樁基靜載試驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀與展望

樁基靜載試驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀與展望概述了我國(guó)樁基靜載測(cè)試工作的發(fā)展歷程，對(duì)樁基靜載測(cè)試技術(shù)做了簡(jiǎn)要介紹，同時(shí)展望了樁基靜載測(cè)試工作的發(fā)展前景。一、前言樁基靜載試驗(yàn)是一項(xiàng)方法成立，理論上無(wú)可爭(zhēng)議的樁基檢測(cè)技術(shù)。在確定單樁極限承載力方面，它是目前最為準(zhǔn)確、可靠的檢驗(yàn)方法，判定某種動(dòng)載檢驗(yàn)方法是否成熟，均以靜載試驗(yàn)成果的對(duì)比誤差大小為依據(jù)。因此，每種地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)處理規(guī)范都把單樁靜載試驗(yàn)列入首要位置。一般情況下，樁基靜載試驗(yàn)的成果數(shù)據(jù)，如單樁承載力、沉降量等均認(rèn)為是準(zhǔn)確、可靠的，這已為無(wú)數(shù)的工程實(shí)例證明。二、我國(guó)靜載試驗(yàn)的發(fā)展樁基靜載測(cè)試技術(shù)是隨著樁基礎(chǔ)在建筑設(shè)計(jì)中的使用越來(lái)越廣泛而發(fā)展起來(lái)的。新中國(guó)成立以前，在國(guó)內(nèi)基本上沒(méi)有樁基靜載測(cè)試技術(shù)的發(fā)展，新中國(guó)成立以后，樁基靜載測(cè)試技術(shù)才逐步發(fā)展起來(lái)，就拿西南邊陲省份云南來(lái)講，50年代末和60年代初，就有了在預(yù)制樁上進(jìn)行的靜載試驗(yàn)，單因?yàn)闃痘A(chǔ)的使用量很少，故試驗(yàn)的數(shù)量也少。進(jìn)入到80年代以后，隨著改革開(kāi)放的深入，基本建設(shè)規(guī)模的逐年加大，特別是灌注樁在工程上的廣泛應(yīng)用，我國(guó)的樁基靜載測(cè)試技術(shù)也進(jìn)入了一個(gè)全新的發(fā)展時(shí)期。1、測(cè)試?yán)碚摰陌l(fā)展樁基測(cè)試技術(shù)理論的發(fā)展本身促進(jìn)了樁土荷載傳遞機(jī)理理論的研究，而這一直是國(guó)內(nèi)外巖土工程界研究的熱點(diǎn)，在這方面我國(guó)的學(xué)者也通過(guò)試驗(yàn)研究發(fā)表了許多自己的理論方法。我國(guó)的沈保漢分析了大量的為測(cè)試位移和應(yīng)力數(shù)據(jù)而埋有實(shí)測(cè)元件的試樁資料，結(jié)果表明：(1)S—㏒Q法的極限荷載是樁側(cè)摩阻力得到充分發(fā)揮時(shí)的荷載，相應(yīng)于極限荷載時(shí)的極限樁頂下沉量Su（即樁土間相對(duì)位移量）與樁的類型、樁徑和施工方法等有關(guān)；對(duì)于同一施工類型的樁，一般說(shuō)來(lái)，按摩擦樁、端承摩擦樁和摩擦端承樁的順序排列，Su依次增大；(2)大直徑鉆孔樁的Su值比小直徑鉆孔樁的Su值大；(3)打入式預(yù)制樁和鉆孔灌注樁的Su也有較大差別(4)施工工藝和施工質(zhì)量對(duì)鉆孔樁的極限荷載Qu和極限樁頂下沉量Su有較大影響。在樁的破壞模式研究方面，趙明華認(rèn)為應(yīng)分為三種模式，即：屈曲破壞、整體剪切破壞、刺入破壞；沈保漢認(rèn)為應(yīng)分為四種模式，即：端承摩擦樁的整體剪切破壞、摩擦樁的整體剪切破壞、摩擦端承樁的刺入剪切破壞、端承樁的屈曲破壞。在依靠樁的下沉量確定樁的極限承載力方面，我國(guó)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GBJ7－89）規(guī)定：當(dāng)Q－s曲線無(wú)明顯的拐點(diǎn)時(shí)，可取樁頂總沉降量為40㎜時(shí)相應(yīng)的荷載值為單樁極限承載力；《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》（JGJ94－94）規(guī)定：對(duì)于緩變型Q～s曲線一般可取s＝40～60mm對(duì)應(yīng)的荷載，對(duì)大直徑樁可取s＝0.03～0.06D(D為樁端直徑，大樁徑取低值，小樁徑取高值)所對(duì)應(yīng)的荷載值；對(duì)于細(xì)長(zhǎng)樁(l/d>80)可取s＝60～80mm對(duì)應(yīng)的荷載。沈保漢建議，對(duì)直徑為0.3m～0.5m的打套管成孔灌注樁可采用樁頂下沉量為樁徑的10％所對(duì)應(yīng)的荷載為極限荷載；對(duì)于鉆孔擴(kuò)底灌注樁可取樁頂下沉量為擴(kuò)大頭直徑7％所對(duì)應(yīng)的荷載為極限荷載。在判定樁的屈服荷載方面我國(guó)的牛冬生和沈保漢建議按試驗(yàn)數(shù)據(jù)的數(shù)學(xué)特征來(lái)確定Q—s曲線上的屈服荷載，其解法如下：A．

