成桩工艺系数与桩身混凝土强度


《建筑桩基技术规范》(JGJ 94-2008)对钢筋混凝土轴心受压桩正截面受压承载力应符合下列规定:
 当不考虑桩身配筋时:

式中,N为荷载效应基本组合下的桩顶轴向压力设计值;
ψc为基桩成桩工艺系数;
fc混凝土轴心抗压强度设计值;
Aps为桩身截面面积。

因此,才有了对话中提到的场景。那么,可否如对话中那样确定桩身混凝土强度是否满足设计要求呢?这涉及混凝土强度等级的规定、成桩工艺系数的定义和取芯检测方法的适用性。

1、混凝土强度等级
(1)标准试件
混凝土强度等级由立方体标准试件抗压强度标准值确定,立方体抗压强度标准值fcu,k混凝土各种力学指标的基本代表值,混凝土强度等级的保证率为95%,按混凝土强度总体分布的平均值减去1.645倍标准差的原则确定。
立方体标准试件的尺寸:150mm×150mm×150mm。
养护条件:试件成型后应在温度为20±5℃、相对湿度大于50%的室内静置1d~2d,试件静置期间应避免收到振动和冲击,静置后编号标记、拆模。拆模后应立即放入温度为20±2℃,相对湿度为95%以上的标准养护室中养护,或在温度为20±2℃的不流动的氢氧化钙饱和溶液中养护。标准养护室内的试件应放在支架上,彼此间隔10~20mm,试件表面应保持潮湿,并不得用水直接冲淋试件。
混凝土物理力学性能试验方法标准》(GB/T 50081-2019)规定的抗压强度试验的试件上、下表面是不涂润滑剂的,试验时其与试验机垫板之间存在摩擦,从而对混凝土试件形成约束作用,使其抗压强度有所提高。横向变形在上下端面处受到的约束最强,而在高度的中间处这种约束作用最弱。
考虑到结构中混凝土的实体强度与立方体试件混凝土强度之间的差异,采用棱柱体轴心抗压强度来更好地反映混凝土结构构件混凝土的实际抗压能力。在确定棱柱体试件尺寸时,为了使试件不受试验机压板与试件承压面间摩擦力的影响,在试件的中间区段形成单向受压状态,棱柱体试件的高宽比应足够大;同时,为了避免在破坏前产生较大的附加偏心而降低抗压强度,试件的高宽比不宜过大。图1是立方体和棱柱体混凝土试件的破坏示意图。
图1

图2
图3
图2、图3为棱柱体混凝土随高宽比的变化,其与立方体混凝土抗压强度的比值。根据相关研究资料,对于高宽比为2~3的棱柱体试件,可以认为基本能够消除上述两种因素的影响。《混凝土物理力学性能试验方法标准》(GB/T 50081-2019)规定混凝土棱柱体标准试件的尺寸为150mm×150mm×300mm。棱柱体混凝土与立方体混凝土的抗压强度对比数据见图4。
图4
混凝土棱柱体抗压强度标准值fck混凝土立方体抗压强度标准值fcu,k的换算关系如下:
fck=0.88αc1αc2fcu,k
其中,0.88为修正系数。
棱柱体强度与立方体强度之比αc1:对C50及以下普通混凝土取0.76;对高强混凝土C80取0.82,之间按线性插值。
高强度混凝土脆性折减系数αc2:对C40取1.00,对高强混凝土C80取0.87,中间按线性插值。
混凝土棱柱体抗压强度标准值fck见表1。
表1
混凝土的强度设计值fc由强度标准值fck除以混凝土材料分项系数γc确定。混凝土的材料分项系数取为1.40,混凝土的强度设计值fc见表2。
表2
(2)尺寸效应
混凝土尺寸效应是指混凝土力学性能随着混凝土构件尺寸的变化而发生变化。混凝土抗压强度试验结果表明,随着试件尺寸的增大,混凝土强度的试验测试值有规律地下降。
混凝土物理力学性能试验方法标准》(GB/T 50081-2019)给出了尺寸换算系数:混凝土强度等级<C60时,用非标准试件测得的强度值均应乘以尺寸换算系数,其值为对200mm×200mm×200mm(棱柱体为200mm×200mm×400mm)试件为1.05;对100mm×100mm×100mm(棱柱体为100mm×100mm×300mm)试件为0.95。当混凝土强度等级≥C60时,宜采用标准试件;使用非标准试件时,尺寸换算系数应由试验确定。对于高强混凝土,截取了一些试验数据,如表3、表4。
有研究认为:强度f与横向尺寸d的关系为f∝1/d2;当d增大到600mm以上时,d的对混凝土强度的影响变得很小。
表3
表4

(3)截面形状
混凝土试件受压截面形状主要圆形和方形两种。美国、加拿大等国家采用150mm×300mm的圆柱体作为标准试件,我国及英国、德国等国家采用150mm×150mm×150mm的立方体作为标准试件。
根据国外的研究资料,圆柱体抗压强度fcʹ与立方体抗压强度之间的关系如表5。其比值与棱柱体和立方体抗压强度的比值相近,有人比较了150mm×150mm×300mm棱柱体试件和150mm×300mm圆柱体试件的抗压强度,发现两种类型的试件抗压强度差别较小。
表5

