趙書(shū)全

(青海省建筑建材科學(xué)研究院有限責(zé)任公司，青海省建筑工程質(zhì)量檢測(cè)站， 青海省高原綠色建筑與生態(tài)社區(qū)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，青海 西寧 810008)

基樁靜載試驗(yàn)是在基樁頂部施加向下壓力，觀測(cè)樁頂隨時(shí)間產(chǎn)生的沉降變化，以確定對(duì)應(yīng)基樁的豎向抗壓承載力的試驗(yàn)方法。基樁的承載力檢測(cè)是基樁質(zhì)量檢測(cè)中最重要的內(nèi)容,靜載試驗(yàn)是目前最準(zhǔn)確、最可靠的試驗(yàn)方法。張開(kāi)偉等[1]采用慢速維持荷載法結(jié)合鋼筋計(jì)應(yīng)力測(cè)試技術(shù)對(duì)基樁豎向應(yīng)力變化及樁體變形的試驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行實(shí)際測(cè)試，分析了將基樁樁身摩阻力、軸力、樁身壓縮量、阻力分布及發(fā)揮進(jìn)程等參數(shù)在不同豎向荷載作用下的變化量。張春良等[2]研究表明，基樁樁底出現(xiàn)嚴(yán)重離析或沉渣過(guò)厚缺陷會(huì)產(chǎn)生基樁沉降變形過(guò)大，基樁承載力不足的問(wèn)題，利用高壓注漿法處理基樁樁底，可有效減小基樁沉降量，提高基樁單樁豎向抗壓承載力。王宗文等[3]通過(guò)對(duì)單樁極限承載力的估算值與靜載試驗(yàn)成果對(duì)比,找出二者之間的差異，分析其形成的原因，提出確定單樁極限承載力的綜合分析方法。王軍等[4]結(jié)合實(shí)例采用 ABAQUS 建立樁土相互作用有限元模型，得出在地表堆載作用下樁側(cè)摩阻力和樁身軸力的分布規(guī)律、以及樁頂豎向沉降規(guī)律。但是針對(duì)高原地區(qū)冬季寒冷環(huán)境下樁基靜載試驗(yàn)的影響因素則缺少相應(yīng)的研究與分析。本文通過(guò)對(duì)西寧市湟中區(qū)某建設(shè)項(xiàng)目試驗(yàn)樁受壓變形規(guī)律及外界寒冷環(huán)境因素、施工因素對(duì)樁載試驗(yàn)的研究分析，綜合確定試驗(yàn)樁單樁豎向抗壓承載力，為高原冬季寒冷地區(qū)樁基靜載試驗(yàn)提供經(jīng)驗(yàn)借鑒。

1 試樁靜載試驗(yàn)

1.1 工程概況

在西寧市湟中區(qū)某建設(shè)項(xiàng)目場(chǎng)地西北側(cè)對(duì)試驗(yàn)樁進(jìn)行豎向抗壓承載力試驗(yàn)，項(xiàng)目場(chǎng)地平均海拔2 580 m，屬青藏高原涼溫半干旱地區(qū)，該區(qū)域年平均氣溫3.7 ℃，極端最低氣溫-25.2 ℃，最大凍土深度1.3 m。本次試驗(yàn)選用試驗(yàn)樁Φ600 mm、Φ800 mm的混凝土灌注樁各3根，為機(jī)械成孔混凝土灌注樁，樁端持力層為中等風(fēng)化砂質(zhì)泥巖層。通過(guò)對(duì)Φ600 mm、Φ800 mm各3根混凝土灌注樁進(jìn)行單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)，確定單樁極限承載力。

1.2 試驗(yàn)原理

圖1 基樁靜載試驗(yàn)原理圖Fig.1 Schematic diagram of static load test of foundation pile

試驗(yàn)樁靜載試驗(yàn)選取本場(chǎng)區(qū)地質(zhì)條件具有代表性的位置，采用與工程樁相同的施工方法。通過(guò)對(duì)試驗(yàn)樁進(jìn)行豎向抗壓靜載試驗(yàn)，確定單樁極限承載力值，以判定樁基設(shè)計(jì)參數(shù)的合理性和施工工藝的可行性。單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)[5]是在樁頂部分級(jí)施加豎向壓力，觀測(cè)樁頂部測(cè)點(diǎn)隨時(shí)間變化產(chǎn)生的沉降量來(lái)判定相應(yīng)的單樁豎向抗壓承載力的試驗(yàn)方法。試驗(yàn)原理見(jiàn)圖1。