求某級(jí)荷載Q下的Q—s曲線斜率KB．

求K的二階導(dǎo)數(shù)C．

繪制折線連接圖，在此圖上，每級(jí)荷載的數(shù)學(xué)特征極為明顯，如圖1所示，B的荷載接近S—lgQ曲線的極限荷載Qu，而峰值A(chǔ)的荷載相應(yīng)于Q—S曲線上的屈服荷載Qy。圖1法在極限承載力的預(yù)估計(jì)算方面我國(guó)陳宗岳在1978年按最小曲率半徑導(dǎo)得的Qu式為：趙明華更提出了調(diào)整雙曲線法預(yù)估計(jì)算極限承載力，公式為：隨著各種預(yù)測(cè)理論的研究，我國(guó)有學(xué)者提出了灰色預(yù)測(cè)理論預(yù)估極限承載力?；疑A(yù)測(cè)理論是近二十年才發(fā)展起來(lái)一種新理論。目前，它己廣泛地應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、能源、交通、社會(huì)科學(xué)等諸多領(lǐng)域，最近幾年，已有不少人將這一理論應(yīng)用于巖土工程，并取得了明顯的效果。利用這種方法，可以通過(guò)載荷試驗(yàn)的部分己知數(shù)據(jù)對(duì)不同沉降時(shí)相應(yīng)的樁身荷載值進(jìn)行預(yù)測(cè)。該方法的基本原理是以一組完全的單樁豎向抗壓靜載荷試驗(yàn)Q—s曲線為基礎(chǔ)，取該曲線的前幾級(jí)荷載下沉降原始數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，進(jìn)而對(duì)Q—s曲線的發(fā)展趨勢(shì)作出預(yù)測(cè)?？紤]到一般靜載荷試驗(yàn)做到破壞時(shí)的加荷級(jí)數(shù)為10—15級(jí)。故一般取前10級(jí)建立相應(yīng)的GM(1，1)模型進(jìn)行預(yù)測(cè)。預(yù)測(cè)所選用的級(jí)數(shù)少，經(jīng)濟(jì)效益越明顯：預(yù)測(cè)時(shí)所選用的級(jí)數(shù)多，預(yù)測(cè)精度會(huì)有所提高，但當(dāng)級(jí)數(shù)過(guò)多時(shí)，就失去了預(yù)測(cè)的意義。灰色預(yù)測(cè)方法對(duì)于以沉降控制來(lái)確定承載力的大直徑樁、超長(zhǎng)樁和嵌巖樁效果明顯。以第k級(jí)荷載下的沉降量△S（k）為一個(gè)數(shù)據(jù)，可以得到一組數(shù)據(jù)序列△S，△S=（△S（1），△S（2），…，△S（k））。將S進(jìn)行累加生成可得到另外一組數(shù)據(jù)，S=（S（1），S（2），…，S（k））。其中，其中S（k）為第k級(jí)荷載作用下的累加沉降量。對(duì)于等量加荷試驗(yàn)，可對(duì)S（k）建立如下的GM(1，1)預(yù)測(cè)模型：式中、u—待定系數(shù)；由最小二乘法，可有下式得到待定系數(shù)、u：式中則這樣我們就可以得到不同荷載下響應(yīng)的沉降量，進(jìn)而就可以確定對(duì)應(yīng)沉降下單樁的豎向抗壓承載力值。2、測(cè)試實(shí)踐的發(fā)展在樁基靜載測(cè)試技術(shù)的起步階段，由于設(shè)計(jì)單樁的承載力較低，所以現(xiàn)場(chǎng)用來(lái)試驗(yàn)的設(shè)備也相對(duì)簡(jiǎn)單。在早期的試驗(yàn)過(guò)程中，提供反力的配重并不是一下子全部預(yù)先加上的，而是根據(jù)試驗(yàn)的進(jìn)度，將配重逐漸加上。隨著現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試技術(shù)的發(fā)展，配重物由石塊、水箱發(fā)展到了砂袋、砼預(yù)制塊等；反力裝置也由堆重平臺(tái)裝置發(fā)展到了錨樁反力裝置、堆重錨樁聯(lián)合裝置等；加載設(shè)備也由直接將配重物堆放在試樁樁頭上，發(fā)展為使用千斤頂提供反作用力，加壓泵由手動(dòng)發(fā)展為了電動(dòng)；觀測(cè)用的量測(cè)表也由機(jī)械式百分表發(fā)展為大量程、高精度的電子位移計(jì)。