基桩静载试验检测数据判定

摘 要：基桩静载试验是当前确定基桩极限承载力最广泛、最可靠的方法.本文就基桩静载试验检测数据进行了分析及判定,对检测得出的数据作了对比分析,并针对其中的问题进行了思考.

关 键 词：基桩静载试验；检测数据；分析；判定

随着国民经济的快速发展,建筑业也得到了显著的提高,高、大型建筑以前所未有的速度不断增加,这对建筑地基的要求也越来越高.基桩作为建筑物重要的基础形式之一,对建筑的承载力起到很大的作用,其质量控制尤为重要.因此,准确测试基桩的承载力是保证建筑工程质量的必要措施.目前,利用基桩静载试验是人们公认的最常规、最直观、最准确的测量基桩承载力的方法.本文就基桩静载试验检测数据进行了分析及判定,以期能为基桩更好地应用于建筑工程中而提供参考和借鉴.

1问题的提出

在现行的行业标准《建筑基桩检测技术规范》JGJ106-2003中条文4.4.1对检测数据的分析给出了如下方法“确定单桩竖向抗压承载力时,应绘制竖向荷载―沉降（Q―s）、沉降―时间对数（s―lgt）曲线”,判定单桩竖向抗压承载力Qu也在条文4.4.2中给出了明确依据：“根据沉降随荷载变化的特征确定：对于陡降型Q―s曲线,取其发生明显陡降的起始点对应的荷载值”“对于缓变型Q―s曲线可根据沉降量确定,宜取40mm对应的荷载值”.按说规范已有明文要求,照此执行即可.但由于规范条文（包括条文解释）并未对Q―s曲线的横纵轴比例做出规定,而“明显陡降”一词也难以准确定量,在实际工作中,往往会出现判断上的困难,甚至做出错误的判定,造成很大的经济损失或引发严重的质量事故.

2思考与分析

众所周知,在数据不变的前提下,仅仅改变坐标轴的比例,图形就可能会有很大的变化,尤其是曲线的弯曲程度.表1是一组静载数据按不同比例绘制的Q―s曲线图形.

表1Q―s静载数据表

如图1所示,3条曲线分别按横纵坐标1：1,1：1.5,1：2绘制,图形形状基本相似,而区别的恰恰是所谓的“陡降”和“缓变”的性质及程度.如绘制比例进一步增大或减小,曲线的陡、缓情况还将加剧.所以如果没有一个合适的曲线绘制比例,就失去了依据Q―s曲线判定基桩极限承载力Qu的基本条件,而现行JGJ106-2003检测规范中并没有给出一个相应的数值,相反JGJ4-80工业与民用建筑灌注桩基础设计与施工规程中给出了一个Q―s曲线“按整个图形比例横：竖等于2：3”绘制的要求.但这显然是指数据比较完整、已经加载至极限荷载或桩顶总沉降量达到60mm～80mm的情况.目前随着国家对建筑质量的要求不断提升,桩基工程设计时普遍偏保守,而竣工验收时采用静载试验往往考虑到检测成本、工期等因素,仅加载至设计要求的极限荷载便停止加载,得出基桩合格或不合格的结论即可.实践经验表明,合格的基桩在静载试验加载至设计要求荷载时沉降量并不大,一般仅有20mm左右.而JGJ106-2003中4.4.2条文说明里指出“大量实践经验表明：当沉降量达到桩径的10%时,才可能出现极限荷载”.所以按目前的静载试验现状,笼统采用2：3的比例绘制Q―s曲线,显然是不合适的.某根桩加载至设计要求的极限承载力3000kN时总沉降量仅19.38mm,且各级沉降量变化无大的突兀,静载Q―s曲线若按2：3比例绘制,就相当于像哈哈镜那样将原本扁平的图形硬生生拉长,结果是图形陡降明显,很容易得出错误的结论.

图1Q―s曲线图（一）

笔者查阅了一些资料,也与多位同行针对此问题探讨过,发现多数人对于Q―s曲线的“陡降”都是依据JGJ106-2003中4.3.8条第1款“某级荷载作用下,桩顶沉降量大于前一级荷载作用下沉降量的5倍”.对此,笔者认为虽不能说错,却也有失偏颇.1）将5倍于上一级沉降量作为“陡降”的物理定义,尚缺乏足够的理论依据；2）若真将之视作曲线是否陡降的标准,则Q―s曲线无用,出现此种情况即算陡降,那就可判定前一级为极限荷载,又何必再绘制Q―s曲线,反之,如未出现此种情况,便认定无陡降,那就可推论Q―s曲线为缓变型,按s等于40mm或s等于0.05D对应的荷载值判定极限承载力,则用插值法或曲线拟合法直接用数据便可计算出极限值Qu,Q―s曲线仍然没有绘制的必要了.所以这明显是不合适的；3）一些工程实践已经证明,当未出现此种情况时,Q―s曲线也已出现陡降,可以由此判定极限承载力Qu.

