白曉宇, 吳澤坤, 桑松魁, 李飛, 張鵬飛, 蔣水兵, 付林, 包希吉, 王保棟, 王立彬

(1.青島理工大學土木工程學院, 青島 266520; 2.昌大建筑科技有限公司, 濰坊 261000; 3.中建八局第二建設(shè)有限公司,濟南 250014; 4.中鐵建設(shè)集團有限公司, 北京 100040; 5.中建八局發(fā)展建設(shè)有限公司, 青島 266061)

樁基礎(chǔ)是由上部承臺和下部基樁組成并共同承擔上部荷載的一種深基礎(chǔ),其下部基樁穿過軟弱土層,并將上部荷載傳遞到深處承載性能較好的土層上[1]。20世紀50年代末,鉆孔灌注樁在中國城市建設(shè)中首次得到成功運用,而后在全國各地逐漸推廣使用[2]。近年來,隨著中國經(jīng)濟和基礎(chǔ)設(shè)施的快速發(fā)展,高層和超高層建(構(gòu))筑物在城市建設(shè)中大量涌現(xiàn),同時也對基礎(chǔ)和地基提出了更高的要求。尤其是在中國東部沿海和南方地區(qū)存在深厚的軟弱地基,在實際工程中需要進行相應的地基處理對其加固,而灌注樁憑借承載力高、施工機械化程度高、施工工藝成熟等諸多優(yōu)點,成為軟土地區(qū)廣泛采用的一種地基處理方式。灌注樁作為一項隱蔽工程,在地下、水下施工,由于其技術(shù)要求高、施工難度大等特點,施工過程中存在不同程度的問題:人工挖孔樁施工過程中,易發(fā)生混凝土離析、孔壁坍塌、樁底混凝土稀釋等問題。鉆孔灌注樁施工過程中,混凝土澆筑不連續(xù)、鋼筋籠上浮和泥漿相對密度不當導致的擴徑、縮頸以及斷樁等問題頻繁出現(xiàn)[3-5]。在工程建設(shè)中,樁基的質(zhì)量直接影響建筑物結(jié)構(gòu)的強度,確保樁基質(zhì)量是保證建筑物安全使用的重中之重,因此樁基施工質(zhì)量檢測和明確樁基的承載特性對工程安全至關(guān)重要。

灌注樁靜載試驗是衡量灌注樁豎向承載特性最可靠、最直觀的方法。改革開放后,中國經(jīng)濟迅速發(fā)展,促進了巖土工程技術(shù)的進步,靜載測試技術(shù)也迎來了里程碑似的發(fā)展。目前,靜載試驗已經(jīng)是一項方法成熟、測試結(jié)果準確的測試技術(shù)[6]。

隨著應力波理論的完善和發(fā)展,樁基動測技術(shù)迅速發(fā)展[7]。20世紀60年代,外國學者首次在波動方程求解中引入差分的數(shù)值解法[8]。中國動測技術(shù)研究與實踐起源于80年代,對樁的動測技術(shù)進行探索,通過大量試驗研究建立了動力參數(shù)測樁法[9],研發(fā)了中國最早的低應變檢測儀,與此同時提出了共振法動測技術(shù),推動了中國在樁基測試技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展。

鋼筋計、應變片等點式測試技術(shù),這些測試裝置受外界影響較大,安裝過程中存活率難以保證[10]。地質(zhì)條件較簡單的情況下,上述測試方法可滿足測試需求,但針對地層條件復雜的情況,因樁身荷載傳遞規(guī)律的復雜性,常規(guī)傳感器不能夠準確監(jiān)測樁身的受力情況[11]。日本、加拿大等發(fā)達國家相繼對光纖傳感技術(shù)展開了相關(guān)研究工作,并取得顯著成果[12]。Kister等[13]提出了在灌注樁中安裝光纖傳感器的方法,并驗證了該技術(shù)在灌注樁監(jiān)測中的可行性。樸春德等[14]利用管線傳感技術(shù)對鉆孔灌注樁靜載過程中的樁身軸力分布、側(cè)摩阻力分布以及樁端阻力分布問題展開研究,結(jié)果表明:該技術(shù)具有分布式、可長距離檢測、可靠度高、與被測物協(xié)調(diào)性好等優(yōu)點。光纖傳感技術(shù)憑借其小尺寸、高靈敏度、高存活率和不受電磁干擾等優(yōu)點,滿足探究灌注樁承載特性的需要,廣泛應用到土木等領(lǐng)域[15-17]。

隨著施工設(shè)備以及施工工藝的改進灌注樁施工機械化程度逐漸提高,縮短了灌注樁的施工工期,同時也對灌注樁質(zhì)量監(jiān)測工作提出了更高的要求。受地質(zhì)條件和施工水平的影響,不同地區(qū)灌注樁承載特性的變化規(guī)律存在一定差異性[16]。目前,中外灌注樁受力測試技術(shù)正在全面發(fā)展,一方面是對已有的技術(shù)進行改進,另一方面是結(jié)合學科交叉和融合開發(fā)新的測試技術(shù),進一步說明灌注樁測試技術(shù)已進入全新的發(fā)展階段?；诖?從灌注樁各種測試技術(shù)的角度出發(fā),總結(jié)不同測試手段、測試技術(shù)在灌注樁承載特性研究過程中的最新進展,分析和評價灌注樁承載特性研究方法現(xiàn)狀,對現(xiàn)階段測試方法的不足進行梳理,探討灌注樁承載特性及測試方法的未來發(fā)展趨勢和面臨的挑戰(zhàn),以期為灌注樁承載特性研究和測試方法提供新思路與方向。