在測(cè)試方法上，我國(guó)大部分的檢測(cè)規(guī)范（規(guī)定）都制定的是“慢速維持荷載法”，具體作法是按一定要求將荷載分級(jí)加到樁上，在樁下沉未達(dá)到某一規(guī)定的相對(duì)穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)前，該級(jí)荷載維持不變；當(dāng)達(dá)到穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，繼續(xù)加下一級(jí)荷載；當(dāng)達(dá)到規(guī)定的終止試驗(yàn)條件時(shí)終止加載；然后在分級(jí)卸載到零。試驗(yàn)周期一般為3～7天?！督ㄖ鼗A(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GBJ7-89）和《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》（JGJ94－94）都提供了該試樁方法。但有關(guān)試樁入土后的間隔時(shí)間、分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)、測(cè)讀下沉量間隔時(shí)間、試驗(yàn)終止條件以及卸載規(guī)定等項(xiàng)目，各規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定不盡相同?！督ㄖ痘夹g(shù)規(guī)范》（JGJ94－94）規(guī)定：每級(jí)加載為預(yù)估極限的1/10～1/15，第一級(jí)可按2倍分級(jí)荷載加荷。每級(jí)加載后間隔5、10、15min各測(cè)讀一次，以后每隔15min測(cè)讀一次，累計(jì)1h以后每隔30min測(cè)讀一次。每次測(cè)讀值計(jì)入試驗(yàn)記錄表。每一小時(shí)的沉降不超過(guò)0.1mm，并連續(xù)出現(xiàn)兩次(由1.5h內(nèi)連續(xù)三次觀測(cè)值計(jì)算)，認(rèn)為已達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定，可加一級(jí)荷載。在上海市等地區(qū)和某些港口工程等也有使用多循環(huán)加卸載試驗(yàn)法，此方法國(guó)外用的較為廣泛，它主要是對(duì)每一級(jí)荷載進(jìn)行重復(fù)加載卸載循環(huán)?！督ㄖ痘夹g(shù)規(guī)范》（JGJ94－94）中提到“當(dāng)考慮結(jié)合實(shí)際工程樁的荷載特征可采用多循環(huán)加、卸載法（每級(jí)荷載達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定后卸載到零）”，冶金工業(yè)部部標(biāo)準(zhǔn)YBJ236－91中也寫(xiě)入了此種加載方法—“多次循環(huán)回零加載法”?？焖倬S持荷載法在加載試驗(yàn)的過(guò)程中，不要求觀測(cè)樁頂下沉的相對(duì)穩(wěn)定，而以等時(shí)間間隔連續(xù)加載，所測(cè)得的下沉僅為樁周土的瞬時(shí)下沉。與慢速維持荷載法相比，測(cè)得的下沉不受時(shí)間影響，整個(gè)試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間只需幾個(gè)小時(shí)。有關(guān)試驗(yàn)加載分級(jí)數(shù)、測(cè)讀下沉量間隔時(shí)間、試驗(yàn)終止條件以及卸載等規(guī)定，各規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定不盡相同。