鐵路橋梁大直徑預(yù)應(yīng)力管樁單樁試驗(yàn)

楊 斌，馬西章，王軍東，侯宇飛，于廣志

（1.中國鐵路總公司工程管理中心，北京 100844；2.京沈鐵路客運(yùn)專線京冀有限公司，北京 101500；3.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081；4.中鐵上海工程局，上海 200436）

混凝土預(yù)應(yīng)力管樁以其標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)、施工簡易、施工周期短、對周圍環(huán)境影響小、承載力高、經(jīng)濟(jì)性強(qiáng)，并且施工質(zhì)量易于控制、綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，在鐵路橋梁工程中有著廣闊的應(yīng)用前景［1-3］。目前常用的預(yù)應(yīng)力管樁以外徑為400 mm 和600 mm 為主，由于鐵路橋梁荷載較大，鐵路橋梁中所選管樁通常為直徑超過600 mm 的大直徑管樁［4］。雖然預(yù)應(yīng)力管樁在普速鐵路、高速鐵路中已有初步探索和應(yīng)用，但還未形成完善的理論系統(tǒng)，也無足夠的實(shí)踐應(yīng)用和試驗(yàn)驗(yàn)證，尤其是大直徑管樁的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)更少。因此本文進(jìn)行大直徑預(yù)應(yīng)力管樁試樁試驗(yàn)來驗(yàn)證設(shè)計參數(shù)和施工工藝的可靠性。

1 工程背景及試驗(yàn)概況

1.1 工程背景

新建京雄城際鐵路站前工程JXSG-5 標(biāo)固霸特大橋起訖里程為 DK67+912.35—DK81+561.78（206#墩—621#臺），橋梁長度為13.65 km。全橋共416 個橋墩，其中282#—411#墩、418#—420#墩橋梁基礎(chǔ)設(shè)計為管樁，選用直徑1 m、壁厚130 mm 的AB 型預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)度混凝土（Prestressed High-strength Concrete，PHC）管樁，樁長34～42 m。

1.2 試驗(yàn)場地及試驗(yàn)參數(shù)

選取固安制梁場試樁3 根、正線DK71+200 試樁6根、正線DK71+300試樁3根進(jìn)行試樁試驗(yàn)。本文對正線DK71+200 的6 根試樁試驗(yàn)進(jìn)行介紹。正線DK71+200場地地質(zhì)情況見表1。

表1 DK71+200場地地質(zhì)情況

正線 DK71+200 的 6 根樁均為 AB 型 PHC 管樁，均采用長0.6 m 的開口型樁靴，單樁豎向抗壓承載力設(shè)計值Pd為5 000 kN，主力+附加力作用下單樁水平力設(shè)計值Hd為100 kN，單樁水平承載力容許值［H］為240 kN，其他試驗(yàn)參數(shù)見表2。

表2 DK71+200場地管樁試樁試驗(yàn)參數(shù)

1.3 試驗(yàn)檢測內(nèi)容

1）采用低應(yīng)變反射波法檢測樁身完整性。

2）采用高應(yīng)變檢測法檢測預(yù)制樁豎向抗壓承載力和樁身完整性；通過單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)與高應(yīng)變承載能力檢測法互相校核，為實(shí)際工程樁高應(yīng)變法承載能力檢測提供參考。

3）單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)。得到測試單樁抗壓荷載-位移曲線及單樁極限抗壓承載力。

4）單樁水平承載力試驗(yàn)。通過施加單樁樁頂自由時的單樁水平承載力，推定地基土抗力系數(shù)的比例系數(shù)，得到單樁水平荷載-位移曲線及單樁水平極限承載力。

5）樁頭與承臺的連接可靠性試驗(yàn)。

1.4 機(jī)械設(shè)備及制樁要求

主要機(jī)械設(shè)備有DD160柴油導(dǎo)桿錘、HHP20液壓沖擊錘、長螺旋鉆機(jī)。根據(jù)設(shè)計文件要求，第1節(jié)樁長不小于15 m。管樁試樁配置如下：樁長42 m 分為3節(jié)，分別為 16，13，13 m；樁長 40 m 分為 3 節(jié)，分別為16，12，12 m。樁尖選用開口型樁尖，樁尖長度分別為0.6，1.0 m。

