基桩静载试验及其相关问题的讨论

基桩静载试验及其相关问题的讨论基桩静载试验及其相关问题的讨论摘要基桩静载试验对于岩土工作者来说并不陌生，但试验过程中存在的众多实际问题大家未必了解，为此作者根据自己多年的亲身体会和经验，结合现行规范标准，对载荷试验相关的热点问题进行了分析讨论，以企引起大家的关注。关键词基桩静载试验相关问题讨论一、引言在土木建筑工程中，桩基础作为深基础（还有沉井、地下连续墙等）的一种，其应用历史最长也最广。桩基础简称桩基，由承台和埋在土中的桩组成。桩基础可由单根桩构成，称作单桩基础，多数情况下桩基础形式为多桩组成的群桩基础。桩实质上是埋置于土中的受力杆件，一般用来承受轴向（竖向）压力或上拔力，有时可用来承受水平力，或承受竖向、水平力的综合作用，因此桩的承载力试验也分为抗压承载力试验、抗拔承载力试验、水平承载力试验等。本文重点分析工程上最常见的基桩竖向抗压静载试验，并对试验中的相关问题进行讨论。二、桩的承载性状分类谈到桩的载荷试验，不能不了解桩的承载性状，为此按桩的承载性状进行如下分类：1、摩擦型桩：桩顶竖向荷载全部或主要由侧阻力承担的桩。根据桩侧阻力分担荷载的大小，摩擦型桩可分为摩擦桩和端承摩擦桩两类。摩擦桩：桩顶竖向荷载几乎全部由桩侧阻力承担，桩端轴力相比之下可以忽略。常见的该承载类型的桩有：深厚软土层中的桩（桩端无较硬持力层）；桩的长径比很大（例如L/d＞50）的桩；桩底沉淀较厚的桩（即使桩端持力层坚硬）等。端承摩擦桩：桩顶竖向荷载大部分由桩侧阻力承受，小部分由桩端阻力承担的桩。这种类型的桩实际工程较常见。例如当桩的长径比不很大，桩端持力层为硬的粘性土或砂类土，这时，桩除侧阻力外还有一定的端阻力。2、端承型桩：桩顶竖向荷载全部或主要由桩端阻力承担的桩。根据桩端阻力发挥的程度和分担荷载的比例，端承型桩可分为端承桩和摩擦端承桩两类。端承桩：桩顶竖向荷载由桩端阻力承担的桩。北方（如石家庄地区）常见的长径比较小（小于10）的扩底灌注桩即属于该类型；另外桩底嵌入基岩的短桩也属于典型的端承桩。摩擦端承桩：桩顶竖向荷载主要由桩端阻力承担，小部分由桩侧阻力承担的桩。例如长径比并不是很小的扩底灌注桩即属于此类型。三、桩的竖向承载力的确定方法桩基承载力取决于桩周土对桩的支撑力和桩身结构承载力。这里涉及到两个概念，即桩的竖向承载力特征值和单桩竖向极限承载力。桩的竖向承载力特征值是新规范的概念，对于建筑地基来说承载力特征值由载荷试验曲线形态和允许变形综合确定（因素1：曲线的线性段，因素2:允许变形），而对于桩则取决于桩的竖向极限承载力（见地基基础设计规范GB50007-2002的第138页）。显然要确定桩的竖向承载力特征值，桩的竖向载荷试验应确保加载量达到或超过桩的竖向极限承载力（用于工程桩的验证性试验则可灵活掌握）。桩的竖向承载力特征值的确定方法，在新地基基础设计规范的8.5.5中有规定，大体上分为三种：直接试验法（原型桩载荷试验）、间接试验法（触探法、标贯法、岩基或深层载荷试验等）、经验计算法。显然三种方法能够直接得到桩的荷载和变形特征的是直接试验法，其它方法尽管能间接判定桩的承载力，但桩的实际变形特征并不能直接得到。实际工程中应该重视这一问题。讨论问题1：深层载荷试验能否完全取代桩的载荷试验？讨论：尽管规范上明确表示对持力层较密实、单桩承载力很高的大直径端承型桩，可采用深层平板载荷试验确定桩端土的承载力特征值，但是桩的承载力并不仅仅取决于桩周地层，桩的施工工艺也是决定桩的承载力的至关重要的一个因素（例如钻孔灌注桩，桩底沉淀是影响桩承载力的重要因素之一），如果仅仅通过判定桩端土的承载力就简单地得出桩的承载力结果，显然要冒一定的风险。