《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》（JGJ94－94）中認(rèn)為，“當(dāng)考慮縮短試驗(yàn)時(shí)間，對(duì)于工程樁的檢驗(yàn)性試驗(yàn)，可采用快速維持荷載法，即一般每隔一個(gè)小時(shí)加一級(jí)荷載?！币苯鸸I(yè)部部標(biāo)準(zhǔn)YBJ236－91中對(duì)快速試樁法的描述為“每級(jí)加載維持一小時(shí)，保持荷載穩(wěn)定，每級(jí)加載的樁頂沉降測(cè)讀時(shí)間與慢速加載法第一小時(shí)測(cè)讀時(shí)間相同”，在《建筑工程基樁檢測(cè)技術(shù)規(guī)范》（征求意見(jiàn)稿2000）中明確提了出來(lái)，對(duì)于施工后的工程樁驗(yàn)收檢測(cè)，當(dāng)有成熟的地區(qū)經(jīng)驗(yàn)時(shí)，可采取快速維持荷載法。試驗(yàn)步驟為：A、每級(jí)荷載加載后維持1h，按5、10、15、30、45、60min測(cè)讀樁頂沉降量，即可施加下一級(jí)荷載；對(duì)于最后一級(jí)荷載，加載后沉降測(cè)讀方法及穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)按慢速荷載法執(zhí)行；B、卸載時(shí)每級(jí)荷載維持15min，測(cè)讀時(shí)間為第5、15min，即可卸下一級(jí)荷載。卸載至零后應(yīng)測(cè)讀穩(wěn)定的殘余沉降量，維持時(shí)間為2h，測(cè)讀時(shí)間為5、15、30min，以后每隔30min測(cè)讀一次?？焖倬S持荷載法的基本依據(jù)是快速加載下得到的極限荷載乘以某各修正系數(shù)后，可轉(zhuǎn)換成慢速加載時(shí)的極限荷載；在設(shè)計(jì)荷載下，慢速維持荷載法和快速維持荷載法的樁頂下沉量相差不大，有文章認(rèn)為在5%以內(nèi)。大量試樁資料分析表明：快速維持荷載法所得的單樁承載力比慢速維持荷載法高。在上海地區(qū)，快速維持荷載法所得的單樁承載力比慢速維持荷載法高一級(jí)加荷增量左右，而下沉量要偏小百分之十幾。慢速維持荷載法試驗(yàn)時(shí)間較長(zhǎng)，且不易予估；快速維持荷載法試驗(yàn)時(shí)間較短，且易予估。隨著高層建筑以及橋梁工程建設(shè)的增多，大承載力的混凝土灌注樁得到了廣泛的應(yīng)用，由此而引起的試驗(yàn)手段上的困難所造成的承載力試驗(yàn)無(wú)法準(zhǔn)確完成的事實(shí)越來(lái)越引起了人們的注意。在樁基大承載力的測(cè)試?yán)碚摵蜏y(cè)試方法研究上，國(guó)內(nèi)外都是近幾年剛剛起步。美國(guó)在80年代中期開(kāi)展了樁承載力自平衡試驗(yàn)方法的研究，國(guó)內(nèi)近幾年也開(kāi)展了此方法的理論研究和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐。東南大學(xué)土木學(xué)院于1996年將該方法用于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐，取得了良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。樁承載力自平衡試驗(yàn)方法是在樁端附近安裝荷載箱，荷載箱由活塞、頂蓋、底蓋及箱蓋等組成，在上下頂蓋布置位移測(cè)量裝置，然后沿垂直方向加載，即可同時(shí)測(cè)得樁端阻力和樁側(cè)摩阻力以及上下頂蓋的位移值，從而得到試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)與曲線。該方法有以下特點(diǎn)：

