目前, 作为桩基检测方法, 堆载法与锚桩法较为普遍。堆载法存在的主要缺点为桩顶上部堆载物动辄几十吨甚至上百吨, 如此重的堆载物无论从运输到试验都产生相当大的消耗;而锚桩法存在的主要缺点为桩顶必须设置多根锚桩和大体积的反力大梁, 安装不方便且资金花费巨大, 并且检测时间过长, 存在危险性。这两种方法对大吨位的桩进行试验相当困难, 试桩结果存在较大偏差, 桩基的承载力无法合理发挥, 造成不必要浪费。桩基承载力自平衡法克服了两种传统方法的缺点, 操作更加方便, 检测时间缩短, 对于大吨位的桩也可检测, 试桩结果也较为准确, 在近年来得到广泛应用。

本工程位于深圳前海湾人工填海区域, 为无序杂填土, 附近无地表水流, 南侧有几处抛石挤淤形成的积水洼地, 范围约100m², 水深0.50~1.10m, 西侧约600m处为前海湾海水。试桩场地内地层分布情况和物理力学参数如表1所示。

桩顶到地面有22.9m的空桩, 在地面无法采用传统的堆载法和锚桩法测试桩基承载力, 若待到基坑开挖到桩顶标高后再进行桩基承载力测试, 基坑环形内支撑层高2.8m, 在2.8m的空间内采用堆载法堆载重物或采用锚桩法设置反力大梁都极为不便, 故本工程采用适用性更强的自平衡法对桩基承载力进行测试。

本工程场地标高为±0.000m, 该场地试验桩采用旋挖成孔, 桩身采用C40混凝土, 采用桩径分别为1 000mm和1 200mm的抗拔桩进行试验, 各3根。按设计要求采用桩基自平衡法进行试桩, 荷载箱安装位置采用桩端平衡式, 试桩参数如表2所示, 其中L₀为有效桩长, D为桩径, λ为充盈系数。

钢筋笼制作过程中, 在各土层分界面、桩头以及钢筋笼主筋上各安装4个应力计, 共计6个断面。如图1所示, 试桩过程中, 钢筋应力由钢筋计测出, 再通过转换得到桩身轴力。由于桩身轴力、桩身重力和桩侧摩阻力处于力的平衡状态, 因此根据这种平衡可以计算出桩侧摩阻力。荷载箱采用桩端平衡式, 采用焊接与钢筋笼主筋连接在一起, 桩顶位移传感器导线沿套管连接至荷载箱顶端。桩顶的6个位移传感器分别用于测出桩顶位移、荷载箱上位移和荷载箱下位移。

根据JGJ106—2014《建筑基桩检测技术规范》规定, 向上位移量大于前一级荷载位移量的5倍时终止加载, 最终加载值取终止荷载的前一级荷载。对于直径为1 200mm的SZ1, SZ2, SZ3 3根试桩, 初始荷载加载值为1 188k N, 之后荷载加载值以594k N为公差等差数列增加, 当荷载加载值达到6 534k N时终止加载, 最终加载值取5 940k N。对于直径为1 000mm的SZ4, SZ5, SZ6 3根试桩, 初始荷载加载值为1 034k N, 之后荷载加载值以517k N为公差的等差数列增加, 当荷载加载值达到5 687k N时终止加载, 最终加载值5 170k N。6根桩的Q-s曲线如图2所示。

由图2可知, 荷载箱上位移和桩顶位移均为正值, 且荷载箱上位移均大于桩顶位移, 而荷载箱下位移为负值并且数值均大于荷载箱上位移和桩顶位移;在荷载较小的1级荷载下, 荷载箱就出现上位移, 而对于直径1 200mm的SZ3在第2级荷载1 782k N作用下就已经产生桩顶位移, 而SZ1, SZ2 2根桩在第3级荷载2 376k N作用下才开始产生桩顶位移;而对于直径1 000mm的SZ4, SZ5, SZ6则分别在第2级荷载1 551k N、第3级荷载2 068k N、第4级荷载2 585k N作用下才分别产生桩顶位移。说明桩端荷载箱向上的桩身部位正处于压缩变形的状态。出现这种现象的原因是在初始加压过程中, 抗拔桩桩侧土体还处于弹性变形状态。随着荷载箱荷载的持续加载, 桩土之间产生相对位移, 土体由弹性状态变为塑性变形, 并且逐渐由桩下部向桩上端发展, 直到荷载箱加载到一定的荷载, 塑性变形传递至桩顶, 至此桩顶出现位移量。

