自平衡法樁基靜載在大型橋梁工程中的應(yīng)用

梁文森

（中核華辰建設(shè)有限公司，福建 莆田351100）

0 引言

為解決莆田市白塘路建設(shè)工程運(yùn)用傳統(tǒng)樁基靜載試驗(yàn)方法（堆載法和錨樁法等）受到加載能力、場地條件等方面的限制，難以實(shí)施的問題，結(jié)合項(xiàng)目實(shí)際情況進(jìn)行了樁基自平衡法[1]靜載荷試驗(yàn)。根據(jù)項(xiàng)目地質(zhì)勘察資料及水文條件，選擇相近樁基進(jìn)行自平衡法和堆載法靜載試驗(yàn)，通過比較，驗(yàn)證兩者得到的單樁極限承載力接近。

1 工程概況

莆田市白塘路建設(shè)工程位于城市綠心，東臨興化灣，地勢平坦，多為海陸交互相和濱海相地貌。全長約為4.1 km，其中橋梁總長約2.8 km，橫跨8條河道。單跨跨徑28.0～33.0m，上部為箱梁結(jié)構(gòu)。采用1 200mm的灌注樁，樁長35～45m，單樁承載力容許值為6 000～8 000 kN。

2 試樁試驗(yàn)

2.1 自平衡法試驗(yàn)原理

樁基自平衡法靜載荷試驗(yàn)[2]主要裝置是一種特制的荷載箱，它主要由活塞、頂蓋、底蓋及箱壁四部分組成。試驗(yàn)時(shí)，通過加載系統(tǒng)對荷載箱施加壓力，其頂蓋與底蓋分離，產(chǎn)生樁周邊土的摩阻力與端部阻力。通過位移傳感器測出荷載箱向上、向下位移，將上部樁的極限承載力進(jìn)行換算與下部樁的極限承載力相加，得到單樁的極限承載力，見圖1。

圖1 自平衡法靜載試驗(yàn)簡圖

2.2 試樁的施工順序及要求

2.2.1 施工順序

施工準(zhǔn)備→測量放樣→埋設(shè)護(hù)筒→挖設(shè)泥漿池→鉆機(jī)就位→鉆孔→制作鋼筋籠→檢測成孔深度、孔徑、傾斜度→清孔→吊放鋼筋籠→下導(dǎo)管→二次清孔→混凝土拌和及運(yùn)輸→灌注水下混凝土（初凝前向聲測管壓力注水劈孔）→鉆機(jī)撤出→拆護(hù)筒養(yǎng)生→15 d～28 d期間做超聲波檢測→到28 d齡期做承載力檢測。

2.2.2 施工特殊要求

自平衡法靜載荷試樁施工除嚴(yán)格滿足設(shè)計(jì)圖紙及相關(guān)工藝規(guī)范要求外，還應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

（1）聲測管的連接采用套管接頭，在荷載箱處斷開，上段聲測管一端與荷載箱的頂板連接，下段聲測管一端與荷載箱的底板連接，另一端密封。

（2）鋼筋籠分成兩部分，上部鋼筋籠與荷載箱上頂板焊接，下部鋼筋籠與荷載箱下底板焊接，保證荷載箱中心軸與鋼筋籠中心軸重合。加密荷載箱上下2m范圍內(nèi)的箍筋，見圖2。

圖2 荷載箱與鋼筋籠連接

2.3 試樁的自平衡法靜載荷試驗(yàn)

2.3.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

（1）配置檢測儀器設(shè)備，檢查荷載箱是否正常工作，儀器初調(diào)。

（2）布置基準(zhǔn)梁、基準(zhǔn)樁及搭設(shè)防風(fēng)棚。

（3）架設(shè)位移測量系統(tǒng)，布置好位移計(jì)。

（4）儀器、設(shè)備測試元件的標(biāo)定。加載前由具有資質(zhì)的法定計(jì)量部門進(jìn)行加載設(shè)備及儀器系統(tǒng)標(biāo)定，以確保試驗(yàn)荷載的準(zhǔn)確性。

2.3.2 試驗(yàn)程序

（1）分級進(jìn)行加、卸載。

（2）觀測。加載量測、卸載量測、穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)、抗壓終止加載條件等按《基樁靜載試驗(yàn)自平衡法》行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JT/T 738—2009執(zhí)行。

2.3.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析、整理

（1）單樁極限承載力的計(jì)算公式根據(jù)《基樁靜載試驗(yàn)自平衡法》行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(JT/T 738—2009)，單樁豎向抗壓極限承載力為：

式中：Pu為單樁極限承載力（kN）；Qs為上部樁的加載極限值（kN）；Qx為下部樁的加載極限值（kN）；Ws為荷載箱上部樁自重（kN）；γ 為向下、向上摩阻力換算系數(shù)，根據(jù)上部樁周邊土的類型計(jì)取。粘性土、粉士:γ=0.6-0.8，砂土γ=0.5-0.7,巖石γ=1.0，據(jù)該樁基工程地質(zhì)資料,粘性土、粉士、砂土?xí)喝≈虚g值，通過加權(quán)平權(quán)法，計(jì)取γ=0.65。