另外，对于沉降敏感的建筑物，桩的沉降和沉降差也是判定桩的承载力能否满足要求的重要因素，不通过直接试验法，如何对桩的沉降和沉降差得出明确结论呢？讨论问题2：桩的竖向载荷试验其加载量要否考虑桩身强度因素？讨论：桩的极限承载力的出现分两种情况，一种是桩周土的破坏（包括大的变形），另一种是桩身的破坏。能否仅仅根据桩的载荷试验得到的极限承载力直接确定桩的承载力特征值，是值得商榷的，原因是某些桩的实际桩身强度可能远大于设计强度，对于采用实际强度确定承载力的情况可能造成桩的承载力被夸大而丧失代表性。因此，桩的竖向载荷试验其加载量（尤其在试桩阶段）不应超过桩的设计强度决定的极限承载力，如果桩的极限承载力已经超过按照桩身设计强度确定的极限承载力，则应重新换算现桩身强度，进行相应设计调整，否则提交的试验结果是不合理的，容易为工程埋下隐患。（相关规范条文见地基基础设计规范8.5.9款）四、桩的竖向抗压载荷试验可依据的最新标准现行较新的涉及桩的竖向抗压载荷试验的国家和行业标准有：1、《建筑地基基础设计规范》GB50007-20022、《建筑基桩检测技术规范》JGJ106-20033、《建筑桩基技术规范》JGJ94-94讨论问题：现行规范标准对桩的竖向抗压载荷试验的规定是否统一？讨论：1、2规范中均采用了最新的概念，如承载力特征值等，但有些内容也是不尽相同的，例如规范1中对堆载法施加于地基的压应力不应超过地基承载力特征值，而规范2规定堆载法施加于地基的压应力不超过地基承载力特征值的1.5倍，二者规定的不同对于堆载法的实施可产生较明显的差异。对于桩的承载力的确定方法，3部规范也有一定的差别，规范2对大直径桩规定了采用相对沉降的方法确定桩的极限承载力，但1规范并无此规定。另外对于试验终止条件的判定也有不同的规定（如2规范有末级沉降大于前级沉降5倍的规定，而1规范则无），且每部规范都有其特点。鉴于现行的标准规定有一定的差异，试验时除结合具体的工程要求采用相应的标准外，也可将3部标准结合起来使用，使试验和分析过程更加合理。五、桩的竖向抗压载荷试验试验过程应注意的几个问题桩的载荷试验实施过程并不难，主要有以下值得注意的问题：1、设备安装a、沉降观测仪表的安装位置应在桩顶平面以下20～50cm，仪表应对称排布并位于同一水平面。讨论问题：沉降观测仪表能否安装在桩顶平面以上的千斤顶或其它传力部件上？讨论：答案是否定的。大家都知道在桩顶施加荷载后桩顶平面及其上下两侧一定范围内是应力的主要集中区域，在该区域属于不稳定区域，桩身或传力部件的侧向位移甚至桩身的局部表面裂隙将对沉降观测结果产生明显影响，有时可导致试验结果的错误！这一点必须引起足够重视。b、堆载法载荷试验基准桩（梁）与压重平台内边缘的距离应大于2m，规范2甚至规定不小于4d。堆载荷重施加于地基的压应力不应超过地基承载力特征值（规范2规定不小于1.5倍地基承载力特征值，堆载难度明显降低）。讨论问题：堆载法实施的主要难度是什么？讨论：许多人认为，堆载法的主要难度是荷重的大小，其实荷重的大小只是堆载难度体现的一方面，有时甚至是次要的方面，而如何满足规范中对于基准桩和堆载区地基承载力的要求才是堆载法最难解决的问题。试举一例：桩径1m，桩周地基承载力特征值100kPa，堆载荷重10000kN，堆载设备尺寸10m×10m，则堆载后作用于地基的合理有效面积为100-4×4×3.14=49.8（m2），折合到地基上的最大应力为10000/49.8=201（kPa），显然地基承载力无法满足，此种情况下，地基可承受的最大堆载荷重依据规范2计算为：49.8×150=7470（kPa）。如果按照规范1计算地基可承受的最大堆载荷重仅为：49.8×100=4980（kPa）。