i.

試驗(yàn)裝置簡(jiǎn)單；

ii.

可直接測(cè)得端阻和側(cè)阻；

iii.

經(jīng)過(guò)處理后，試樁仍可用做工程樁；3、樁基靜載試驗(yàn)測(cè)試儀器的發(fā)展隨著電子技術(shù)的發(fā)展，樁基靜載測(cè)試技術(shù)也向著自動(dòng)化測(cè)試方向不斷發(fā)展。在早期階段，還只是使用“點(diǎn)動(dòng)”裝置，實(shí)現(xiàn)了加壓的電動(dòng)泵控制。到了80年代，天津建筑科學(xué)研究院率先研制出了具有當(dāng)時(shí)較高水平的“自動(dòng)化”靜載測(cè)試儀，可惜的是并沒(méi)有形成商品化，只是在內(nèi)部使用；隨后，江蘇省徐州建筑科學(xué)研究所研制成功并商品化了在當(dāng)時(shí)技術(shù)含量較高的自動(dòng)化靜載測(cè)試儀，雖然還存在許多不盡人意的地方，但這畢竟代表著在樁基靜載荷測(cè)試儀的研發(fā)方面走在了世界前面。進(jìn)入90年代以后，又有許多單位從事此項(xiàng)儀器的開(kāi)發(fā)工作。進(jìn)入21世紀(jì)以后，在自動(dòng)化靜載測(cè)試儀的研制開(kāi)發(fā)方面，武漢建科科技有限公司異軍突起，將先進(jìn)的虛擬儀器技術(shù)和無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)應(yīng)用到了自動(dòng)化靜載測(cè)試儀的研制開(kāi)發(fā)上面，先后推出了ST1000型靜載測(cè)試儀和ST2000型靜載測(cè)試儀，實(shí)現(xiàn)了在一種型號(hào)儀器內(nèi)多種測(cè)試方法并存的無(wú)線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，解決了現(xiàn)有的測(cè)試儀器只能做單一的樁基檢測(cè)的弊端，可以提供給用戶多種測(cè)試模式，涉及到了樁基、地基、基巖、錨桿等需要同時(shí)采集位移和壓力的測(cè)試場(chǎng)合，并且利用武漢建科科技有限公司提供的透明數(shù)據(jù)接口，具有科研實(shí)力的研究機(jī)構(gòu)也可以自己編寫(xiě)符合本單位實(shí)際需要的數(shù)據(jù)采集分析軟件，真正實(shí)現(xiàn)了人性化設(shè)計(jì)、理性化產(chǎn)品。目前，武漢建科科技有限公司仍然根據(jù)用戶的需求和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的要求不斷改進(jìn)現(xiàn)有產(chǎn)品，現(xiàn)在可以說(shuō)武漢建科科技有限公司的ST2000型靜載測(cè)試儀已走在了全國(guó)同類產(chǎn)品的前列。三、我國(guó)靜載試驗(yàn)現(xiàn)存的問(wèn)題1、

