靜載試驗(yàn)的樁底加載法

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前言

    隨著高層建筑的興建，靜載試驗(yàn)所測(cè)承載力噸位也越來(lái)越大。然而試驗(yàn)的反力裝置仍停留在堆載和錨樁傳統(tǒng)方式。堆載和錨樁法費(fèi)時(shí)費(fèi)力，成本高。現(xiàn)在的高層建筑，一般都有地下室，其樁的有效長(zhǎng)度應(yīng)從最底層地下室的底板算起，受施工時(shí)間條件所限傳統(tǒng)的靜載方法無(wú)法測(cè)得其有效樁長(zhǎng)的實(shí)際承載力。近年來(lái)盡管有各種動(dòng)測(cè)方法，也需大量的動(dòng)靜資料對(duì)比才能提高其精度。

    美國(guó)西北大學(xué)Jorj Osterberg教授研究成功的、近年來(lái)在美國(guó)廣泛應(yīng)用的一種靜載荷試樁新技術(shù)——樁底加載法。它最大特點(diǎn)是樁底加載，并能直接測(cè)得樁側(cè)阻力和樁端阻力，且試驗(yàn)裝置簡(jiǎn)單，不需錨樁及反力架，不占用施工場(chǎng)地，費(fèi)用低(可比傳統(tǒng)方法節(jié)約25%～75%)。近幾年，美國(guó)已在全國(guó)各地做了數(shù)百例這種樁底加載法試驗(yàn)。最大噸位已達(dá)30MN。

    1、樁底加載法的試驗(yàn)裝置與工作機(jī)理

樁底加載法的裝置主要由一個(gè)特制的液壓千斤頂式荷載箱。荷載箱可根據(jù)不同的試驗(yàn)樁型對(duì)其進(jìn)行特別設(shè)計(jì)和制作。打入樁將荷載箱隨樁打入樁底，灌注樁則將其與鋼筋籠焊接后沉入樁孔。因此，荷載箱屬于一次性投入器件。

圖 1　鋼管打入樁的試驗(yàn)裝置

1—荷載箱活塞　2—荷載箱頂蓋 　　3—荷載箱箱壁　4—輸壓豎管　5—芯棒

圖 2　鋼管樁頂部裝置

5—芯棒　6—密封圈　11—輸壓橫管　12—壓力表；　13、14、15—千分表　16—基準(zhǔn)梁

圖 3　荷載箱被推開(kāi)

　　荷載箱主要由活塞(1)、頂蓋(2)、箱壁(3)等三部分組成，并有輸壓管(4)、芯棒(5)(見(jiàn)圖1～圖3)伸出樁頂。安置在樁頂?shù)那Х直碛糜谟^察活塞向下的位移及頂蓋向上的位移。試驗(yàn)時(shí)，輸壓管對(duì)樁底荷載箱內(nèi)腔進(jìn)行加壓，活塞的頂蓋被慢慢推開(kāi)，此時(shí)向下的樁側(cè)阻力和向上的樁端阻力發(fā)揮作用，互為反力，直至兩者之一發(fā)生破壞。測(cè)得的荷載與位移關(guān)系可同時(shí)畫出“樁側(cè)阻力與位移關(guān)系圖”和“樁端阻力與位移關(guān)系圖”(由于樁身自重在樁底加載法中與樁側(cè)阻力方向一致，故計(jì)算樁側(cè)阻力時(shí)，應(yīng)予以扣除)。　　樁底加載法是根據(jù)所測(cè)的向下樁側(cè)阻力與向上樁端阻力迭加而確定單樁承載力的。試驗(yàn)時(shí)，荷載箱內(nèi)腔向上的壓力必等于向下的壓力，與傳統(tǒng)試樁法相比，它所得破壞荷載(包括樁身自重)至少是樁底加載法所測(cè)得破壞荷載的2倍。因此若以樁底加載法產(chǎn)生的破壞荷載作為樁的工作荷載，則樁至少具有大于2的抗壓安全系數(shù)。