基樁靜載試驗(yàn)檢測(cè)技術(shù)的原理為依據(jù)荷載反力及Q-S曲線(xiàn)，利用曲線(xiàn)對(duì)作用力進(jìn)行分析，通過(guò)千斤頂、次梁或者其他施重裝置，對(duì)基樁所能承受的最大作用力進(jìn)行檢測(cè)[6]。

1.3 試驗(yàn)準(zhǔn)備及加載

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，灌注樁混凝土抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)等級(jí)為C30，依據(jù)GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[7]的具體規(guī)定，經(jīng)計(jì)算確定，Φ600 mm樁的單樁極限承載力試驗(yàn)加載值為8 500 kN，Φ800 mm樁的單樁極限承載力試驗(yàn)加載值為16 000 kN。試驗(yàn)樁參數(shù)見(jiàn)表1和表2。

表1 Φ600 mm試驗(yàn)樁參數(shù)Tab.1 Parameters of Φ600 mm test pile

表2 Φ800 mm試驗(yàn)樁參數(shù)Tab.2 Parameters of Φ800 mm test pile

本次靜載荷試驗(yàn)采用4臺(tái)500噸的雙回路液壓千斤頂出力，通過(guò)超高壓油泵壓力控制，加載值采用連接于油泵上的油壓傳感器裝置測(cè)定，換算成荷載，通過(guò)無(wú)線(xiàn)靜載儀進(jìn)行加載控制。堆載平臺(tái)采用4根長(zhǎng)8.5 m、高1.2 m的主梁，40根長(zhǎng)12.0 m、寬0.2 m、高0.6 m的H型鋼搭建，由平臺(tái)上堆放的預(yù)制混凝土配重塊來(lái)提供反力。

1.4 試驗(yàn)過(guò)程

試驗(yàn)前對(duì)試驗(yàn)樁樁頭進(jìn)行處理，首先鑿掉混凝土試驗(yàn)樁頂部表層混凝土；然后搭建堆載平臺(tái)及安裝加載裝置，安裝基準(zhǔn)梁，吊裝配重塊，最后進(jìn)行儀器的安裝[8]，加載系統(tǒng)經(jīng)確認(rèn)無(wú)誤后，通電進(jìn)行試驗(yàn)(圖2)，試驗(yàn)過(guò)程如下：

(1)Φ600-1#(1#)試驗(yàn)樁于2018年11月10日加載，分十級(jí)加載，每級(jí)加載量為850 kN，當(dāng)加載至5 100 kN 時(shí)，樁頭碎裂，終止加載 (距樁頂500 mm無(wú)箍筋，且樁頭未采取加強(qiáng)處理)。

(2)Φ600-2#(2#)試驗(yàn)樁于2018年11月17日加載，分十級(jí)加載，每級(jí)加載量為850 kN，當(dāng)加載至5 950 kN 時(shí)，樁頭碎裂，終止加載(距樁頂500 mm無(wú)箍筋，試驗(yàn)前對(duì)樁頭采用3條60 mm寬扁鋼箍緊處理)。

(3)Φ600-3#(3#)試驗(yàn)樁于2018年12月5日加載，分十級(jí)加載，每級(jí)加載量為850 kN，當(dāng)加載至7 650 kN 時(shí)，樁頭碎裂，終止加載(對(duì)樁頭300 mm高范圍采用3 mm厚鋼板制作的鋼箍進(jìn)行圍裹加固處理)。

(4)Φ800-1#(4#)試驗(yàn)樁于2018年12月10日加載，分十級(jí)加載，每級(jí)加載量為1 600 kN，當(dāng)加載至14 400 kN時(shí)，樁頭碎裂，終止加載(試驗(yàn)前，將樁頭破鑿至有箍筋位置，并對(duì)樁頭300 mm高范圍采用3 mm 厚鋼板制作的鋼箍進(jìn)行圍裹加固處理)。