2 試樁檢測結(jié)果

2.1 低應(yīng)變反射波法樁身完整性檢測結(jié)果

低應(yīng)變反射波法又稱錘擊法，是以一維彈性桿應(yīng)力波波動理論為基礎(chǔ)的無損檢測方法，適用于檢測樁身完整性，判斷樁身缺陷類型、位置及嚴(yán)重程度等。試驗(yàn)時在樁頂部位進(jìn)行錘擊（豎向激振），給樁一定的能量，產(chǎn)生一縱向彈性波，根據(jù)彈性波在樁身各部位的傳播速度來判別樁身的完整性［5］。本場地3 根試樁（試樁4—試樁6）樁身完整性均為Ⅰ類樁。

2.2 高應(yīng)變現(xiàn)場檢測結(jié)果

高應(yīng)變檢測的原理是用重錘沖擊樁頂，使樁土產(chǎn)生足夠的相對位移，以充分激發(fā)樁周土阻力和樁端支承力，通過安裝在樁頂以下樁身兩側(cè)的力和加速度傳感器接受樁的應(yīng)力波信號，應(yīng)用應(yīng)力波理論分析處理力和加速度時程曲線，從而判定樁的承載力和評價樁身質(zhì)量完整性。本場地試驗(yàn)采用16 t 錘檢測，實(shí)測貫入度很低，發(fā)生拒錘現(xiàn)象，樁端及樁側(cè)土的阻力在重錘作用下不能夠充分激發(fā)。檢測結(jié)果詳見表3。

表3 DK71+200位置試樁高應(yīng)變現(xiàn)場檢測結(jié)果

2.3 單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)結(jié)果

單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)是模擬樁豎向受力的工作情況。將油壓千斤頂放置在試樁頂部，采用支墩-壓重平臺及壓重-千斤頂反力裝置與靜力載荷測試儀控制完成加荷觀測。由千斤頂、油泵及壓力傳感器組成的加壓系統(tǒng)對樁頂施加豎向荷載，用位移傳感器（百分表）測定在荷載作用下隨時間變化的試樁沉降。

2.3.1 試驗(yàn)方案

本次堆載法靜荷載試驗(yàn)采用慢速維持荷載法。試驗(yàn)過程依據(jù)TB 10218—2008《鐵路工程基樁檢測技術(shù)規(guī)程》執(zhí)行。所加配重不低于最大加載量的1.3倍。

1）試驗(yàn)加卸載方式。加載分級進(jìn)行，逐級等量加載，分級荷載為設(shè)計承載力2 倍（即10 000 kN）的1/10，即每級1 000 kN，第1 級取分級荷載的2 倍。當(dāng)加載至設(shè)計承載力2倍，未達(dá)到終止加載情況時，繼續(xù)加載，直至達(dá)到終止加載條件為止。卸載分級進(jìn)行，每級卸載量取加載時分級荷載的2倍。加卸載時應(yīng)使荷載傳遞均勻、連續(xù)、無沖擊，每級荷載在維持過程中的變化幅度不超過分級荷載的±10%。

2）慢速維持荷載法試驗(yàn)步驟為：①每級荷載施加后按第5，15，30，45，60 min 測讀樁頂沉降，以后每隔30 min 測讀1 次。②每1 h 內(nèi)的樁頂沉降不超過0.1 mm，并連續(xù)出現(xiàn)2次（從分級荷載施加后第30 min開始，按1.5 h連續(xù)3次每30 min的沉降觀測值計算），則表示所檢測的樁沉降相對穩(wěn)定。③當(dāng)樁頂沉降速率達(dá)到相對穩(wěn)定時，再施加下一級荷載。④卸載時，每級荷載維持1 h，按第15，30，60 min 測讀樁頂沉降后，即可卸下一級荷載。卸載至0后，應(yīng)測讀樁頂殘余沉降，維持時間為3 h，測讀時間為15，30 min，以后每隔30 min測讀1次。