　　值得指出的是，當(dāng)樁端阻力不足以抗衡樁側(cè)阻力時(shí)，應(yīng)在樁頂增設(shè)荷重或設(shè)置地錨以彌補(bǔ)樁側(cè)阻力之不足。另一種方法是借助擴(kuò)大樁端受力面積。

    2、樁底加載試驗(yàn)實(shí)例及成果

　　美國(guó)新澤西州愛(ài)迪生市Menlo公園購(gòu)物中心基樁地質(zhì)剖面見(jiàn)圖4(a)。覆蓋層厚5m，其下為棕紅色中至強(qiáng)風(fēng)化頁(yè)巖，有裂隙。試樁目的是測(cè)定該巖層的樁端阻力和嵌巖段的樁側(cè)阻力或嵌固力。

圖 4　Menlo購(gòu)物中心試樁剖面與試驗(yàn)成果

(a)試樁剖面　　　　(b)荷載—位移曲線

　　樁的施工，先在覆蓋層鉆進(jìn)?φ1.22m孔，深約5m，至巖層；在孔內(nèi)放護(hù)筒，向巖層鉆進(jìn)?φ910mm孔，深2m，清底后放入荷載箱；在箱頂灌混凝土1.8m；又在覆蓋層的護(hù)筒內(nèi)放入?φ1.06m波紋管。波紋管與護(hù)筒完全脫開(kāi)。波紋管內(nèi)灌混凝土。

　　試樁曲線見(jiàn)圖4(b)。當(dāng)樁身嵌巖段混凝土與頁(yè)巖之間的嵌固力破壞時(shí)，向上的荷載為2 100kN，樁端破壞荷載為2 400kN，故該樁的總承載力為4 500kN。計(jì)算中對(duì)荷載箱上的混凝土自重160kN已作了修正。

    3、樁底加載法與樁頂加載法成果對(duì)比

　　曾用樁底加載法與傳統(tǒng)的樁頂加載法在同一根試樁上作了對(duì)比試驗(yàn)。

　　試樁的地質(zhì)資料及樁位置見(jiàn)圖5a，樁底加載法測(cè)得的荷載位移圖見(jiàn)圖5b

　　兩種方法的比較結(jié)果見(jiàn)圖6a、6b。僅需說(shuō)明，在圖6a樁頂荷載——樁頂位移曲線中，黑點(diǎn)是采用傳統(tǒng)的樁頂加載法直接測(cè)得的結(jié)果，而細(xì)曲線則是采用樁底加載法將樁側(cè)阻力與樁端阻力相應(yīng)的位移——迭加而得結(jié)果。在圖6b樁端荷載——樁端位移曲線中，實(shí)心黑點(diǎn)及其所連成的虛線曲線是采用傳統(tǒng)的樁頂加載法，根據(jù)樁身實(shí)測(cè)應(yīng)變推算而得的結(jié)果，空心圓圈及其所連成的曲線是用樁底加載法直接測(cè)得的結(jié)果，可見(jiàn)兩種測(cè)試結(jié)果非常接近。

圖 5　試樁地質(zhì)資料及樁位置圖

a.地質(zhì)剖面　　b.荷載位移曲線

圖 6　樁底加載與傳統(tǒng)靜載試樁法對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果

(a)樁頂荷載－－樁頂位移曲線　(b)樁端荷載－－樁端位移曲線

將側(cè)阻與端阻迭加而得　　　根據(jù)樁身實(shí)測(cè)應(yīng)變推算而得

    4、結(jié)論

　　采用樁底加載法進(jìn)行試樁，可縮短工期，節(jié)省大量人力、物力。試驗(yàn)可采用快速法，也可采用慢速維持荷載法。特別適合在水上試樁、坡地試樁、基坑底試樁、狹窄場(chǎng)地試樁。在打入情況，也可利用一根樁打至不同深度，逐一進(jìn)行試驗(yàn)，從而選擇樁的最佳長(zhǎng)度。目前較多是用于測(cè)定嵌巖樁的嵌固力，這是傳統(tǒng)方法難以做到的。樁底加載法如能及早采用，實(shí)為我國(guó)建筑業(yè)中的一項(xiàng)飛躍。