1 灌注樁完整性測試技術(shù)

灌注樁的承載能力由樁身完整性、樁基承載能力、耐久性決定,所以其監(jiān)測內(nèi)容主要包括樁身完整性檢測和承載特性檢測。在進行承載特性檢測前,應先對灌注樁完整性進行測試,若發(fā)生斷樁、縮頸等造成樁身不完整的問題,則會直接影響樁的承載能力和耐久性。因此,準確對灌注樁缺陷進行測定和評價是灌注樁承載特性測試的前提。目前灌注樁完整性測試方法主要有:低應變法、聲波透射法[18]。

1.1 低應變法

低應變測試技術(shù)的理論基礎(chǔ)是將測試樁視為一維彈性均質(zhì)桿件,檢測時在基樁頂部激發(fā)低能量、低幅度的振動,通過測試樁的振動響應判斷樁身是否存在缺陷,目前該方法是檢測基樁完整性應用最廣泛的方法[19-20],其檢測現(xiàn)場如圖1[20]所示。

低應變檢測時,樁錘在樁頂部激振時產(chǎn)生的縱波、橫波會在樁頂多次反射,干擾試驗結(jié)果,為消除這種干擾,諸學者開展了大量試驗。Chow等[21]研究表明,傳感器與激振點的距離在大于1/2R(R為樁基半徑)時,反射波對測試結(jié)果的影響較小。榮垂強等[22]通過試驗與數(shù)值計算發(fā)現(xiàn),樁身混凝土泊松比對低應變?nèi)S干擾最小點位置有較大影響,幾乎不受樁徑、樁長、樁身混凝土彈性模量、土層剪切波速等因素影響,不同混凝土泊松比的干擾最小點的位置如表1[22]所示。

表1 不同樁身混凝土泊松比對應的干擾最小點位置[22]

王昆偉等[23]對深厚淤泥地區(qū)的基樁低應變檢測問題進行探討,結(jié)果表明:低應變測試的核心在于頻率匹配問題,對超長預應力管樁應使用高應變檢測其樁身完整性,對大直徑灌注樁應使用高應變結(jié)合聲波透射的方法檢測其完整性。丁選明等[24]進行了X型樁足尺的模型試驗,發(fā)現(xiàn)樁頂入射波具有明顯的三維效應,當速度波傳到樁底時三維效應基本消除;隨著測點與樁心距離的增加,入射波峰值先減小后增大。

胡新發(fā)等[25]通過現(xiàn)場試驗得出灌注樁下部缺陷段平均波速cd計算公式[式(1)],并通過實踐驗證式(1)是否能正確反映樁身的實際縱波速度和樁身缺陷的實際位置。

(1)

式(1)中:L為樁長,m;D為樁外徑,m;Δtx為速度波第一峰與缺陷反射波峰間的時間差,ms;ΔT為首波波峰與樁底反射波峰間的時間差,s;cm為樁身完整段的混凝土波速,m/s。

Wu等[26]借助Timoshenko梁理論解析了高承臺完整樁的水平振動特性。趙爽等[27]通過模型試驗和數(shù)值模擬,發(fā)現(xiàn)在樁身近平臺處進行激振和速度采集時,較易識別樁底和樁身缺陷處的反射,驗證了低應變對高承臺樁缺陷研究的可行性。此外,隨著缺陷大小的變化,缺陷處頂、底面的反射波可能產(chǎn)生疊加和分離現(xiàn)象。

低應變測試技術(shù)實現(xiàn)了試樁的無損和高效率檢測,但也存在技術(shù)缺陷。低應變檢測方法的局限[20]在于只能定性的根據(jù)波阻的變化情況來辨認灌注樁的擴徑和縮頸現(xiàn)象,不能定量地分析樁身的缺陷程度和性質(zhì)。對長徑比大于30或樁身存在多個缺陷的試樁,很難獲得準確的反射波信號,檢測結(jié)果的精度很難保證。

1.2 聲波透射法

聲波傳感技術(shù)是將超聲波傳感器預先放置在樁身預先埋設(shè)的探測孔中,通過對不同點的聲速、振幅、波形等參數(shù)的分析,判斷出混凝土缺陷的位置、性質(zhì)、尺寸等。超聲波是一種機械振動波,由于其優(yōu)秀的透射性、反射性等特點,可以保證工程檢測結(jié)果的準確度[28-29]。1929年,蘇聯(lián)首次利用超聲波對金屬材料進行無損檢測[30]。1942年,英國利用回波脈沖技術(shù)成功檢測出鋼管中的缺陷[31]。第二次世界大戰(zhàn)后,超聲波技術(shù)得到迅猛發(fā)展,超聲波技術(shù)被應用于混凝土檢測中[32-33]。中國對超聲波檢測技術(shù)的應用較晚,同濟大學首先開展混凝土超聲檢測并于1964年生產(chǎn)出中國第一臺超聲檢測儀。1983年,河南省交通廳與湖南大學合作首次將超聲波無損檢測應用到灌注樁質(zhì)量檢測中[3]。20世紀初,隨著計算機技術(shù)的不斷發(fā)展,更加智能化的檢測儀器也相繼出現(xiàn),基樁超聲波檢測技術(shù)成為眾多學者的研究焦點。

