佛山三水某工程B，地质从地面以下依次为淤泥、砂质黏性土、全风化泥质砂岩、强风化泥质砂岩。

PHC 管桩桩径为500mm 壁厚为125mm，桩长均为30m，设计特征值为1400kN，设计持力层为全风化泥质砂岩。高应变法共检测20 根。其中取B25 号的Case 信号和曲线拟合数据进行分析，如图5 和图6 所示。

图5 B25 号Case 法FV 曲线和行波曲线

图6 B25 号实测拟合法曲线

B25 的Case 法结果数据：FMX 为3533kN，VMX 为2.26m/s，DMX 为10.0mm，JC 值为0.4，RSP 为3099kN，BTA 为100%。

实测曲线拟合结果数据：Ru 为2951kN，Rs 为2239kN，DMX 为13.5mm，Jt 为0.4，MQ 为1.45。

最终承载力按照实测曲线拟合后的结果极限承载力为2951kN，桩身完整性为Ⅰ类。

高应变法现场20 根现场测试时间不到10 小时采集全部信号结束。安全风险较之静载试验少很多。但不管是现场信号采集还是分析信号均需要具备一定的波动学专业知识和经验，才能够客观准确的反映真实情况。尤其是实测曲线拟合法，要拟合将近数十个参数，需要检测人员具备一定的专业能力和经验才能合理的分析出较准确的动测承载力结果。

3 动静对比分析

佛山三水某厂房项目C，PHC 管桩，其中取19 号桩进行动静对比分析。桩长为23.0m，桩径为500mm，壁厚为125mm，设计承载力特征值2000kN。地质分布情况地面以下依次为素填土、淤泥和强风化砂质泥岩。先进行高应变试验，21 天后再进行单桩竖向抗压静载试验。

高应变用重锤5.0 吨在落距约2.0m 左右自由落锤进行试验，单桩竖向抗压静载试验用慢速维持荷载法。得到19 号桩高应变拟合Q-S 曲线和静载实测Q-S 曲线对比图，如图7 所示。

图7 高应变拟合Q- S 曲线和静载实测Q- S 曲线对比

高应变实测曲线拟合法得到的结果数据：极限承载力为3530kN，最大沉降量为21.08mm，残余沉降量为7.79mm。静载试验实测极限承载力为3892kN，最大沉降量为44.66mm，残余沉降量为18.44mm。高应变法测得的极限承载力偏保守。两种方法提供的极限承载力误差为9.3%。从图7 可知：在加载较低时，两种Q-S 曲线基本吻合，在加载较高时，两种Q-S 曲线趋势基本一致。卸荷时，实测Q-S 曲线是逐级缓慢恢复沉降，拟合Q-S 曲线基本呈线性恢复沉降。

分析认为在加载较低时，受到桩周土阻力基本一致，所以沉降量也基本一致；在加载较高时，因试验作用的时间量级不一致，导致沉降量差异性增大。C 项目19号桩在两种测试方法下得到的极限承载力误差为9.3%，小于10.0%的误差范围内，在检测数据结果上可以接受。但是这个误差取决于检测人员的专业水平和经验性影响较多。地质资料各项参数的准确性对拟合分析时的作用也尤为重要。

单桩竖向抗压静载试验优点：结果直接客观、分析较简单、准确可靠，直接得到Q-S 曲线。其缺点：现场准备工作复杂、安全风险较大、经济成本高、测试时间长、结果参数单一。

高应变法优点：现场准备较简单、经济成本低、安全风险低、测试时间短效率高，结果参数除了提供承载力外还可以分析判定基桩完整性类别，能够模拟土阻力分布情况。缺点：结果不是直接测量值，而是计算值，Q-S曲线为拟合计算值，不完全客观；数据分析过程需要检测人员专业性强且要有长期的工程经验。