桩身轴力与侧阻力测试在大承载力静载荷试验中的应用

(上海市岩土工程检测中心,上海 200072)

0 引言

在现代城市建设过程当中，工程造价的高低，在设计阶段尤为重要，特别是地下隐蔽工程。通常设计方在既有勘察资料的前提下，先进行基础承载能力的确定性试验——通过对先期打入的桩进行承载能力检测，设计人员才可掌握建筑场地大量的岩土工程信息，为后期的建筑设计提供安全可靠的质量保障和前提。

而基桩质量的好坏、承载力的大小对整个工程来说起着决定性的作用。现有的各种基桩检测方法都有其各自的局限性，这一点正逐步得到人们的认识。传统的试桩方法如基桩高应变动测、静载荷试验只能得到单桩的竖向抗压或抗拔承载力值或极限承载力值，至于桩身、桩周土还不确切了解。当试验的一批桩有的能满足要求，而有的却远远低于设计值，碰到类似情况，在试桩时，对桩身内力及桩侧阻分布情况有过测试，就能分析出其中的具体原因，并可给出合理、经济适用的解决办法。在这方面，我们进行了一系列的实验工作，并得到了令人满意的效果。

同时，随着人们对地下空间的不断开发与利用，深层建筑物也在逐日增多。对深层建筑物基桩承载力检测绝大部分都是在自然地面以静载荷（少部分采用高应变法）进行，测试结果代表的是从自然地面到桩端全部桩身所具有的承载力，而有效桩长部分的真实承载力则不得而知。若遇到多种不利情况叠加时，实际有效基桩承载力可能会与折减估算值偏差较大，给之后的建筑物沉降量控制带来不利因素。

1 基本理论

在力学研究领域，研究物体在外力作用下的变形和破坏规律，即变形体静力学理论是工程桩内力测试及桩侧摩阻力分布规律试验的基础。

1.1 变形体静力学基本假定及相关变形的基本形式

1.1.1 基本假定

（1）连续性假定：物体的结构是密实、无空隙的，因而其力学性能是连续的。根据这个假设，就可以把物体内的一些物理量看成是连续的，用坐标的连续函数来表示它们的变化规律；

（2）均匀性假定：物体内各点材料均匀分布，其力学性能是均匀一致的。根据这个假设，就可以取出物体的任意一小部分来分析研究，然后把分析的结果用于整个物体；

（3）各向同性假定：物体内任一点处沿各个方向的力学性能都相同。根据这个假设，在研究材料任一方向的力学性质后，就可以将其结论用于其它任何方向。

1.1.2 相关变形形式

（1）轴向拉伸和压缩：

受力特点：外力作用线与杆轴重合；

变形特点：杆件的长度发生伸长和缩短；

这即是竖向抗压、抗拔静载荷试验桩承载力检测时的基本变形形式。

（2）弯曲：

受力特点：由垂直于杆件轴线的横向力作用，或作用于杆轴平面内的外力偶引起的；

变形特点：杆件的轴线由直线变为曲线；

这即是水平静荷载试验桩承载力检测时的基本变形形式。

1.2 轴向拉伸和压缩时横截面上的内力、轴力

1.2.1 内力的特点及计算方法

当杆件受外力作用而变形时，其内部质点间的相对位置发生改变，从而引起相邻部分的附加相互作用力，这种物体内部各部分之间由于外力作用而引起的附加内力，称为内力。内力特点及计算方法：

（1）内力随外力的增加而增加，达到某一极限值时，构件就会产生破坏；

（2）内力与外加载荷的大小和约束的方式有关；

（3）内力的分布与杆件变形有关；

（4）受力杆件中的内力大小采用截面法求得。

1.2.2 轴力及轴力图

当外力F的作用线与杆的轴线重合时，内力FN的作用线也与杆轴线重合，这种轴向内力，简称轴力。杆件在轴向拉伸时，轴力的指向离开截面；而当杆件在轴向压缩时，轴力的指向向着截面，通常把拉伸时的轴力规定为正，压缩时的轴力规定为义负。当杆件受到多个轴向外力作用时，在杆件的不同段内将有不同的轴力。这也正是抗压、抗拔试验桩的基本受力形式。为了表明杆内的轴力随截面位置的改变而变化的情况，常以轴力图来表示。轴力图，就是用平行杆件轴线的坐标表示横截面的位置，纵坐标表示轴力值的大小，从而绘出表示轴力沿杆轴变化规律的图形。

1.2.3 轴向拉伸与压缩时横截面上的应力

根据平面假设，任意两个横截面之间所有纵向线段的伸长（压缩）都相等，又因假设材料是连续、均匀的，所以内力在横截面上是均匀分布的，且垂直于横截面，即横截面上只有正应力σ（法向应力），且是均匀分布的（见图1）。因轴力FN是横截面上分布内力系的合力，而横截面上各点处分布内力即正应力σ均相等，故有：