韓亮[34]針對判斷缺陷方法中常發(fā)生的聲測管不平行和發(fā)射、接受換能器不能保持同一水平高度的問題,提出了相對能量判別法、采用雙深度編碼器使超聲換能器處于同一水平面和三維成像分析技術(shù)等方法,進而提高了測試結(jié)果的準確性。張杰等[35]基于CT(computerized tomography)理論,提出智能化超聲波CT檢測系統(tǒng),將檢測結(jié)果由原來的一維數(shù)據(jù)擴展到二維視圖,更好地反映基樁的缺陷情況,從而有效的指導施工。孟新秋等[36]結(jié)合工程實例,分析了樁身的缺陷范圍,根據(jù)綜合評判的方法,結(jié)合細測、幾何投影等手段,對樁的安全進行了精確的判別。林梁等[37]利用跨孔超聲波法,混凝土灌注前,在樁孔內(nèi)安裝兩根或兩根以上豎直平行的聲測管作為檢測通道,從樁頂?shù)綐抖酥瘘c進行超聲波檢測,根據(jù)測得的聲波信號分析灌注樁的均勻性和缺陷程度。趙陽[38]設(shè)計了一種便攜式超聲波混凝土灌注樁樁基檢測系統(tǒng),采用下位機與上位機分離的設(shè)計方案,該系統(tǒng)的檢測性能穩(wěn)定、操作方便、精度高,在灌注樁樁基檢測中具有廣闊的應用前景。

聲波透射法在對灌注樁的檢測中也存在不足,譬如對基樁測試波速的影響因素分析不全面、聲波測點的波形研究不充分、對聲波透射法判據(jù)的綜合應用研究不深等[39]。

2 灌注樁承載特性測試技術(shù)

在對灌注樁完整性進行測試后,即可對滿足要求的樁進行承載特性測試。目前,確定樁基承載特性常用的方法有靜載試驗法和高應變法。

2.1 靜載試驗法

靜載荷試驗[40]是一種通過現(xiàn)場試驗評價樁基承載特性的傳統(tǒng)方法。主要包括:單樁豎向抗壓靜載試驗、單樁豎向抗拔靜載試驗和單樁水平靜載試驗。靜載試驗一般采用逐級加載的方式,每一級的荷載達到相對穩(wěn)定的狀態(tài)時再施加下一級荷載,直至加載量達到破壞荷載,然后進行分級卸載直至歸零,每級卸載量為加載量的兩倍,試驗過程中記錄樁基在每級荷載作用下的沉降量[41]。靜載荷試驗具有可靠、直接和適應性強的特點,在建筑工程樁基檢測中應用廣泛[42-43]。目前靜載荷試驗方法的加載方式主要有:堆載法、錨樁法及自平衡法。堆載法如圖2[44]所示,由于方法直觀、結(jié)果可靠,在工程中得到廣泛應用。錨樁法如圖3[45]所示,即選用工程樁作為錨樁,錨樁反力裝置通過工程樁提供反力,從而測試在荷載作用下基樁的沉降值,以此確定基樁承載力是否滿足要求[46-47]。

圖3 錨樁法[45]Fig.3 Anchor pile method[45]

自平衡靜載試驗是一種新型樁基承載力檢測方法,在樁尖附近安裝荷載箱,然后將樁側(cè)摩阻力、樁端阻力與在樁尖施加的荷載看作一對平衡力,即可測得樁端承載力和樁側(cè)摩阻力[48]。Fujioka等[49]最早提出利用樁基自身反力平衡的原理測試樁基承載力的方法,限于當時的技術(shù)條件未能應用到實際工程中。1989年,Osterberg[50]經(jīng)過長期探索研究,將基樁靜載試驗方法應用到工程實踐中。戴國亮等[51]將自平衡法運用到橋墩樁基檢測中,目前自平衡試樁法已成為中外發(fā)展較快的靜載荷試驗新方法。

2.2 高應變法

高應變動態(tài)試驗技術(shù)是指在樁頂上進行高強度的撞擊,使樁身和樁周土發(fā)生相對移動,并由安裝于樁頂處的傳感器接收到樁身、樁端的阻抗值變化,因此高應變測試技術(shù)可用來檢測樁基承載力以及分析樁側(cè)、樁端摩阻力[52-54]。目前高應變已成為一種有效的樁基檢測方法。由于高應變檢測與靜載試驗所得樁土相對位移的差異性,致使其測得的單樁承載力一般低于靜載試驗的單樁極限荷載,試驗結(jié)果普遍偏安全[55]。