(5)Φ800-2#(5#)試驗(yàn)樁于2018年12月18日加載，分十級(jí)加載，每級(jí)加載量為1 600 kN，當(dāng)加載至16 000 kN時(shí)，樁頭混凝土明顯開(kāi)裂，達(dá)到預(yù)定試驗(yàn)值，正常卸載(試驗(yàn)前，將樁頭破鑿至有箍筋位置，并對(duì)樁頭300 mm高范圍采用3 mm厚鋼板制作的鋼箍進(jìn)行圍裹加固處理)。

(6)Φ800-3#(6#)試驗(yàn)樁于2018年12月24日加載，分十級(jí)加載，每級(jí)加載量為1 600 kN，當(dāng)加載至12 800 kN時(shí)，樁頭混凝土明顯開(kāi)裂，補(bǔ)不上壓，終止加載(試驗(yàn)前，將樁頭破鑿至有箍筋位置，并對(duì)樁頭300 mm高范圍采用3 mm厚鋼板制作的鋼箍進(jìn)行圍裹加固處理)。

圖2 試驗(yàn)完成后樁頭現(xiàn)狀示意Fig.2 Schematic diagram of pile head after completing the test

1.5 承載力判定標(biāo)準(zhǔn)

1.5.1 單樁豎向抗壓極限承載力的確定

(1)以Q-S曲線(xiàn)的變化趨勢(shì)確定。對(duì)出現(xiàn)陡降的Q-S曲線(xiàn)取發(fā)生明顯陡降起點(diǎn)時(shí)的荷載值。

(2)以S-lgt曲線(xiàn)的變化趨勢(shì)確定。對(duì)S-lgt曲線(xiàn)尾部出現(xiàn)顯著彎曲的取上一級(jí)荷載值。

(3)如本級(jí)沉降量是上一級(jí)沉降量的2倍以上，且在24 h內(nèi)不能保持穩(wěn)定，取上一級(jí)荷載值。

(4)以Q-S曲線(xiàn)的變化趨勢(shì)確定。對(duì)呈緩變的Q-S曲線(xiàn)取S=40 mm所對(duì)應(yīng)的荷載值。

(5)對(duì)樁徑D≥800 mm的樁，可以取S=0.05D(D為樁端直徑)所對(duì)應(yīng)的荷載值。

1.5.2 單樁豎向抗壓極限承載力的計(jì)算方法

(1)當(dāng)試驗(yàn)樁檢測(cè)結(jié)果的極差小于等于平均值的30%時(shí)，取其平均值為單樁豎向抗壓極限承載力。

(2)當(dāng)試驗(yàn)樁檢測(cè)結(jié)果的極差大于平均值的30%時(shí)，應(yīng)結(jié)合具體施工情況、地基條件、樁型特點(diǎn)等綜合分析偏差原因，確定極限承載力，必要時(shí)增加試驗(yàn)樁數(shù)量。

2 結(jié)果與分析

2.1 混凝土灌注樁試驗(yàn)結(jié)果

2.1.1Φ600 mm混凝土灌注樁試驗(yàn)

Φ600 mm混凝土灌注樁試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖3-圖5。

(1)1#試驗(yàn)樁最大加載量5 100 kN，最大沉降量25.75 mm。由于試驗(yàn)樁樁頭未進(jìn)行加固處理，樁頭距頂部500 mm范圍內(nèi)未有箍筋，導(dǎo)致樁頭提前出現(xiàn)破壞，如圖3a所示Q-S曲線(xiàn)出現(xiàn)明顯陡降段，試驗(yàn)終止，未達(dá)到試驗(yàn)?zāi)康摹?/p>

(2)2#試驗(yàn)樁最大加載量5 950 kN，最大沉降量29.52 mm。試驗(yàn)樁樁頭出現(xiàn)混凝土碎裂，如圖4a所示Q-S曲線(xiàn)出現(xiàn)明顯陡降段，取發(fā)生明顯陡降起點(diǎn)時(shí)的荷載值5 100 kN為極限承載力。