FN=∫σdA=σ∫da=σA

于是，拉（压）杆横截面上的正应力为：

σ=FN/A

它的正、负号规定与轴力FN相同，以拉应力为正，压应力为负。

轴向拉伸（压缩）杆，杆内最大正应力产生在横截面上，而平行于杆轴的纵向截面上没有应力存在，因轴力为横截面上分布内力系的合力，据截面法原理，即可求得相邻两个测点间的轴力之差，即反应了试桩两个相邻测点之间桩侧摩阻力的大小。同时，工程中也把横截面上的应力作为拉（压）杆强度计算的依据。

图1 轴向拉（压）杆的变形与内力示意图

1.2.4 轴向拉伸与压缩时的变形

轴向变形：直杆受轴向拉力或压力作用时，杆件会产生轴线方向的伸长或缩短，如图2所示的等直杆原长L变为LL，杆的轴向伸长为：

ΔL=LL-L

ΔL称为杆的轴向绝对线变形。线变形ΔL与杆件原长L之比，表示单位长度内的线变形，又称轴向线应变，以符号ε表示，即ε=ΔL/L。

由上两式可见，ΔL和ε在拉伸时均为正值，而在压缩时均为负值。

实验表明，工程中使用的大多数材料都有一个线弹性范围。在此范围内，轴向拉（压）杆的伸长（或缩短）ΔL与轴力FN、杆长L成正比，而与横截面面积A成反比，引入比例常数E，即有：

ΔL=FNL/EA

即轴向拉伸或压缩时等直杆的轴向变形计算公式。

引入σ=FN/A，ε=ΔL/L，可得到胡克定律另一表达式：

σ=Eε

上式说明：当杆内应力未超过材料的比例极限时，横截面上的正应力与轴向线应变成正比。比例常数E称为材料的弹性模量，大小可由实验测定，量纲与应力的量纲相同。弹性模量E表示材料抵抗弹性拉压变能力的大小，E值越大，则材料越不易产生伸长（缩短）变形。EA称为杆件的抗拉压刚度，它表示杆件抵抗弹性拉压变形的能力。EA值越大，即刚度越大，杆的伸长（缩短）变形就越小。

图2 杆件轴向与横向变形图

2 桩身轴力的计算

（1）对现场实测数据进行处理时，应删除异常测点数据，求出同一断面有效测点的应变平均值，并应按下式计算该断面处的桩身轴力：

式中：Qi—桩身第i断面处轴力（kN)；

Ei—第i断面处桩身材料弹性模量（kPa)；当混凝土桩桩身测量断面与标定断面两者的材质、配筋一致时，应按标定断面处的应力与应变的比值确定；

Ai—第i断面处桩身截面面积（m2)。

（2）每级试验荷载下，应将桩身不同断面处的轴力值制成表格，并绘制轴力分布图。桩侧土的分层侧阻力和桩端阻力应分别按下列公式计算：

式中：qsi—桩第i断面与i+1断面间侧阻力（kPa) ；

qp—桩的端阻力（kPa)；

i—桩检测断面顺序号，i= l，2，……，n，并自桩顶以下从小到大排列；

u—桩身周长；

li—第i断面与第i+1断面之间的桩长（m)；

Qn—桩端的轴力（kN)；

A0—桩端面积（m2)。

3 工程概况

本项目选址于浦东新区世博后滩西片区C02-01地块内，世博大道以东、规划路以南、博成路以西、国展路以北，具体位置参见图3。项目总投资370518.54万元人民币。项目主要建设内容包括新建演出用房、剧目创作排练及制作用房、歌剧艺术教育及交流用房、配套设施和辅助用房、地下人防车库等。设置剧场3个，大歌剧厅2000座、中歌剧厅1200座、情景歌剧厅1000座。项目总建筑面积146338平方米，其中地上建筑面积75204平方米，地下建筑面积70774平方米，地下通道360平方米。拟建建筑物地上6层、地下2层，部分结构体位于地面以下约30米处，单桩承载力大。工程区域地质情况参见表1。

图3 现场地理位置图

表1 地基土主要土层物理力学性质指标

4 现场检测

4.1 试桩基本资料（见表2）

表2 试桩主要技术参数

4.2 应变计的设置

所有（抗压）试桩全桩长范围内采用应变计进行桩身轴力及侧摩阻力量测。钢筋应变计在桩头、设计桩顶、桩底处及其它主要土层分界面标高设置。传感器标定的断面设置在桩顶以下1.5～2.0m处，在标定断面上设置4个应变计，其余各断面设置3个应变计。传感器的量程、精度应能满足测试要求，并采取有效措施保证传感器的成活率大于90%。各埋设标高根据试桩处相邻勘探钻孔资料确定，或按设计图中所示位置布设。

