谈深基坑工程桩基检测技术
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摘要:结合某深基坑工程案例，分析了土体卸载可能会对桩基产生的影响，并探讨了静载试验、自平衡试验等桩基检测方法的应用，进一步分析了钻芯法、钻孔内水下摄像的方法对桩身缺陷评估的应用。
关键词:深基坑工程;桩基检测;静载试验;自平衡试验
引言
伴随着城市化进程和交通设施建设的完善，更多的超高层建筑与地铁工程快速兴起，在这些工程中，面临着大量的深基坑工程，这常常需要处理好许多问题，如开挖基坑对周围建筑物的影响、基坑回弹对工程桩产生的影响、软土地区基坑开挖的稳定问题、工程桩的变位问题等，均应加强防范，防止工程事故的发生［1－2］。在深基坑工程中，基坑开挖土体的卸载往往会对桩基的承载力及竖向刚度产生影响。目前广泛采用的是地面试桩的方法，但其测试结果与桩的承载力存在偏差。对于深基坑工程的工程桩，桩顶往往在地面以下十多米的深度处，由于软土及地下水等诸多因素的限制，当前桩基的测试只能在地面上，尽管可以在计算中减去开挖区域的摩阻力，但地面试桩的条件与深基坑开挖后的情况并不相同［3－4］。部分研究通过数值模拟了深基坑情况，揭示了深基坑开挖对桩基承载力的影响，但仍缺乏现场测试的相关数据，也没有测试结果与承载能力的相关验证，同时桩基的上拔、变位等问题，目前仍没有较好的测试方法。基于上述问题，本文对深基坑工程开挖对桩基的影响展开研究，阐述土体卸载可能对桩基产生的影响，探讨静载试验、自平衡试验等桩基检测方法的应用。
1项目概况
某新建写字楼项目，建筑高度为198m，总建筑面积约为76450m2，地下部分共3层。该工程三面环水，基坑距离湖边最近处约为10m，地下水位埋深约为1.5m。该工程的基坑总面积约为14000m2，该工程开挖范围的土质主要为淤泥质土，基坑底部位置接近承压水层，承压水头较高，基坑开挖可能会影响坑底的稳定和造成围护墙的变形。
2基坑开挖对工程桩的影响分析
基坑的开挖可能会对深基坑工程桩桩基的水平位移、回弹和拉力产生影响。基坑的外侧既有工程桩的影响及监测和基坑围护结构相类似，包括水平与竖向位移以及深层的水平位移监测。在超高层建筑基坑开挖及施工时，面临的主要问题是基坑内桩基的承载力及竖向位移测试，这也是本文着重分析的问题。
2.1承载力的影响
在深基坑开挖过程中，土体的挖除即会造成挖除区域的荷载卸除，基坑底部桩顶截面标高以上范围的覆土被卸载。基坑开挖平面范围较大时，卸除的覆土荷载将导致桩侧的法向土压力降低，最终致使桩与土之间的侧摩阻力下降。这会影响到桩基的承载力及竖向刚度，导致试桩的承载力偏高，即土体围压降低导致桩基承载力下降的问题。同理，上述分析对于抗拔桩也适用，在土体开挖后，桩周土体的竖向应力降低，导致桩与土接触界面的法向力下降，桩侧摩阻力降低。而抗拔桩承载力多由侧摩阻力提供，开挖卸载则会造成桩基抗拔承载力下降。
2.2承载变形的影响
深基坑开挖往往会导致基坑底部的土体回弹，从而在桩顶往下的一定范围产生上拔的摩阻力，而下部的桩侧则形成向下的摩阻力，以达到平衡，使得整个桩身会处于受拉的应力状态。上述作用对桩的荷载传递产生影响会降低桩的竖向刚度。在国外的规范中，把地基变形对桩基的作用作为独立工况，在计算时考虑基坑开挖效应对桩的影响，把地基的变形作为对桩的一种影响因素，尤其是桩基尚未受到荷载时，需要着重考虑。在一些深基坑工程中，甚至会出现基坑开挖后桩基大面积受拉，甚至出现桩身结构的破坏。在基坑底部不同位置的桩基，还可能因土体侧向位移等因素的影响而产生桩身弯曲、偏位等问题。就抗拔桩来说，其主要用于承受上拔力，土体的开挖回弹产生的上拔力可能不会导致桩身断裂，但必定会对桩身的受力状态产生影响。因而，无论是承压桩或是抗拔桩均应考虑深基坑土体卸载对桩基受力状态的影响。
3桩基承载力检测
3.1静力载荷试验