(3)3#試驗(yàn)樁最大加載量7 650 kN，最大沉降量42.87 mm，試驗(yàn)樁樁頭出現(xiàn)混凝土碎裂，如圖5a所示Q-S曲線(xiàn)出現(xiàn)明顯陡降段，取發(fā)生明顯陡降起點(diǎn)時(shí)的荷載值6 800 kN為極限承載力。

該場(chǎng)地Φ600 mm混凝土灌注樁通過(guò)靜載荷試驗(yàn)，1#樁頭提前出現(xiàn)破壞，試驗(yàn)結(jié)果不能采納；2#試驗(yàn)樁、3#試驗(yàn)樁樁頭采取了包裹鋼板加強(qiáng)處理措施，其試驗(yàn)結(jié)果可以參考采納。將試驗(yàn)樁承載力檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，其數(shù)值極差未超過(guò)平均值的30%，確定將平均值QU=5 950 kN作為該試驗(yàn)樁的豎向抗壓極限承載力。

圖3 1#試驗(yàn)樁靜載試驗(yàn)曲線(xiàn)Fig.3 Curve of static load test of 1# test pile

圖4 2#試驗(yàn)樁靜載試驗(yàn)曲線(xiàn)Fig.4 Curve of static load test of 2# test pile

圖5 3#試驗(yàn)樁靜載試驗(yàn)曲線(xiàn)Fig.5 Curve of static load test of 3# test pile

2.1.2Φ800 mm混凝土灌注樁試驗(yàn)

Φ800 mm混凝土灌注樁試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖6-圖8。

(1)4#試驗(yàn)樁最大加載量14 400 kN，最大沉降量48.04 mm。試驗(yàn)樁樁頭混凝土被壓碎，如圖6b所示S-lgt曲線(xiàn)尾部出現(xiàn)顯著向下彎曲，故極限承載力為11 200 kN。

(2)5#試驗(yàn)樁最大加載量16 000 kN，最大沉降量28.55 mm。試驗(yàn)樁樁頭混凝土雖出現(xiàn)明顯開(kāi)裂，但如圖7a所示Q-S曲線(xiàn)未出現(xiàn)明顯陡降，樁的極限承載力應(yīng)為16 000 kN。

(3)6#試驗(yàn)樁最大加載量12 800 kN，最大沉降量43.04 mm，試驗(yàn)樁樁頭混凝土出現(xiàn)明顯開(kāi)裂，如圖8b 所示S-lgt曲線(xiàn)尾部顯著向下彎曲，故極限承載力為11 200 kN。

該場(chǎng)地Φ800 mm混凝土灌注樁通過(guò)靜載荷試驗(yàn)，4#、5#、6#試驗(yàn)樁樁頭采取了包裹鋼板加強(qiáng)處理措施，將試樁承載力檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，其數(shù)值極差未超過(guò)平均值的30%，確定將平均值QU=12 800 kN 作為該類(lèi)型樁的豎向抗壓極限承載力。

圖6 4#試驗(yàn)樁靜載試驗(yàn)曲線(xiàn)Fig.6 Curve of static load test of 4# test pile

圖7 5#試驗(yàn)樁靜載試驗(yàn)曲線(xiàn)Fig.7 Curve of static load test of 5# test pile

圖8 6#試驗(yàn)樁靜載試驗(yàn)曲線(xiàn)Fig.8 Curve of static load test of 6# test pile

在此次試驗(yàn)樁靜載試驗(yàn)中，兩種規(guī)格的樁頭都不同程度地出現(xiàn)了開(kāi)裂現(xiàn)象，通過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)及現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查分析，造成此次試驗(yàn)樁頭碎裂的原因有以下3點(diǎn)：① 由于基樁是在冬季澆筑施工，樁頭未做保溫，樁頭混凝土強(qiáng)度在低溫條件下增長(zhǎng)緩慢，強(qiáng)度尚未完全達(dá)到設(shè)計(jì)要求；② 施工單位成樁過(guò)程中樁頭部位箍筋缺失；③ 由于現(xiàn)場(chǎng)施工單位已撤場(chǎng)，樁頭未做有效加固處理。

