高层建筑桩基单桩检测技术应用研究

高层建筑桩基单桩检测技术应用研究

张越超

大丰市建设工程质量检测中心有限公司 江苏省盐城市 224100

摘要：随着工业革命的爆发，桩的材料也发生了变化。钢筋和混凝土的出现带来了更高效、更稳定、更高质量的桩基础，从而木桩逐渐退出了历史舞台。桩的成桩方式也变得多样化。不仅有从古代沿用至今的打入式成桩，还研究出了转孔灌注桩、高压旋喷桩等成桩方法，随之出现的就是对桩基的研究和检测技术。

关键词：高层建筑；桩基；单桩；检测技术；应用

1工程概况

某住宅小区，上部结构为21层建筑，地下部分有两层地下室结构，包括地下停车场。从施工平面图可以看出，住宅小区的平面为矩形，长宽为70×22m。基础结构的选取为桩-筏板基础，地势多为平坦，经过清理后符合施工要求。地基土按岩性划分，可以将其分为6层。经过检测，地基土体对钢筋混凝土结构中的混凝土无腐蚀作用，但是对钢筋有轻度的腐蚀性。成桩方式为转孔灌注桩。单桩基础的设计参数如下：选取C40强度等级的混凝土，直径1m，长度为10m的桩基础。主筋为6φ14的通长钢筋。根据规范要求，设计计算得出的单桩极限承载力为Qu=6800kN。

2有限元模型的建立与计算

2.1数值模拟模型参数

模型的单桩承载力受荷载的情况只考虑竖向受荷，采用有限元软件ABAQUS进行模拟计算。模型中的土体属性、几何参数以及边界条件如下：地基土本构模型取为M-C理想弹塑性模型分析，持力层为砂砾，水平土压力系数为1.0，简化土体的几何尺寸为二维模型，为了将边界的影响降低，将尺寸定为50×50m；桩身采用各向同性弹性材料模型，由钢筋混凝土构成，桩长10m，直径1m。在上部逐级施加8000kN/m的上部荷载，每一级1000kN/m；模型底部约束其X和Y向位移，左右两端约束其X方向的位移，顶部自由。地基土选取二维平面应变四边形单元（CPE4）进行计算。

2.2数值模拟结果

通过研究高层建筑桩基检测技术的实用性，确定单桩承载力，并且与我国现行规范和数值模拟等两种方法确定的单桩承载力进行对比分析，试解释三者之间误差的原因。在本次数值计算过程中，桩顶荷载将分级加载，每一级加载为1000kN/m，最终加载至8000kN/m为止。桩周土体的竖向变形沿着桩的中心线呈对称分布，并随着距离的增大越来越小，整体为“马蹄铁”形分布。当桩顶荷载达到最高时，沉降量达到了21.72mm。

3不同计算方法下的单桩承载力对比分析

3.1用规范方法确定单桩竖向承载力

对于桩的承载力的检测，工程上国内通常采用以下几种方法：静荷载试验法、高应变动测桩法和静动法。我国的《建筑地基基础设计规范》中介绍了计算单桩极限承载力的方法。单桩的极限承载力由两部分控制，一是桩身材料的强度特性，二是桩周土强度特性以及桩与土体之间的接触关系。一般来说第二部分对单桩极限承载力具有决定性作用。不同的方法考虑的作重点有所不同，因此计算出的单桩极限承载力数值会有偏差。这里采用我国现行规范法计算单桩极限承载力。用本方法计算出来的单桩竖向承载力的主要影响因素是单桩极限承载力和安全系数，对土层强度和稳定性因素等的考虑较少，也没有考虑桩土间的接触情况。因此采用这种方法计算得出的竖向承载力过于安全，地基土的强度还有很大一部分没有发挥作用。