檢測(cè)人員素質(zhì)參差不齊，有些單位的檢測(cè)人員是剛進(jìn)城的民工，從而造成對(duì)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范執(zhí)行的偏差，記錄不符合要求，現(xiàn)場(chǎng)操作馬虎，有些檢測(cè)單位甚至是三無(wú)單位：無(wú)檢測(cè)資質(zhì)、無(wú)檢測(cè)人員、無(wú)檢測(cè)設(shè)備；2、

現(xiàn)場(chǎng)準(zhǔn)備工作不認(rèn)真，測(cè)試儀表不符合要求，特別是現(xiàn)場(chǎng)基準(zhǔn)梁的架設(shè)以及錨樁、基準(zhǔn)樁、試樁間的布置間距不符合規(guī)范的規(guī)定，在加載設(shè)備方面，受現(xiàn)有設(shè)備的限制，采用大千斤頂量測(cè)小噸位樁，這就如同大稱稱輕物，其精度不可能滿足測(cè)試要求；3、

不認(rèn)真執(zhí)行規(guī)范制定的試驗(yàn)步驟，提前加壓或記錄，卸載時(shí)不進(jìn)行回彈觀測(cè)；4、

檢測(cè)報(bào)告不規(guī)范，內(nèi)容過(guò)于簡(jiǎn)單，無(wú)工程概況及土層分布情況。5、

樁基靜載試驗(yàn)中的任何試驗(yàn)數(shù)據(jù)都必須從經(jīng)過(guò)定期計(jì)量標(biāo)定的測(cè)量器具上獲得，這樣的數(shù)據(jù)才能是真實(shí)的數(shù)據(jù)，但在我國(guó)有一定數(shù)量的樁基檢測(cè)單位，其所使用的千斤頂、油壓表、百分表、自動(dòng)化測(cè)試儀有的幾年不標(biāo)一次，有的甚至沒(méi)有計(jì)量器具許可證。四、我國(guó)靜載試驗(yàn)的展望傳統(tǒng)的樁基靜載試驗(yàn)的慢速維持荷載法費(fèi)時(shí)、費(fèi)力，已遠(yuǎn)不能適應(yīng)當(dāng)前樁基檢測(cè)工作的發(fā)展，在快速荷載試驗(yàn)法的技術(shù)上，我們有許多試驗(yàn)單位都作了大量的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)對(duì)比工作。從國(guó)外的發(fā)展情況來(lái)看，快速荷載試驗(yàn)法將是一個(gè)試驗(yàn)手段的發(fā)展方向。在這方面，有些地方規(guī)范已明確規(guī)定了快速荷載試驗(yàn)法的試驗(yàn)步驟，在國(guó)家規(guī)范方面，《建筑工程基樁檢測(cè)技術(shù)規(guī)范》（征求意見(jiàn)稿2001）中已明確提出了試驗(yàn)方法步驟。樁承載力自平衡試驗(yàn)方法是大承載力樁基靜載試驗(yàn)的一種發(fā)展方向，但這種技術(shù)方法還剛剛興起，其理論研究還在進(jìn)行當(dāng)中，該試驗(yàn)所得到的各種圖表數(shù)據(jù)與傳統(tǒng)的試驗(yàn)結(jié)果圖表還有許多需要對(duì)比研究的地方。在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備安裝時(shí)，荷載箱的放置位置會(huì)影響到樁側(cè)阻力和樁端阻力的發(fā)揮，國(guó)外荷載箱一般放在樁端，這是因?yàn)閲?guó)外試樁樁端一般都位于堅(jiān)硬的持力層