通过静力荷载试验可以得到桩基的抗压、抗拔以及横向承载力，这是当前较为广泛采用的方法。随着科技的不断进步，为进一步探究桩基的作用机理创造了条件。在对深基坑开挖条件下的单桩竖向承载力进行试验时，可以采用与桩基受力状态类似的方法。在加载时，利用堆载或者锚桩提高支反力，通过千斤顶对桩基逐步增大荷载，测出荷载随桩顶位移变化的曲线、位移－时间曲线等，确定单桩的承载力、桩身摩阻力及桩端阻力等。如采用慢速维持荷载的方法，通过逐级等步增加荷载，每步荷载为预估最大荷载的10%，其中第一级的荷载可取最大荷载的20%，在卸载过程中按照与加载过程相反的次序逐级卸载。加载和卸载过程应保证荷载的均匀、连续保持荷载的过程中荷载的变化幅度不能超过该步分级荷载的±10%。对于基坑底部的工程桩，桩顶通常在地面下10m左右的深度处，开挖到基坑底部时，由于软土及地下水等因素，仅能在地面上进行试桩。常用的试桩方法有两种:一种是常规试桩法，如图1所示，通过试桩的承载力减去开挖面以上桩的侧摩阻力来确定桩基承载力;另一种是套管试桩法，在常规试桩法的基础上，在基坑开挖深度范围增加套管，以消除开挖范围的桩基侧摩阻力，但桩基的受力状态与该加载方法亦存在区别。较为理想的试桩方法则如图2所示，在土体开挖完成后进行桩基试验，这在现实中常常无法实现。但对于大面积深基坑开挖工程，应当考虑土体开挖回弹对桩基承载力等的影响。考虑到开挖卸载后常规的桩基试验也难以进行，可采用锚桩法或者荷载锚桩联合试验的方法进行，力求实现在基坑底部试桩。试桩时加载可以采用1台或者多台相同型号的千斤顶进行，荷载可以通过并联在千斤顶的压力表进行换算，若需进一步提高精度，可以在千斤顶上设置压力传感器，以实现双控校正。通过坑底试验结果与地面试验结果的比较，分析地面卸载对桩基承载力的影响。试桩时，需要在桩身中提前埋设电阻应变计、位移杆等元件，测出桩侧不同深度的摩阻力及端承力。桩基的沉降测试可以通过安装于桩正交方向的4个位移计测得。沉降测定的平面应距离桩顶≮0.5d，需要监测基坑开挖引起坑底土体的位移，并在桩基加载的沉降计算中扣除。
3.2自平衡检测
对于大范围开挖的深基坑坑底试桩、水上试桩及大吨位试桩等，通常的静载试验堆载平台无法实现，此时可以通过桩基自平衡检测的方法进行。该方法试验装置较为简便，同时不需要占用较多场地，操作简单方便，同时又安全可靠。其原理是通过安装于桩底附近的千斤顶，由油泵在地面进行加载，千斤顶向上对桩身加载，向下压桩底，这样便能实现桩的摩阻力和桩的端阻力相互成反力，测出荷载－位移曲线，并进行叠加，得到桩顶的承载力－位移曲线。在试验过程中，荷载的大小通过千斤顶油泵的压力表获得，位移则通过位移计获得，上、下部桩的位移均采用两只百分表测试。自平衡检测方法的主要设备是经特殊设计的液压千斤顶式的压力单元。该压力单元分为不可回收(一次性)和可回收两种。不可回收的压力单元通常为锅式、鞘式。可回收的压力单元是安装在空心预制桩的内部、桩底附近。通过预先加工的卡口浇筑在桩端附近，试桩时将压力单元放在卡口位置，再顺时针旋转90°将其锁住，试桩完成后再卸下压力单元。
4桩身缺陷检测
4.1钻芯法
通过钻芯法对桩身缺陷进行检测是比较直观的方法，可以了解灌注桩的完整性、确定断裂位置，了解桩身缺陷与基坑回弹的关系，同时检测出混凝土是否存在离析、蜂窝等缺陷，了解桩底沉渣的厚度等，为准确分析开挖基坑导致工程桩竖向刚度降低提供有效数据。钻芯法是微破损或局部破损的方法，该方法适合大直径桩的检测，但该方法在检测受基坑开挖影响上拔断裂破坏时，宜与其他方法结合进行检测。在试验前，确定钻芯检测方案，如钻孔的深度、数量、位置等，钻芯时应避开桩内的钢筋。
4.2钻孔内水下摄像
钻芯法检测时往往容易受到制约，甚至在部分工程中出现争议，如由于机械原因导致芯样破损，这时则需要辅助光学技术进行判断。通过拍摄的图像进行观察，对于桩身的缺陷位置进一步的进行识别，对缺陷的大小、桩底沉渣的厚度等均能够进行判断。
5结语
在深基坑工程中，往往由于土体开挖卸载导致基坑底部土体回弹，这对基坑底部的工程桩承载力及竖向刚度产生影响，甚至引发桩身受拉裂缝、断裂等问题。在工程中，可以综合选择静载试验或自平衡试验进行桩基检测，通过钻芯法与钻孔内水下摄像结合的方法，对桩身缺陷进行检测。
参考文献:
［1］丘建金，高伟，周赞良，等．超深基坑及超大直径挖孔桩施工对临近地铁变形影响分析及对策［J］．岩石力学与工程学报，2012，31(6):1081－1088．
［2］黄沛，刘铭，陈华，等．桩基建筑物受临近深基坑施工影响的安全评估［J］．岩土工程学报，2012，34(S1):347－351．
［3］陈孝贤．深基坑开挖坑底土体隆起对工程桩影响的探讨［J］．福建建设科技，2006(3):15－16．
［4］朱火根，孙加平．上海地区深基坑开挖坑底土体回弹对工程桩的影响［J］．岩土工程界，2005，8(3):43－46．
作者：王玮 单位：山西省建筑科学研究院有限公司