那是否可不严格执行规范上的这些规定呢？显然，规范作这些限制主要考虑到试验数据的可靠性，如果不考虑地基承载力因素，也不考虑基准桩与堆载支座的水平距离，那么作用在地基上的堆载应力一旦造成地基破坏或产生大的侧向挤出，而基准桩如果靠近地基破坏区，那对试验结果是否带来影响就可想而知了！2、观测有些单位在作桩的载荷试验时依然采用传统的人工加荷、人工观测的方法，这在观测人员责任心强、经验丰富的情况下也无可厚非。但是载荷试验的观测过程尤其是每级荷载的稳定过程需要按规定进行准确的记录，而采用人工的办法准确地完成这一过程是有一定困难的，即使能够完成记录，记录的真实性和准确性都存在一定疑问。为此，在桩的竖向抗压载荷试验中，应该提倡采用全自动电脑控制的加荷观测方式，实践证明，如此可大幅度提高试验成果的质量，尤其对于研究桩在荷载施加过程中的性状，提供了最值得信赖的数据。问题讨论：为什么提倡采用全自动试验装置进行单桩竖向抗压载荷试验？讨论：大家都知道，一般情况下每级荷载作用下，桩的变形主要发生在加载后的1～2小时内，在稳荷过程中发生的沉降只占一小部分，因此在加荷后的第1小时内，稳荷精度很重要，如果采用人工稳荷难度很大（稳荷速度慢，精度低），而采用机器自动稳荷则很容易控制，这也就是我们推崇采用全自动试验装置进行单桩竖向抗压载荷试验的主要原因。3、卸载观测的重要性规范中只提到了卸载方法，却并没有说明卸载资料如何利用，有关卸载资料利用的文献相对也较少。许多单位甚至在试验时省略了卸载观测，认为卸载无用的大有人在！事实上卸载观测对于正确判断桩在荷载作用下工作性状非常重要，我们都知道桩的变形分几个阶段：近似弹性、弹塑性、塑性。在荷载作用下，桩的变形究竟处于哪个阶段，仅从沉降变形上观察是不完全的，因为从沉降变形上是很难发现桩的弹性变形的，桩的弹性变形只能从卸载回弹上进行观测，一根桩在某级荷载下引起的变形究竟是弹性变形占主要还是塑性变形占主要，实施卸载便可一目了然！问题讨论：缺少卸载资料及其分析的单桩竖向抗压载荷试验是否完整？讨论：答案肯定是不完整的。桩在荷载下的变形性状需要一次完整的加、卸载过程才能掌握。卸载获得的直接参数是回弹率，卸载曲线的形态也可部分反映出桩的承载性状，因此通过卸载资料分析可使载荷试验结果更完整。4、试验过程的安全性问题安全问题包括反力装置的安全、传力装置的安全、安装过程的安全、用电的安全等。这里主要谈传力装置中液压系统的安全。规范2在4.2.3条规定“试验用压力表、油泵、油管在最大加载时的压力不应超过规定工作压力的80%”，此项规定对于实际试验工作的安全提供了保证，应该严格遵照执行。问题：如何对载荷试验油压系统的安全出力作出估算？讨论：一般国产千斤顶在额定出力情况下的最大油压是已知的，例如上海江南机械厂出的ＱＷ型３２０吨千斤顶在额定出力时的油压为７０.７ＭＰａ，如果按照其额定出力使用，则与其配套使用的压力表、油泵、油管的额定工作压力应高于７０.７÷０.８０＝８８.４ＭＰａ。相反，如果已知并联千斤顶数目和型号及配套系统的最小额定压力，例如千斤顶４台ＱＷ３２０、压力表１００ＭＰａ、油泵８０ＭＰａ、油管６０ＭＰａ，则最小额定压力为６０ＭＰａ，根据配套系统的最小额定压力可换算出千斤顶的最大出力，在本例条件下就是４×６０×０.８０×３２０÷７０.７＝８６９（吨），由此得出的是符合规范规定的安全要求的油压系统最大出力，而简单地将千斤顶进行合计出力得出４×３２０＝１２８０（吨）的做法是非常危险的―――甚至要付出生命的代价！六、结语以上重点对载荷试验过程中存在的众多问题进行了汇总和分析讨论，以企引起大家对载荷试验过程的关注，其中的看法可能存在不成熟之处，热切希望同行、专家批评指正.