塊碎巖地基的基樁承載力現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試研究

張定忠，杜清超，林亮倫

(1.重慶市軌道交通(集團(tuán))有限公司，重慶 400016；2.重慶市建筑科學(xué)研究院，重慶400042)

塊碎巖地基指結(jié)構(gòu)體為塊狀或碎石狀的似層狀巖質(zhì)地基，主要指巫山、奉節(jié)、云陽(yáng)一帶的巖質(zhì)地基[1]。云陽(yáng)及以下奉節(jié)、巫山地區(qū)巖石多由泥頁(yè)巖或灰?guī)r、砂巖、泥灰?guī)r互層組成，巖石受構(gòu)造強(qiáng)烈作用，節(jié)理裂隙發(fā)育、巖體破碎。鉆探巖芯多呈粉砂、碎塊狀，少量短柱。對(duì)于這種塊碎巖地基，由于巖體破碎，現(xiàn)場(chǎng)一般不能取得試驗(yàn)所需巖石芯樣，無(wú)法確定的巖石的單軸抗壓強(qiáng)度和地基承載力。塊碎巖地基的基樁承載力，需要通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)單樁靜載試驗(yàn)確定。常見(jiàn)的單樁靜載試驗(yàn)方法有堆載法、錨樁法和自平衡法等。相較于其他方法，自平衡法具有無(wú)需額外反力裝置、測(cè)試時(shí)間短、加載噸位不受限制、場(chǎng)地適應(yīng)性高、安全性好等優(yōu)勢(shì)。

1969年，日本的中山先生最先提出將自平衡法運(yùn)用于基樁靜載試驗(yàn)的思路[2]。1995年，李廣信教授將自平衡法介紹到國(guó)內(nèi)，并認(rèn)為該方法測(cè)定的側(cè)阻力偏于安全[3]。由東南大學(xué)龔維明團(tuán)隊(duì)于1996年開(kāi)始實(shí)用性工程應(yīng)用，并進(jìn)一步完善荷載箱放置位置和向傳統(tǒng)靜載結(jié)果轉(zhuǎn)換等關(guān)鍵技術(shù)，形成一套完善的測(cè)試系統(tǒng)[4]。2017年，住建部發(fā)布JGJ/T403-2017《建筑基樁自平衡靜載試驗(yàn)技術(shù)規(guī)程》[5]。

本文依托巫山某建筑工程，開(kāi)展三根試驗(yàn)樁承載力自平衡法檢測(cè)。試驗(yàn)樁樁端持力層為泥灰?guī)r，研究試驗(yàn)樁的基樁承載力，為該工程的工程樁設(shè)計(jì)提供依據(jù)，可供三峽地區(qū)類(lèi)似工程積累工程經(jīng)驗(yàn)。

1 項(xiàng)目概況

1.1 工程概況

項(xiàng)目工程擬建場(chǎng)地位于重慶市巫山縣，屬構(gòu)造剝蝕淺切割丘陵地貌。擬建物主要為1棟住宅(7+1F/-2F)、1棟幼兒園(2F/吊1F)、3棟商業(yè)(2F/吊1F、2F/吊1F、吊3F)及地下車(chē)庫(kù)(-2F)，擬建場(chǎng)地建筑物安全等級(jí)為一級(jí)、二級(jí)。建筑基礎(chǔ)采用樁基礎(chǔ)，基礎(chǔ)持力層為中風(fēng)化泥灰?guī)r。

為研究樁基設(shè)計(jì)的合理性和樁基豎向承載力的可靠性，現(xiàn)場(chǎng)對(duì)3根試驗(yàn)樁進(jìn)行靜載測(cè)試。試驗(yàn)樁采用工程原位樁，各試驗(yàn)樁參數(shù)見(jiàn)表1。

1.2 工程地質(zhì)條件

示范區(qū)內(nèi)地層有第四系人工填筑土(Q4ml)、殘坡積粉質(zhì)黏土(Q4el+dl)，下伏三疊系中統(tǒng)巴東組(T2b)泥巖、泥灰?guī)r。

表1 試驗(yàn)樁參數(shù)

泥灰?guī)r塊碎巖的天然單軸抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為5.85 MPa，地基承載力特征值fak=1931 kPa；泥灰?guī)r的極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值取140 kPa(表2)。

表2 巖土工程參數(shù)建議值

2 試驗(yàn)方法概述

2.1 基本原理

根據(jù)地址勘察報(bào)告對(duì)基樁側(cè)摩阻力和端阻力大致平衡的位置進(jìn)行估算。將自平衡試驗(yàn)荷載箱放置于平衡位置處，并與基樁鋼筋籠進(jìn)行焊接連接。將荷載箱的高壓油管和位移棒一起引到地面后澆筑樁身混凝土。混凝土達(dá)到齡期后，由高壓油泵向荷載箱充油而加載。荷載箱通過(guò)厚鋼板將力傳遞到樁身，無(wú)內(nèi)力集中現(xiàn)象；其上部樁身的摩擦力與下部樁身的摩擦力及端阻力相平衡來(lái)維持加載。根據(jù)向上、向下荷載-位移曲線(xiàn)判斷基樁承載力(圖1、圖2)。