3 討論與結(jié)論

高原寒冷地區(qū)由于受溫度影響，正常工程建設(shè)時(shí)間有限，為保證按期完成項(xiàng)目，基樁靜載試驗(yàn)有時(shí)會(huì)在0 ℃到-25 ℃條件下進(jìn)行，對(duì)試驗(yàn)的準(zhǔn)確性和可靠性帶來(lái)了極大挑戰(zhàn)。本文對(duì)高原冬季寒冷地區(qū)灌注樁極限承載力試驗(yàn)檢測(cè)存在的問(wèn)題進(jìn)行了研究，由于冬季施工的不利影響，易造成試驗(yàn)樁樁頭出現(xiàn)問(wèn)題，影響靜載試驗(yàn)結(jié)果。為了更加真實(shí)和準(zhǔn)確反映基樁受力狀態(tài)和承載力結(jié)果，需要施工單位在樁基冬季施工中采取以下處理方式：

(1)試驗(yàn)樁頭部位進(jìn)行加固處理，在距樁頂 1 倍樁徑范圍內(nèi)，采用厚度為 3～5 mm的鋼板圍裹或距樁頂 1.5 倍樁徑范圍內(nèi)設(shè)置箍筋，間距≤100 mm。樁頂應(yīng)設(shè)置Φ8 mm鋼筋網(wǎng)片2～3層，間距60～100 mm。樁身主筋頂部距離混凝土表面不小于100 mm。

(2)試驗(yàn)樁未提前進(jìn)行加固處理的，則需鑿除樁頭軟弱混凝土，澆筑制作滿(mǎn)足試驗(yàn)要求的樁帽。樁帽高度宜為800～1 000 mm，樁帽截面呈正方形或圓形，邊長(zhǎng)或直徑應(yīng)大于等于樁徑，樁身主筋應(yīng)伸入樁帽內(nèi)，并距離混凝土上表面100 mm，樁帽頂部應(yīng)設(shè)置2～3層鋼筋網(wǎng)片。

(3)采取必要的保溫措施，保證樁頭混凝土強(qiáng)度滿(mǎn)足試驗(yàn)要求：措施一，搭設(shè)暖棚對(duì)樁頭進(jìn)行養(yǎng)護(hù)；措施二，將樁頭包裹電熱毯通電進(jìn)行加溫，保持適宜的溫度養(yǎng)護(hù)，有利于混凝土強(qiáng)度的提高。

(4)由于冬季混凝土強(qiáng)度增長(zhǎng)緩慢，為滿(mǎn)足試驗(yàn)條件，試驗(yàn)樁樁頭混凝土強(qiáng)度等級(jí)需比樁身混凝土提高 1～2 級(jí)，且不得低于 C30，并可加入早強(qiáng)劑，縮短養(yǎng)護(hù)周期。

(5)對(duì)于大噸位超長(zhǎng)樁可以采用自平衡法[9]基樁檢測(cè)技術(shù)，能避免樁頭強(qiáng)度不足的問(wèn)題。

需要注意的是，在進(jìn)行基樁靜載試驗(yàn)前應(yīng)先通過(guò)低應(yīng)變、基樁超聲透射法等檢測(cè)方法對(duì)樁身質(zhì)量進(jìn)行樁身完整性檢測(cè)[10]，排除樁身自身缺陷造成的承載力影響。

寒冷冬季樁體周?chē)馏w淺層也會(huì)出現(xiàn)局部?jī)鼋Y(jié)情況，結(jié)合實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于大噸位基樁淺層凍土影響可以忽略不計(jì)。寒冷天氣環(huán)境下基樁靜載檢測(cè)存在的問(wèn)題是多變且特殊的，需要我們對(duì)實(shí)際出現(xiàn)的問(wèn)題采取有效的手段加以解決，確保樁基工程的順利進(jìn)行[11]。本研究得到了一些經(jīng)驗(yàn)做法，對(duì)高原冬季寒冷地區(qū)樁基試驗(yàn)具有一定的參考作用。關(guān)于其他影響因素，還需進(jìn)一步在實(shí)踐中研究解決。