（2）試樁的單樁極限承載力計(jì)算

根據(jù)試樁荷載箱向上（Q+—s+）、向下（Q－—s－）兩條曲線，測算試樁的極限承載能力。先將自平衡法試驗(yàn)的上部分樁（Q+—s+）曲線換算成樁基受壓的向下Q～s曲線，疊加兩段向下曲線，得到傳統(tǒng)靜載法Q～s曲線。本次試驗(yàn)最大有效荷載Qs=5 336 kN，先計(jì)算Ws=V×ρ=0.6×0.6×3.14×34×24=922 kN，再 計(jì) 算Pu= Qx+（Qs- Ws）/γ=5 336+（5 336-922）/0.65=12 127 kN，即本次試樁的單樁極限承載力為12 127 kN。

（3）試樁的主要土層側(cè)摩阻力

樁身軸力及樁身周邊主要土層側(cè)摩阻力的測試，在樁身不同深度的位置埋設(shè)鋼筋計(jì)。據(jù)該樁基工程地質(zhì)資料，埋設(shè)斷面位置分別為樁頂以下2m、10m、16.5m、18.5m、24.5m、34m和39m，基本位于各土層分界面處。加載過程，首次加載1 334 kN，后續(xù)每級增加荷載667 kN，最大有效荷載5 336 kN；卸荷過程，每級卸載1 334 kN。加載過程中，讀取每級荷載作用下鋼筋計(jì)的頻率，根據(jù)標(biāo)定的頻率-荷載關(guān)系曲線，得出縱向受力鋼筋所受到的應(yīng)力由σg=εEg，同級荷載下，試樁內(nèi)混凝土與鋼筋產(chǎn)生的變量相同，可得σg/Eg=σp/ Ep，結(jié)合公式根據(jù)鋼筋的應(yīng)力和應(yīng)變量關(guān)系，推導(dǎo)樁身軸力計(jì)算公式：

式中：Fz為樁身截面處的軸力；f0為第i級加載前鋼筋計(jì)讀數(shù)；fi為第i級加載后鋼筋計(jì)讀數(shù)；Ep為樁身彈性模量；Ap為樁身橫截面積；Eg為鋼筋彈性模量。

通過樁身軸力計(jì)算各土層的平均側(cè)摩阻力：

式中：τ（i）為第i層土的平均側(cè)摩阻力；L（i）為第i層土的長度；FZ（i-1）為第i層土下斷面的樁身軸力；FZ（i-1）為第i層土上斷面的樁身軸力；u為樁周長。

2.4 樁基堆載法靜載試驗(yàn)

2.4.1 試驗(yàn)的目的

通過試驗(yàn)得到樁側(cè)的分層極限摩阻力和樁端極限承載力，確定樁基的單樁極限承載力[3]。為驗(yàn)證本項(xiàng)目采用自平衡法樁基靜載荷試驗(yàn)的可行性及可靠性，提供依據(jù)。

2.4.2 試樁的選擇

在項(xiàng)目采用的自平衡靜載荷試樁周邊，根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告選擇與試樁相近地質(zhì)條件的工程樁。

2.4.3 試驗(yàn)結(jié)果

本次單樁極限承載力試驗(yàn)實(shí)測值為12 800 kN。

3 樁基靜載荷試驗(yàn)對比分析

本項(xiàng)目通過選擇相同或近似工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件下的樁基，分別采用自平衡法和堆載法進(jìn)行樁基靜載荷試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果得到的樁基極限承載力是接近的。對比分析見表1。

4 結(jié) 論

（1）本項(xiàng)目自平衡法靜載荷試樁計(jì)算單樁豎向極限承載力Pu= Qx+（Qs- Ws）/γ 時(shí)，驗(yàn)算結(jié)果Pu=12 127 kN，接近堆載法實(shí)測值12 800 kN。參考行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中，對于粘土層，向下摩阻力是向上摩阻力的0.6～0.8倍；對于砂土層，向下摩阻力是向上摩阻力的0.5～0.7倍。根據(jù)實(shí)測各土層向上摩阻力，本項(xiàng)目加權(quán)取值γ≈0.65合理。

表1 自平衡法與傳統(tǒng)堆載法靜載試驗(yàn)對比表

（2）樁基自平衡法靜載荷檢測具有推廣價(jià)值。在基樁傳統(tǒng)靜載試驗(yàn)因試驗(yàn)環(huán)境限制難以實(shí)施，或檢測費(fèi)用過高不經(jīng)濟(jì)等情況，比如水上、坡地、基坑底、狹窄場地及特大噸位等類型樁基，宜采用自平衡法靜載荷試驗(yàn)，檢測樁的極限承載力，判斷是否滿足工程設(shè)計(jì)要求。