圖1 自平衡試驗(yàn)原理

2.2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

儀器設(shè)備包括：荷載箱、高壓油泵、油壓傳感器、位移傳感器、數(shù)據(jù)采集儀等。每根基樁架設(shè)4個(gè)位移傳感器，2個(gè)測(cè)量向上的位移，2個(gè)測(cè)量向下的位移，測(cè)試精度為0.01 mm。

圖2 自平衡荷載箱安裝

根據(jù)JGJ 106-2014《建筑基樁檢測(cè)技術(shù)規(guī)范》，本次分9級(jí)進(jìn)行加載。每級(jí)加載量依次為最大加載至的20 %、30 %、40 %、50 %、60 %、70 %、80 %、90 %、100 %。每級(jí)荷載施加后，第5 min、15 min、30 min、45 min、60 min測(cè)讀基樁向上、向下的位移量，之后每30 min測(cè)讀一次。卸載按照4級(jí)進(jìn)行，每級(jí)卸載量依次為最大加載量的80 %、60 %、40 %、0。每級(jí)荷載維持l h，按第15 min、30 min、60 min 測(cè)讀樁頂沉降量后，即可卸下一級(jí)荷載。卸載至零后，應(yīng)測(cè)讀樁頂殘余沉降量，維持時(shí)間為3 h，測(cè)讀時(shí)間為第15 min、30 min，以后每隔30 min測(cè)讀一次。加載方式采用慢速維持荷載法。

本次試驗(yàn)每級(jí)加載或卸載的穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)：每1 h內(nèi)樁的位移量不超過(guò)0.1 mm，并連續(xù)出現(xiàn)兩次。

達(dá)到下列條件之一，即終止加載：

(1)當(dāng)某級(jí)荷載作用下，后一級(jí)荷載作用下的位移量為前一級(jí)荷載作用下位移量的5倍。

(2)某級(jí)荷載作用下，樁的位移量大于前一級(jí)荷載作用下位移量的2倍，且經(jīng)24 h尚未達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定。

(3)已達(dá)到荷載箱的最大加載量。

(4)樁身向上的位移已經(jīng)大于等于20 mm。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 荷載-沉降特性分析

通過(guò)SZ1#、SZ2#、SZ3#三根基樁的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，得出基樁靜載實(shí)驗(yàn)的荷載-沉降(Q-S)曲線(xiàn)(見(jiàn)圖3)。

(a) SZ1#樁

(b) SZ2#樁

(c) SZ3#樁圖3 基樁靜載試驗(yàn)Q-s曲線(xiàn)

單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算如下：

Qu=(Qu1-W)/r+Qu2

式中：Qu1為基樁上段的極限承載力；Qu2為基樁下段的極限承載力；W為荷載箱以上部分基樁的自重；本次試驗(yàn)持力層為中風(fēng)化泥灰?guī)r，系數(shù)r取1.0。

表3 基樁承載力特征值計(jì)算結(jié)果 kN

上述試驗(yàn)結(jié)果表明，以上3根樁的承載力滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

3.2 樁側(cè)摩阻力特性分析

基樁施工過(guò)程中，在樁身不同部位取標(biāo)準(zhǔn)試件，待混凝土試件齡期足夠后，在壓力試驗(yàn)機(jī)上對(duì)試件進(jìn)行彈性模量的測(cè)試，以試件彈性模量測(cè)試結(jié)果作為樁身混凝土的應(yīng)力計(jì)算依據(jù)。

樁身軸力計(jì)算公式如下：

式中：Qi為截面處軸力kN，εh為混凝土的應(yīng)變，σg為主筋的應(yīng)力，Eg、Eh為主筋、樁身混凝土彈性模量kPa，Ag、Ah為主筋、樁身混凝土截面積m2。

平均樁側(cè)摩阻力可按下式計(jì)算

式中：Qi為第i截面軸力kN，li為第i層樁身長(zhǎng)度m。

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果為：中風(fēng)化泥灰?guī)r區(qū)段，3根樁的平均樁側(cè)摩阻力計(jì)算值分別為167 kPa、156 kPa、141 kPa。故本次試驗(yàn)得出中風(fēng)化泥灰?guī)r的樁側(cè)摩阻力為154.7 kPa。

4 結(jié)論

本次試驗(yàn)樁的靜載荷試驗(yàn)結(jié)果表明：

(1)本次試驗(yàn)的3根基樁的極限承載力實(shí)驗(yàn)值大于設(shè)計(jì)值，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

(2)本次試驗(yàn)的中風(fēng)化泥灰?guī)r的樁側(cè)摩阻力為154.7 kPa。側(cè)摩阻力實(shí)測(cè)值大于地勘經(jīng)驗(yàn)值，經(jīng)驗(yàn)值偏于安全。