高應變動力檢測由Smith[56]于1960年提出,以離散質(zhì)量彈簧模型來模擬錘-樁-土的打樁系統(tǒng),并采用差分法求解一維波動方程分析動力打樁過程,為高應變的應用打下堅實基礎(chǔ)。1965年,Case技術(shù)學院的Goble等[57]以波形理論為依據(jù),提出了CASE(computer aided software engineering)法。目前,高應變測試技術(shù)已成為諸學者研究的重點,極大地推動了中國樁基動測技術(shù)的發(fā)展。高炳鑫等[58]通過樁基實測發(fā)現(xiàn),高應變法采用波動方程計算預制樁承載力時,由于某些擬合參數(shù)的取值范圍較大,計算結(jié)果具有多解性。為研究高應變測試中錘重與樁土體系的匹配關(guān)系,陳久照等[59]利用新的數(shù)值計算模型和算法,總結(jié)高應變試樁中各種因素對檢測結(jié)果的影響,明確選擇樁錘時應考慮的因素,驗證了“重錘低擊”原則。涂園等[60]提出的虛土樁模型可為高應變動態(tài)下樁底土體的動態(tài)計算及高應變分析提供參考。曲線擬合法(CAPWAPC)主要應用于預制樁或鋼樁測試的曲線擬合技術(shù),但該技術(shù)對樁身均勻性有較高要求。

綜上所述,不同的樁基測試方法各有優(yōu)缺,且具有不同的檢測目的,具體如表2[1-4]所示,應根據(jù)具體工程情況選用最合適的樁基測試方法。

表2 4種測試方法對比[1-4]

3 灌注樁樁端阻力研究

鉆孔灌注樁由于施工工藝的原因,在樁端會出現(xiàn)一定程度的淤渣、淤泥等,采用后壓漿技術(shù)可以有效地解決這些問題,從而提高樁的承載力。王忠福等[61]利用XP99C振弦式應變計,對樁端經(jīng)后注漿工藝、三叉雙向擠擴工藝、擠擴支盤工藝處理后的大直徑灌注樁進行豎向載荷試驗,經(jīng)后注漿處理后,全部荷載幾乎由樁側(cè)阻力承擔,荷載傳遞表現(xiàn)為摩擦性;三叉雙向擠擴工藝和擠擴支盤工藝試樁樁端阻力占比達到20%～30%,表現(xiàn)為端承摩擦樁的特性。程曄等[62]采用靜載試驗、CT試驗、鉆孔取芯等方法,對同一工況下壓漿前、后進行承載特性分析并分析樁端阻力的變化規(guī)律。由圖4[62]、圖5[62]可以看出,兩組對比試驗中,經(jīng)過樁端壓漿處理后,樁端極限承載力明顯提高,且樁端位移在達到相同樁端阻力時沉降顯著減小。

圖4 蘇通大橋二期試樁 SZ4 壓漿阻力-樁端位移曲線[62]Fig.4 Curves of resistance-displacement of pile tip of pile SZ4 of Sutong Bridge before and after grouting[62]

圖5 蘇通大橋四期試樁 NII-4(未壓漿)和NII-3(后壓漿)樁端阻力-樁端位移曲線[62]Fig.5 Curves of resistance-displacement of pile tip of pile NII-4(non-grouted) and pile NII-3(grouted) of Sutong Bridge[62]

由于黃土地區(qū)特殊的地質(zhì)條件,運用后注漿技術(shù)是鉆孔灌注樁發(fā)展的必然趨勢,Zhou等[63]通過樁基靜載破壞試驗,發(fā)現(xiàn)后注漿技術(shù)提高了樁端土體的強度,減小了荷載作用下樁端的沉降量,樁基承載力較常規(guī)樁提高28.57%。在相同荷載條件下,后注漿樁沉降遠小于常規(guī)樁沉降。馮世進等[64]對黃土地基中超長鉆孔灌注樁的承載性能進行研究,試驗采用精度高、可靠性高的滑動測微儀。研究發(fā)現(xiàn),在樁頂荷載加載初期,荷載主要由樁側(cè)摩阻力承擔,樁端土不承擔荷載。隨著樁頂荷載的增加,樁端阻力逐漸出現(xiàn),但增長速率較慢。在黃土地基中,樁側(cè)阻力與樁端阻力并非同時發(fā)揮,即使在極限荷載下,樁端阻力也非常小,幾乎不發(fā)揮作用,這與Du等[65]研究成果相吻合。筆者認為,進行黃土地區(qū)樁基設(shè)計時,樁側(cè)摩阻力和樁端阻力應采用不同的分項系數(shù)。針對黃土地區(qū)提高樁基承載力及嚴格控制沉降的需求,陳黎等[66]通過模型樁探究旋擴灌注樁的承載特性,發(fā)現(xiàn)當荷載達到一定水平時,旋擴段土壓力、樁端土壓力與樁頂施加荷載呈現(xiàn)穩(wěn)定的百分比關(guān)系。