3.2用静荷载试验法得到单桩极限承载力

静荷试验法是在试验桩顶部设置千斤顶来加上逐级增强的静载来模拟试验桩的工程环境，并以桩身截面的应变、沉降或者结构开裂的情况作为分析指标，用来判断桩体的极限承载力等。桩顶沉降的主要影响因素是桩端阻力和桩周摩阻力的分配因素。为了避免偶然性的干扰，本次试验布置了三根试验桩。试验桩位置的选取要符合穿过具有代表性的地层。分别对三个试验桩进行静力荷载施加和参数收集分析。各个试验桩都布置应变计和位移计等传感器以测量测试参数。现场静荷试验的步骤如下：（1）从零开始施加桩顶荷载，每一级荷载施加完成之后第0、5、10、30、60min读取桩顶的沉降值；之后每30min测量一次。当1h之内的沉降变化量少于0.1mm时可以认为已经达到稳定；（2）当桩顶位移达到稳定时，施加下一级桩顶静载；（3）当累计沉降量达到40mm，或沉降量一直增加不稳定，或桩顶的竖向变形比前一级荷载作用的沉降量大五倍以上，或Q-s曲线出现明显拐点，或桩体出现明显破坏，都可以认定为已达到极限承载力。（4）卸载时，以1000kN/h的速率卸掉每一级荷载；（5）每卸载掉一级荷载按照步骤（1）的方法测量沉降回弹。当稳定时再卸掉下一级荷载。根据现场静力荷载试验，可以知道不同的试验桩的Q-s曲线都是缓慢变化型。三根桩的沉降变形都随着桩顶荷载Q的增大而缓慢变大，到后期这种趋势有所增强，总体呈现出缓慢增加的趋势。这与数值模拟的结果一致。根据以上方法去判定桩体，3号试验桩没有达到极限承载力的判定条件，故认为还没有达到。1、2号桩体桩身发生了部分破坏，因此取其前一级加载为极限承载力，即7200kN/m。综上所述，考虑到不同桩位的受力有所差异，取三个试验桩中的最小值为静荷载试验法的单桩竖向承载力，即7200kN为静载试验的承载力特征值。

3.3高应变动力检测法计算单桩极限承载力

高应变动力检测法即是利用特殊定制的击锤对桩顶进行击打，击打产生的锤击力会以压缩波的形式在桩体内向下传播，当这种压缩波到达桩底后，会有一部分反射回桩顶，达到桩顶后也会有一部分压缩波被向下反射回桩底。从而使振动波不断在桩顶和桩底间反射循环，并不断衰减。通过安装在桩顶的速度和应变传感器可以捕获到这种振动信号。这种振动信号通过一系列数字处理后可以计算出单桩竖向的极限承载力。桩周土达到极限承载力的标志之一是是否完全进入塑性状态。然而利用高应变法测试比较难以让土体完全进入塑性，这会对该方法的准确性带来影响。另外，土体的内部孔隙水压力、土体结构的破坏以及液化作用等都会导致计算得到的承载力偏低。本次试验使用的方式为波动方程拟合分析法（CAPWAP法），是国内常用的高应变试验法。

3.4不同方法所得单桩极限承载力对比分析

除了规范计算法，其他方法计算得到的极限承载力相差不大。发生这种情况的原因是因为规范计算法过于保守，仅仅通过单桩桩体材料的极限承载力与安全系数去计算，并没有考虑到桩体与桩周土以及持力层是一个有机的受力整体。通过这种方法计算得出的承载力安全储备较多，因此计算得出的承载力较小。静荷载试验法与高应变动力试验法都是现场试验所得，其误差为3%，可见高应变动力分析法的准确度非常高。从测试时间上看，用静载试验一根桩需要几个小时甚至是一天的时间才能够加载以及卸载完成，而高应变动力法一天可以测试几十根桩。从测试仪器上看，静荷载试验需要利用到笨重的千斤顶，装卸较为困难，高应变动力试验法的仪器小巧，方便携带。而且，通过静力加载法测试的试验桩为了使桩顶荷载达到极限，一般都设置为较大值，这可能会让试验桩在试验进行是发生破坏、断裂和地基土大面积进入塑性的情况，而高应变动力试验法则没有此类弊端。

4结语

本文利用ABAQUS有限元软件分析法、规范计算法、静荷载试验法和高应变动力试验法等方法计算了单桩竖向承载力，通过对比分析来探究高层建筑单桩监测技术在单桩竖向承载力检测中的应用，一定程度上为后期工程研究人员提供了很好的研究价值和理论依据。

参考文献

[1]高春杰.单桩静载荷试验数据的优化计算和可靠性分析[J].山西建筑，2018，44（14）：88-90.

[2]龙秋亮，雷皓程.基于荷载传递法的单桩沉降简化计算方法[J].中外公路，2020，40（1）：22-25.