另外还可以看出, 随着荷载值的逐渐增大, 桩顶位移曲线的斜率逐渐增加。表明荷载加载值越接近终止荷载时, 每级荷载的增大使得桩顶位移增加量逐渐增加, 此时抗拔桩桩周土体塑性变形明显, 当土体发生破坏、位移量增加明显时, 停止加载。由于桩端持力层为中风化花岗岩, 承载力强, 压缩模量高, 所以由图2可知荷载箱下位移曲线较为平缓, 说明桩端沉降较小。

抗拔桩桩身轴力如图3, 4所示。

由图3, 4可知, 桩身轴力传递方向为由上向下, 且随着桩侧土层深度的增大, 曲线斜率逐渐减小, 桩身轴力逐渐增大, 且增大幅度越来越大。这种变化反映了桩侧土体侧摩阻力的变化, 说明在下降相同深度情况下, 深度越大, 桩身轴力增加的幅度越大, 增加的荷载逐渐变为由桩侧摩阻力来承担。对于直径1 000mm和1 200mm的抗拔桩, 荷载值分别加载到5 687k N和6 534k N时终止加载, 最终加载值分别取5 170k N和5 940k N, 此时抗拔桩桩侧摩阻力达到极限值。

抗拔桩桩侧摩阻力如图5, 6所示。

由图5, 6可知, 各层土土质的不同使得桩侧摩阻力变化梯度存在差异, 这种差异在不同桩径抗拔桩之间较为明显。在同种类型的土层中, 随着桩身荷载加载值增大, 桩侧摩阻力也增大, 但是土层不同, 增大速率也不同, 并且作用时间长短也不同。另外, 侧摩阻力在下部土层中发挥作用的时间先于上部土层, 随着加载量的增大, 侧摩阻力在下部土层更快趋于稳定。

对于相同直径的桩所得的各桩侧摩阻力值基本吻合, 对同一直径桩所得各层土对应的桩侧摩阻力取平均值, 得到不同桩径桩侧极限摩阻力曲线如图7所示。由图7可知, 2种不同桩径的抗拔桩极限侧摩阻力在不同土层中的分布趋势较为一致;随着桩径的增大, 极限桩侧摩阻力减小;桩端土层和桩顶土层极限侧摩阻力值很接近, 但桩中土层极限侧摩阻力相差较大。

经验转换法和精确转换法为自平衡法试桩结果转换成传统静载结果的两种方法。将该自平衡法试桩结果采用精确转换法转换成传统试桩结果, 转换后的Q-s曲线如图8所示。

由图8可知, 桩基自平衡法试桩结果转换成传统结果的Q-s曲线比较平滑, 对于不同桩径试桩转换后的Q-s曲线之间存在差异, 对于相同桩径试桩转换后的Q-s曲线相差不大。转换后荷载起始值对于位移的影响较小, 随着荷载值的增大, 曲线斜率逐渐增大, 位移增量也随之增加。说明越接近加载值的极限值, 位移增加的速率越快。

由精确转换法得到准确转换后数据, 再根据经验转换法, 采用最小二乘法对试桩结果进行拟合:

式中:Q^-为自平衡法试桩下段桩的桩侧摩阻力;Q⁺为自平衡法试桩上段桩的桩侧摩阻力;K为转换系数。

对于SZ1, SZ2, SZ3 3根桩通过公式进行反推得到K=1.46, 将K=1.46代入公式, 用SZ4, SZ5, SZ63根试桩结果进行验证, 得出K=1.46, 结果可靠。

1) 在有空桩的情况下测试桩基承载力, 此时堆载法和锚桩法极为不便, 采用自平衡法进行试验, 为试验提供了极大的便利, 并且试桩数据合理可靠, 抗拔桩承载力满足设计要求, 说明自平衡法的适用性更强, 为深圳前海地区桩基检测提供了新的思路。

2) 采用精确转换法和经验转换法将自平衡法试桩结果转换成传统试桩Q-s曲线, 计算得其转换系数K=1.46, 为深圳前海地区桩基检测提供一定的参考。转换后Q-s曲线的趋势与传统试桩方法生成的Q-s曲线趋势大致相同, 更加说明了自平衡法试桩结果的可靠性。

3) 对于深圳前海地区土层, 不同桩径极限侧摩阻力在各个土层中的分布较为一致, 桩径大小对于抗拔桩的桩侧摩阻力值有一定的影响, 在相同土层中, 随着桩径增大, 极限桩侧摩阻力减小。侧摩阻力在靠近桩端土层中发挥作用的时间先于靠近桩顶土层, 随着加载量的增大, 侧摩阻力在下部土层更快趋于稳定。