隨著中國城市化進程的加速,應用于大型建筑、大直徑橋梁、海港碼頭的嵌巖鉆孔灌注樁日益增多[67]。由于嵌巖鉆孔灌注樁損傷試驗成本高、完整破壞試驗難度大,系統(tǒng)完整的靜載試驗實測數(shù)據(jù)較少,制約了大直徑嵌巖鉆孔灌注樁承載力的綜合研究[68-69]。目前,許多學者對大直徑嵌巖鉆孔灌注樁的承載特性和荷載傳遞機理進行了一系列相關(guān)研究。王鵬程等[70]通過錨梁反力裝置分析軟質(zhì)較破碎巖嵌巖樁豎向承載力,試驗發(fā)現(xiàn)加載后上部樁側(cè)土阻力先發(fā)揮,隨著荷載增加,下部巖土層側(cè)阻及端阻逐步發(fā)揮,且是異步發(fā)揮,樁端阻力隨著荷載的增加逐漸發(fā)揮。Xu等[71]基于深圳平安金融中心嵌巖樁基工程,研究了在中風化至微風化巖層中開挖樁孔和澆筑大體積混凝土的方法,探索了深基坑大直徑(8.0 m)嵌巖樁的受力機理。周潔等[72]針對嵌巖樁單樁豎向承載力計算方法進行了系統(tǒng)研究,歸納總結(jié)了不同規(guī)范法、理論法及經(jīng)驗公式法的優(yōu)缺點。泥巖是一種非典型的黏土巖,其透水性差,具有一定的膨脹特性。張亞妹等[73]對青島地區(qū)泥巖地基嵌巖灌注樁進行靜載試驗,試驗中加載至12 960 kN時試樁均為發(fā)生破壞,說明中風化泥巖承載力較高。

在風化程度差異大、局部波動大的地層中,樁基設(shè)計往往會出現(xiàn)樁長不等的問題,因此在實際工程中會采用增大基巖較高處的樁長而非采用長短樁的設(shè)計,很大程度上增加了施工難度和成本[74]。目前還沒有明確的設(shè)計依據(jù),導致設(shè)計方法過于保守,不能充分發(fā)揮巖石地基的承載能力[75]。針對上述情況,白曉宇等[76]對強風化花崗巖地基嵌巖短樁進行靜載試驗,并揭示了嵌巖短樁端阻的荷載分擔比(Qpk/Quk,其中,Qpk為單樁的總極限端阻力標準值,Quk為單樁豎向極限承載力)與樁長徑比(L/d,其中,L為樁長,單位:m,d為樁徑,單位:m)之間的關(guān)系。研究結(jié)果表明:單樁極限端阻力標準值與單樁豎向承載力之比隨樁長與樁徑比的增加呈線性下降趨勢;當樁長徑比介于2～8時,單樁的總極限端阻力標準值與單樁豎向極限承載力比值為77.5%～88.0%,樁的長徑比越小,樁端阻力承擔的荷載越多。當試樁長徑比較小時,由于樁身混凝土的彈性模量大于樁端巖石的彈性模量,樁與樁周土體的相對位移較小,樁側(cè)摩阻力得不到發(fā)揮,表現(xiàn)出端承型樁的特性。

4 灌注樁側(cè)摩阻力及樁身內(nèi)力研究

樁基礎(chǔ)的受力包括樁端支承力和樁側(cè)摩擦力。樁在承受垂直受壓荷載后,會引起樁身的壓縮和向下的刺入變形,樁側(cè)摩阻力以剪應力的形式傳遞至樁周土體,隨著荷載增加,樁端位移增大,使樁側(cè)摩阻力得到充分發(fā)揮[77-78]。

4.1 電阻式測試技術(shù)

鋼筋計可通過測定其內(nèi)部鋼弦自振頻率的變化,得出樁身的軸力分布以及不同深度處的樁側(cè)摩阻力。聶如松等[79]通過對自平衡試樁與常規(guī)試樁的比較,給出了一種等效轉(zhuǎn)換的新方法。首先利用反分析法,用Mindlin解和疊加原理,計算出地基任何一點側(cè)摩擦力的附加應力并根據(jù)式(2)得到β(i,j)與第i級荷載任意截面j實測對稱布置的應變計應變值δ(i,j)的關(guān)系。

qs(i,j)=β(i,j)σz

(2)

式(2)中:β(i,j)為第i荷載下第j段樁段側(cè)摩阻力系數(shù);qs(i,j)為第i級荷載任意一樁端j的平均側(cè)阻力;σz為樁周土附加應力增量。

然后進行正分析過程,根據(jù)β(i,j)-δ(i,j)的關(guān)系曲線得出樁頂荷載Q(i)和樁頂沉降S0(i)表達式為

(3)

(4)

式中:N(i)為第i級荷載;N(i,j)為第i級荷載下任意截面j的實測樁身軸向力;q′s(i,j)為第i荷載下任意樁段j的側(cè)摩阻力;L(j)為第j段樁長;Sdown(i)為下段樁位移;Eg、Eh分別為鋼筋和混凝土的彈性模量;Agj、Ahj分別為第j截面鋼筋與混凝土的截面積。

上述等效轉(zhuǎn)換方法充分利用試驗結(jié)果,在后續(xù)數(shù)據(jù)處理時采用曲線擬合的方法綜合確定樁側(cè)摩阻力和樁土相對位移兩者之間的關(guān)系,從而解決了樁周土體附加應力與樁側(cè)摩阻力在分析過程中需要迭代的問題。劉福天等[80]根據(jù)常州大直徑鉆孔灌注樁的靜載實驗,在每個土層等間距設(shè)置3個振弦式應變計,對其在荷載作用下的側(cè)摩擦力傳遞規(guī)律進行了研究,平均樁側(cè)摩阻力分布如圖6[80]所示。隨著荷載的增加,樁側(cè)摩阻力影響范圍逐漸下移,各土層樁側(cè)摩阻力隨荷載的增加而遞增;上部土層側(cè)摩阻力的增加速率比下部土層快,并且發(fā)現(xiàn)樁側(cè)為相同土時,埋深較深側(cè)摩阻力明顯高于埋深較淺的側(cè)摩阻力,這說明側(cè)摩阻力的分布受到土層深度等因素的影響。