图2Q―s曲线图（二）

如图2所示为同一根桩的静载Q―s曲线和s―lgt曲线,从2720kN加荷至3060kN时,本级沉降量为6.96mm,为上一级沉降量的2.35倍（本级沉降相对稳定时间为2h）.但Q―s曲线已出现陡降,结合s―lgt曲线“尾部出现明显向下弯曲”的情况,可判定该桩的极限承载力为2720kN.综上所述,“某级荷载作用下,桩顶沉降量大于前一级荷载作用下沉降量的5倍”的情况是“明显陡降”的一种典型形式,但两者之间却不能简单的画等号.

那么如何理解“明显陡降”,从纯文字的角度讲,就是沉降增大且表现明显.根据多年工作经验,静载试验在加载时,每一级的沉降量的增量一般都会比前一级的沉降量增量大,且随着加载压力增加会越来越明显.但究竟达到什么程度才算“明显陡降”,就是一个相对的概念了.如前文所述,“5倍”当然算“明显”,但3倍、4倍,恐怕就难以给出一个视觉上的直观标准了.所以必须从数学的角度给出一个明确的数值.但如前所述,所谓“陡降”是一个相对的概念,是指沉降量增量的变化,即物理上的加速度.而在几何意义上,指的是曲线上第二拐点的切线的斜率,即数学中的导数.然而Q―s曲线并非一条可以定义f（x）的函数曲线,仅在为规律的缓变型时可使用曲线拟合的方法,而在有明显陡降时是无法推导出其导数函数f'（x）的,所以不具可操作性.综合前人的经验,我认为定义“陡降”的方法可采用Q―s曲线相邻两级连线与横轴（Q,kN）的角度更加实用.结合前文,Q―s曲线可采用横轴：纵轴等于2：3的比例绘制,横轴（Q,kN）最大数值为最大加载压力,而纵轴（s,mm）则应区别对待：当试验已出现极限荷载（JGJ106-2003中4.3.8第1款、第2款）或已加载至桩顶总沉降量60mm～80mm（JGJ106-2003中4.3.8第5款）时,纵轴（s,mm）最大数值应为试验的总沉降量；而当最大加载压力仅达到设计要求（JGJ106-2003中4.3.8第3款）且沉降量并不大的时候,宜将纵轴（s,mm）最大数值设置为60mm或桩径的10%.则图2的Q―s曲线如图3所示,为缓变型Q―s曲线,是可以准确反映基桩质量的.或可根据实际情况缩短纵轴（s,mm）长度以使成果图更加美观,但应保持横纵轴的数值比（kN/mm）,如图4所示.

图3Q―s曲线图（三）

图4Q―s曲线图（四）

而陡降以角度α定义的话,如图5所示,tgα等于[（si+1-si）/（Qi+1-Qi）]×BQ/s.其中,Qi和si分别为发生明显陡降的起始点对应的荷载值和沉降量；Qi+1和si+1分别为发生明显陡降起始点的下一级所对应的荷载值和沉降量；BQ/s为图形绘制时横纵轴的数值比（kN/mm）,取相同长度单位代表的荷载和沉降量的比值.笔者统计了14个工程20个出现“陡降”的静载试验数据,tgα的平均值为2.51.由此推论定义α可取70°,即Q―s曲线某两级数据点之间的连线与横轴（Q）的夹角达到70°可定性为“明显陡降”,该线段起始点对应的荷载为极限承载力Qu.

图5Q―s曲线图（五）

3结语

综上所述,利用基桩静载试验是人们公认的最常规、最直观、最准确的测量基桩承载力的方法,到目前为止,在桩的承载力大小确定方面还没有一种方法能够取代静载试验方法.检测试验是一项需要细心、耐心、责任心相结合的工作,只有注重每一个细节,才能得出准确的结论,科学、准确反映工程施工质量,保证工程建设的安全性和合理性.本文就基桩静载试验检测数据进行了分析及判定,相信能为基桩更好地应用于建筑工程中而提供一定的帮助.