4.3 应变计的安装

（1）应变计按指定位置沿桩周均匀分布，并焊在主筋上，并满足规范对搭接长度要求。

（2）在焊接应变计时，为避免热传导使钢筋计零漂增加，采用焊接方式，应满足以下要求：应变计与钢筋焊接可采用绑条焊。焊接时仪器应采用棉纱包裹，浇水冷却，使仪器温度不超过60°，用冷水降低仪器温度时，不要将冷水浇至焊缝处，以免影响焊接质量。需保证焊接强度不低于钢筋强度，并注意使受力钢筋接头应距钢筋应变计两端接头不小于1.5m。电缆引出时，为了防止凿桩头时对电缆造成损坏，桩顶电缆外套1.5m长的钢管进行保护。应变计现场布设可参见图4。

（3）仪器安装并检验正常工作后，经检测合格后，方可进行混凝土灌注。在混凝土浇筑（灌注）时，采用水下灌注高流态混凝土的方式，避免振捣对传感器和电缆的造成破坏。

（4）仪器安装埋设完成后，应及时观测初始值，并做好标记，以防人为损坏。吊放钢筋笼子、浇筑砼以及后续土方开挖时，设置的传感器需加强对检测器件的保护，施工时采取采用管径50mm，壁厚3.5mm的钢管内装聚苯颗粒等材料进行密封保护，伸出地面0.5m，并与钢筋笼可靠固定，避免在桩身施工时脱落或受到破坏，造成无法进行检测。

图4 应变计现场布设实景图

4.4 桩身轴力测量

在静载荷试桩测试过程中，每次加载完成后，即对所有应变计进行数据测读与记录，当每层埋设多个应变计时，现场不得对测试数据进行平均、删除等。

表3 试桩1各级荷载作用下的桩身轴力

表4 试桩2各级荷载作用下的桩身轴力

表5 试桩3各级荷载作用下的桩身轴力

图5 1#桩桩身轴力分布曲线

图6 1#桩桩身侧阻力分布曲线

图7 1#桩静载荷测试Q-S曲线

图8 1#桩静载荷测试s-lgt曲线

图9 2#桩桩身轴力分布曲线

图10 2#桩桩身侧阻力分布曲线

5 结果与分析

5.1 试验结果

（1）桩身轴力与侧阻力深度曲线分别见图5、图6，试桩1静载荷测试Q-S、s-lgt曲线见图7、图8，各级荷载作用下桩身轴力统计见表3。

（2）试桩2测试轴力见表4，桩身轴力与侧阻力分别见图9、图10。

（3）试桩3测试轴力见表5，桩身轴力与侧阻力分别见图11、图12。

图11 3#桩桩身轴力分布曲线

图12 3#桩桩身侧阻力分布曲线

5.2 试桩曲线分析

根据实测截面处的应变通过上述公式求得试桩桩身轴力与侧阻力，绘制成桩身轴力与侧阻力沿深度的分布曲线见图11、图12，从图得出如下结论：

（1）基桩静载荷测试无法对有效桩长部分与其上部加长部分的承载力进行区分。

（2）对于大埋深、大承载力的建筑基桩，其承载力测试均在自然地面进行，由于有效桩身上部尚有数拾米加长桩身，后期基桩实际极限承载力要小于静载荷测试极限值。

（3）试桩的轴力沿深度逐渐递减向下传递，并且在不同的土层中有不同的递减速率，呈非线性分布，反映出摩擦型桩的特点。

（4）在各级荷载作用下，桩身上部的轴力分布曲线斜率基木不变，说明桩身上部的侧摩阻力已发挥充分。

（5）在各级桩顶荷载作用下，桩身上部一定深度范围内的桩侧阻力是基本完全重合的，再次表明此深度范围内的桩侧阻力已发挥充分；在此范围以下，桩侧摩阻力随着荷载的增加而增加，这说明桩身下部的桩侧阻力在逐步发挥出来。

（6）试桩在第三级荷载作用下，下部才出现侧明显的侧摩阻力，且随着荷载的增加，侧摩阻力增大。这表明试桩下部的侧摩阻力发挥是滞后于中上部的，在加载后期发挥程度逐渐增大。

（7）通过桩身轴力可以更加准确的得出有效桩身长度侧阻力及端阻力的分布情况，较单纯的静载荷测试能更加真实反应有效桩长范围内的受力情况，特别是当桩顶埋深较大时（如地铁、地下大型枢纽等），为工程质量提供更加科学的数据依据。