圖6 試樁側(cè)摩阻力分布[80]Fig.6 Distribution of lateral friction resistance of testing piles[80]

對于負摩阻力的研究,目前大多是關(guān)于鋼樁和混凝土預制樁[81]。黃雪峰等[82]結(jié)合寧夏扶貧揚黃灌溉工程,通過在樁身中設(shè)置鋼筋應力計以及滑動測微計,對自重濕陷性黃土場地中挖孔灌注樁進行現(xiàn)場載荷-浸水試驗。通過試驗發(fā)現(xiàn),樁側(cè)負摩阻力隨著浸水時間的增長緩慢增加,隨后增長速率減小,后趨于穩(wěn)定值,樁身的軸力的變化規(guī)律與樁側(cè)負摩阻力變化類似。

凍土地區(qū)的樁基承載性能一直以來受諸多學者的廣泛關(guān)注,王旭等[83]對索南達杰特大橋工程多年凍土地區(qū)大直徑鉆孔灌注樁進行地溫測試和現(xiàn)場靜載試驗,沿樁身對稱布置鋼筋測力計并在樁周土中以及試樁樁壁中設(shè)置地溫孔。圖7[83]、圖8[83]為試樁在荷載作用下的樁身軸力和樁側(cè)摩擦力的分布曲線。從圖7可以看出,樁身上部軸力在加載時變化較大,并隨載荷的增加而增大,但在樁體下部,其軸力的變化較小,表明樁體局部的側(cè)摩阻力很大,而且還沒有充分發(fā)揮出樁體下部的側(cè)摩阻力。

圖7 試樁加載時樁身軸力圖分布曲線[83]Fig.7 Axial force distribution curves of pile body under loading test[83]

P為灌注樁所承受的豎向荷載

杭州地區(qū)對灌注樁承載力的測試大多采用靜載試驗法,徐長節(jié)等[84]對杭州市某工程抗壓試樁采用自平衡法和靜載試驗法進行對比測試,研究發(fā)現(xiàn)自平衡法試樁的應力-應變曲線較平滑,在加載初始階段靜載法試樁應力-應變曲線存在一定差異,但隨著加載值的增大,兩種方法的應力-應變曲線吻合度較高,驗證了自平衡法在灌注樁檢測方面的可行性。

由于黃土地基中長短樁復合群樁基礎(chǔ)應用廣泛,研究側(cè)向荷載作用下樁基承載特性十分必要。迄今為止,黃土地區(qū)側(cè)向荷載作用下樁基承載特性的研究鮮有報道。Ma等[85]設(shè)計了長短樁復合樁基室內(nèi)試驗模型,利用該模型探討了單樁、四樁和九樁在不同水平荷載作用下的豎向承載特性和荷載傳遞機理,并繪制出試樁深度與軸力的關(guān)系圖,如圖9[85]所示。試驗表明,在不同水平荷載作用下,樁身軸力隨水平力的增大而增大,在加載初期,樁頂水平荷載主要由樁與樁頂附近土體之間的摩擦力來承擔,隨著荷載的增大,趨于端承樁。各短樁的軸向應力分布非常相似,在約0.3 m出現(xiàn)峰值,隨著樁長的增加,軸力為零的位置不斷下降,表明樁身軸力沿樁長發(fā)展的能力是不同步的。荷載沿樁身向下傳遞的過程克服了摩阻力,并在向土體傳遞擴散過程中,樁身軸力沿樁深方向減小,作用在樁上的軸力衰減速率不均勻,樁周土體摩擦阻力的增加導致軸向力衰減得更快。

伴隨樁基施工技術(shù)的發(fā)展,豎向荷載作用下樁基承載機理已形成體系,于是諸多學者開始著眼于水平荷載作用下的承載特性,且水平荷載下樁基的設(shè)計計算亦有諸多問題亟待解決。王俊林等[86]為研究水平荷載作用下大直徑人工挖孔擴底灌注樁的工作機理,對某樁基工程進行現(xiàn)場水平靜載試驗,測試元件采用B×120-15AA型電阻應變片。水平力與位移關(guān)系曲線如圖10[86]所示,水平位移隨水平載荷的增大而增大,但在各階段加載下,水平位移的增長幅度很小,并且水平位移和水平荷載之間存在非線性關(guān)系。在不同水平荷載下,樁身的彎矩隨著樁頂水平荷載的增大而增大,其中0～7 m的樁基礎(chǔ)承載力最大,最大彎矩在2倍深處;隨著水平荷載的增加,最大彎矩的位置逐漸下移,這是因為受拉區(qū)混凝土產(chǎn)生裂縫導致樁身剛度降低,鋼筋承擔起一部分荷載,另一部荷載發(fā)生應力重分布。由圖11[86]可知,樁身彎矩在擴大頭與樁身交界處急劇增大,這是因為擴大頭與持力層的接觸面積大,進而承受的彎矩較大,所以擴大頭很大程度地提高樁的水平承載力。不同水平荷載作用下樁身應力分布如圖12[86]所示,樁身壓力與樁身彎矩的分布基本吻合,樁身的應力和應變都隨著荷載的增加而增大,壓應力在樁底處急劇增大,這與樁底的擴大頭有關(guān)。對比試樁實測與數(shù)值模擬得到的結(jié)果如圖13[86]所示,二者在荷載加載初期水平位移相差較大,隨著荷載的增加,兩曲線逐漸吻合且兩曲線的大體發(fā)展趨勢一致,可以說明數(shù)值分析模型是基本正確的。