2、成桩工艺系数
关于成桩工艺系数,《建筑桩基技术规范》(JGJ 94-2008)(以下简称:桩基规范)规定如下:
桩身混凝土的受压承载力是桩身受压承载力的主要部分,但其强度和截面变异受成桩工艺的影响。就其成桩环境、质量可控度不同,将成桩工艺系数ψc规定如下。ψc取值在原JGJ 94-94规范的基础上,汲取了工程试桩的经验数据,适当提高了安全度。
混凝土预制桩、预应力混凝土空心桩ψc=0.85;主要考虑在沉桩后桩身常出现裂缝
干作业非挤土灌注桩(含机钻、挖、冲孔桩、人工挖孔桩)ψc=0.90
泥浆护壁和套管护壁非挤土灌注桩、部分挤土灌注桩、挤土灌注桩ψc=0.7~0.8;软土地区挤土灌注桩ψc=0.6。对于泥浆护壁非挤土灌注桩应视地层土质取值,对于易塌孔的流塑状软土、松散粉土、粉砂,ψc宜取0.7。
可见,成桩工艺系数不仅仅是考虑成桩工艺对桩身混凝土强度的影响。

3、钻芯检测
《建筑基桩检测技术规范》(JGJ 106-2014)对取芯法检测的相关规定如下:
当采用钻芯法检测时,受检桩的混凝土龄期应达到28d,或受检桩同条件养护试件强度应达到设计强度要求。
基桩桩身混凝土钻芯检测,应采用单动双管钻具钻取芯样严禁使用单动单管钻具。
芯样试件直径不宜小于骨料最大粒径的3倍,在任何情况下不得小于骨料最大粒径的2倍,否则试件强度的离散性较大。目前,钻头外径有76mm、91mm、101mm、130mm几种规格,从经济合理的角度综合考虑,应选用外径为101mm和110mm的钻头;当受检桩采用商品混凝土、骨料最大粒径小于30mm时,可选用外径为91mm的钻头;如果不检测混凝土强度,可选用外径为76mm的钻头。
有效芯样试件的高径比须控制在0.95~1.05。根据桩的工作环境状态,试件宜在20±5℃的清水中浸泡一段时间后进行抗压强度试验。但考虑到钻芯过程中诸因素影响均使芯样试件强度降低,同时也为方便起见,允许芯样试件加工完毕后,立即进行抗压强度试验。
混凝土芯样试件的强度值不等于在施工现场取样、成型、同条件养护试块的抗压强度,也不等于标准养护28d的试块抗压强度。
芯样试件抗压强度与同条件试块或标养试块抗压强度之间存在差别,其原因主要是成型工艺和养护条件的不同,为了综合考虑上述差别以及混凝土徐变、持续持荷等方面的影响,《混凝土结构设计规范》GB 50010在设计强度取值时采用了0.88的折减系数。
大部分实测数据表明桩身混凝土芯样抗压强度低于控制混凝土材料质量的立方体试件抗压强度,但降低幅度存在较大的波动范围,也有一些实测数据表明桩身混凝土芯样抗压强度并不低于控制混凝土材料质量的立方体试件抗压强度。目前,尚不能采用一个统一的折算系数来反映芯样强度与立方体强度的差异。允许有条件的省、市、地区,通过详尽的对比试验并报当地主管部门审批,在地方标准或相关的规范性文件中提供有地区代表性的芯样强度折算系数。
综上,芯样试件的尺寸、形状、养护条件均匀标准试件不同,其抗压强度不能直接用于混凝土强度等级的确定。芯样抗压强度确实受成桩工艺影响,但芯样尺寸较小,其抗压强度主要反映的是材料属性,不能完全反映成桩工艺对桩身承载力的影响,比如不能反映桩土接触处附近的混凝土凝结情况、桩身截面尺寸不规则等对桩身承载力的影响,因此,不能如对话中那样评价桩身混凝土强度是否满足强度等级的设计要求。
现在常用的单动双管钻具钻取的芯样直径约80mm,制成高径比为1的试件进行抗压强度试验,一般情况下,直接以试验得到的抗压强度检测值进行混凝土强度等级的判断,这让桩基施工单位有苦难言。有人认为,相较于标准试件,芯样试件的尺寸较小,存在尺寸效应,此消彼长的情况下,可以这么判断。当然,采用单动单管钻具进行钻芯检测的情况也是屡禁不止,其芯样钻取质量无法得到保障,芯样试件抗压强度不够也是合理。
规范钻芯检测方法,并通过详尽的对比试验确定有代表性的芯样强度折算系数是很有必要的。


A. M. 内维尔在大量研究的基础上,给出了不同尺寸、形状的试件强度换算关系公式:

式中,f为试件抗压强度;fcu为150mm×150mm×150mm的立方体抗压强度;v为试件体积;h为试件高度;d为试件最大横向尺寸。计算时试件尺寸应换算成英制单位。


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