圖12 不同水平荷載作用下樁身應力[86]Fig.12 Distribution of pile stresses under different loads[86]

圖13 數(shù)值模擬結(jié)果與實驗結(jié)果對比[86]Fig.13 Comparison between test and simulation results[86]

4.2 分布式光纖傳感技術(shù)

在實際工程中,由于傳統(tǒng)的測試元件易遭受外界環(huán)境干擾、易腐蝕等,尋求能適應復雜工程條件的測試技術(shù)迫在眉睫。分光纖傳感器利用光信號作為載體,將傳感光纖植入成型構(gòu)件中,由反射波的波長變化來確定相應物理量的變化,實現(xiàn)了長距離、分布式檢測如圖14[87]、圖15[88]所示。相比傳統(tǒng)測試元件,FBG(fibre bragg grating)傳感器具有抗干擾能力強、精度高等優(yōu)點,并且根據(jù)其本身的特性,能夠檢測到沿光纖布設(shè)節(jié)點處的應力、損傷等信息,從而可以對監(jiān)測目標進行多角度的監(jiān)測。分布式光纖技術(shù)自問世以來,便得到了土木工程界的廣泛關(guān)注[89]。

ΔA為相鄰兩布拉格光柵之間的距離

圖15 光纖埋設(shè)工藝[88]Fig.15 Installation of sensing optical fiber[88]

秦仕偉等[90]開展灌注樁現(xiàn)場靜載試驗,利用光纖傳感器對樁身應變進行測試,探討樁長、樁徑、樁土摩擦系數(shù)對樁的Q(荷載)-S(位移)曲線、樁身軸力及側(cè)摩阻力分布的影響。上海中心大廈采用直徑1 m、埋深88 m的大直徑超長灌注樁,王衛(wèi)東等[91]利用分布式光纖測量試樁樁身應變,將測得的樁身應變值進行換算得出樁身軸力,并根據(jù)樁身軸力沿樁長的變化繪制出樁側(cè)摩阻力曲線,如圖16[91]所示。

從圖16[91]可以看出,在樁頂荷載較小情況下,隨著深度的增加,樁側(cè)摩阻力呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢,曲線最終與坐標軸相交,呈現(xiàn)向右凸起狀。當荷載增大時,樁側(cè)摩阻力峰值越大,曲線向右凸起幅度增加且與坐標軸交點位置不斷下移;隨著荷載持續(xù)增加,摩阻力曲線下部不再與坐標軸相交,表明樁端附近摩阻力逐漸發(fā)揮,樁體上半部分摩阻力發(fā)揮至極限。

目前,FBG傳感技術(shù)大多應用于預制樁測試,在鉆孔灌注樁中應用較少,高魯超等[92]對大直徑灌注樁中FBG傳感器和傳統(tǒng)鋼筋計測試數(shù)據(jù)進行對比,分析其應變及樁側(cè)摩阻力變化規(guī)律。圖17[92]為深度10.70、20.11、29.51 m處灌注樁截面應變值,可以看出,兩種測試傳感器得到的應變曲線走勢一致,但鋼筋計測得的應變數(shù)值均大于FBG傳感器測量數(shù)值且兩者誤差較大。究其原因,傳統(tǒng)鋼筋計受初期混凝土水化熱影響;FBG傳感器中含有高強度光敏性材料,提高了其在復雜環(huán)境下的工作精度。圖18[92]為0～20.11 m區(qū)間樁側(cè)摩阻力與樁土相對位移曲線,可以看出,兩種測試元件所得樁側(cè)摩阻力差異較大。原因認為是傳統(tǒng)鋼筋計在復雜土層、地下水影響下,測量準確性降低,而FBG傳感器憑借其在復雜土層中工作精度高、抗腐蝕性強等優(yōu)點可較準確的測出試樁樁側(cè)摩阻力。

圖17 樁身截面應變對比曲線[92]Fig.17 Pile section strain contrast curve[92]

光頻域反射技術(shù)(optical frequency domain reflection,OFDR)是近年來一種新興的空間分辨率很高的分布式光纖技術(shù),其空間分辨率可達1 mm,應變測試精度為±1×10-6。由于現(xiàn)階段OFDR數(shù)據(jù)采集設(shè)備價格昂貴,主要應用于室內(nèi)模型試驗,鮮有講該技術(shù)應用到實際工程中的案例。OFDR技術(shù)原理圖如圖19[93]所示。

高磊等[93]基于灌注樁樁身變形監(jiān)測現(xiàn)場試驗,探究該技術(shù)在灌注樁樁身監(jiān)測中的可行性,試驗結(jié)果表明如圖20[93]所示,在加卸載階段,試樁樁身軸力與樁頂荷載保持同步增減趨勢;對比加卸載過程曲線(圖20[93]),卸載階段軸力分布曲線相比加載階段波動幅度較大,考慮是加載過程對土體產(chǎn)生擾動所導致;對比相同荷載下加載與卸載時樁身軸力的變化規(guī)律如圖21[93]所示,在卸載狀態(tài)下,樁身的軸向應力比在相同載荷作用下加載狀態(tài)的軸向應力要大,而這一微小的軸力差異在普通點式測量法中很容易被忽視,因此OFDR技術(shù)能夠準確地檢測出樁的變形。

圖20 樁身軸力分布曲線[93]Fig.20 Distribution curves of pile force[93]

圖21 相同荷載下樁身軸力加載與卸載對比[93]Fig.21 Comparison of pile forces under loading and unloading conditions at the same load[93]

隨著光纖技術(shù)的不斷發(fā)展,大量檢測數(shù)據(jù)隨之產(chǎn)生,在進行數(shù)據(jù)分析前,應去除數(shù)據(jù)中摻雜的周期性或不規(guī)則的隨機噪聲[94]。苗鵬勇等[88]針對樁基分布式光纖技術(shù)的特點,提出了一種特征點壓縮算法,能夠在不丟失數(shù)據(jù)特征趨勢的同時對大量的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行平滑降噪處理。對比實測工程數(shù)據(jù)常規(guī)降噪效果,驗證了該方法的可行性,也證明了其在分布式光纖樁基檢測中具有廣闊的應用前景。

5 不足與展望

實際工程中對樁基完整性和承載特性檢測是確保工程安全的重要措施,對現(xiàn)有的測試方法和測試儀器進行改進和開發(fā)能適應復雜工程環(huán)境的測試技術(shù)是目前所面臨的重要難題。在對目前研究現(xiàn)狀梳理和總結(jié)的基礎(chǔ)之上,針對各種技術(shù)亟需解決的關(guān)鍵問題,提出以下幾點建議。

(1)基于各種測試方法的優(yōu)缺點,每一種測試方法在適用范圍、經(jīng)濟等方面都存在一定的局限性,在灌注樁檢測時應按照實際工程地質(zhì)情況,綜合運用各種檢測方法,做到靈活、準確、高效檢測。在對大直徑灌注樁檢測時,應采用低應變法和鉆孔取芯法相結(jié)合;對于一些重大工程或較特殊的樁,建議進行動測試驗與靜載試驗對比分析的方案。

(2)隨著灌注樁承載特性測試技術(shù)的不斷發(fā)展,除了要做到綜合運用各測試手段,還需對相應的理論展開深入研究。目前振動理論中樁-土模型過于簡單化,不能真實反映界面處的樁-土相互作用機理,得到的結(jié)論與實際情況存在偏頗;在動測模型的波動方程中,沒有考慮樁與巖土介質(zhì)間的阻尼效應。在今后的理論研究中可以引入新的模型,如土的(黏)彈塑性模型以及有限元的分析方法。

(3)樁、土以及周圍的環(huán)境是灌注樁檢測的基礎(chǔ),如此復雜的受力體系,其隨機性會對測試的準確性造成影響。理清灌注樁的受力機理,并將先進的數(shù)學算法引入其中,如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法等。在實踐中檢驗其對樁基問題的適應性,為將來解決樁基測試問題提供一種新的研究思路。

(4)灌注樁承載特性測試是一項多學科交叉技術(shù),測試設(shè)備較為復雜且精密,對測試人員的專業(yè)素質(zhì)也有一定要求,正確地操作儀器,對測試數(shù)據(jù)做出精準的判斷和分析,將減少因誤判帶來的不必要損失。

6 結(jié)論

21世紀是地下空間開發(fā)利用的新世紀,對樁基安全性的需求也隨之提高,這對樁基測試技術(shù)也提出了更高的要求。對目前常用的幾種灌注樁完整性、承載特性測試技術(shù)做了詳細的介紹并闡述了其優(yōu)缺點及研究進展。

(1)測試灌注樁樁身完整性方面,低應變法測試簡便,成本低,但準確性差,易受外界干擾,樁身存在多個缺陷時不易接收到缺陷反射信號,對深部的缺陷檢測不靈敏;聲波透射法準確性高,能檢測出缺陷及其位置,不受樁長、樁徑的影響,但需要預埋聲測管、費用較高。

(2)測試灌注樁承載特性方面,靜載試驗法準確度高,但測試周期長,費用高,需要的場地條件高。高應變能較準確的檢測樁基承載力,但設(shè)備價格高并且會對基樁的完整性會造成破壞。

(3)基于電阻式測試技術(shù)、分布式光纖傳感技術(shù),對灌注樁樁端阻力、樁側(cè)摩阻力以及樁身內(nèi)力變化規(guī)律進行歸納總結(jié)。灌注樁樁端后壓漿技術(shù)可有效提高樁基承載力并減小樁端沉降量;樁側(cè)摩阻力分布受土層深度等因素影響;對比分析了灌注樁在加卸載階段樁身變形及軸力分布特征,加載階段樁身應變隨荷載逐級增加,卸載階段隨荷載逐級減小,并且在卸載過程中荷載傳遞存在時間效應。

(4)相較于傳統(tǒng)鋼筋應力計、電阻應變片不防水、易破壞等缺點,分布式光纖傳感技術(shù)更適用于灌注樁服役于復雜的工程環(huán)境。對于研究灌注樁關(guān)鍵部位承載性能的演化規(guī)律,應優(yōu)先考慮采用分布式光纖傳感技術(shù)。