3）終止加載條件為：當(dāng)荷載-沉降曲線呈緩變型時，加載至樁頂總沉降超過50 mm。

2.3.2 試驗(yàn)結(jié)果

本場地進(jìn)行了3 根試樁單樁豎向抗壓試驗(yàn)，試樁的荷載-沉降曲線見圖1。

由圖1可知：3 根試樁的荷載-位移曲線均屬于緩變型，未出現(xiàn)突然下降，因此取最大荷載附近樁頂沉降50 mm 時對應(yīng)的荷載為單樁豎向抗壓極限承載力。3根樁單樁豎向抗壓極限承載力試驗(yàn)結(jié)果的極差均不超過平均值的30%時，取其平均值為單樁豎向抗壓極限承載力統(tǒng)計值。檢測結(jié)果詳見表4。

圖1 單樁豎向抗壓荷載-位移曲線

表4 DK71+200位置試樁單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)結(jié)果

2.4 單樁水平承載力試驗(yàn)結(jié)果

本次單樁水平承載力試驗(yàn)采用慢速維持荷載法［6］。水平推力加載裝置采用油壓千斤頂，加載力大于最大試驗(yàn)荷載的1.3倍。水平推力的反力由相鄰樁提供。

2.4.1 試驗(yàn)方案

1）試驗(yàn)加卸載方式、試驗(yàn)步驟與豎向抗壓靜載試驗(yàn)相同，水平分級加載時初級荷載200 kN，以后每級荷載取100 kN。

2）終止加載的條件：經(jīng)與設(shè)計單位溝通，本試驗(yàn)中試驗(yàn)荷載達(dá)到設(shè)計值4倍時停止加載。因此試驗(yàn)荷載須達(dá)到4［H］=960 kN后停止加載。

3）當(dāng)樁頂自由且水平力作用位置位于地面時，地基土水平抗力系數(shù)的比例系數(shù)m可按下列公式確定［7］。

式中：vy為樁頂水平位移系數(shù)，當(dāng)h≥ 4.0 m 時（h為樁的入土深度），vy=2.441；H為作用于地面的水平力；s0為水平力作用點(diǎn)的水平位移；EI為樁身抗彎剛度；b0為樁身計算寬度，對于圓形樁，當(dāng)樁徑D≤1 m時，b0=0.9（1.5D+0.5），本試驗(yàn)為1.8 m。

2.4.2 試驗(yàn)結(jié)果

試樁的水平荷載-樁頂水平位移曲線見圖2。

圖2 單樁水平荷載-樁頂水平位移曲線

由圖2可知：各樁的水平荷載-樁頂水平位移曲線均屬于緩變型。參考JGJ 106—2014《建筑基樁檢測技術(shù)規(guī)范》取設(shè)計樁頂標(biāo)高處水平位移6 mm 時所對應(yīng)荷載的0.75 倍作為單樁水平承載力特征值，取3 根試樁試驗(yàn)結(jié)果的平均值為單樁水平承載力平均特征值。檢測結(jié)果詳見表5。

表5 DK71+200位置試樁單樁水平承載力檢測結(jié)果

3 根試樁的水平力、樁頂水平位移與地基土水平抗力系數(shù)的比例系數(shù)m的關(guān)系曲線見圖3。

圖3 m值隨水平荷載、樁頂水平位移的變化曲線

由圖3可知：m值與樁頂水平荷載、樁頂水平位移均呈非線性關(guān)系，且隨水平荷載和樁頂水平位移的增大而減??；在水平荷載小于600 kN、水平位移小于15 mm 之前，m值隨水平荷載及位移的增大急劇下降，之后曲線變化平緩，m值基本不再變化。

2.5 預(yù)應(yīng)力管樁樁頭與承臺連接可靠性試驗(yàn)結(jié)果

2.5.1 試驗(yàn)方案

本場地進(jìn)行了3 組（6 根）樁頭與承臺連接可靠性試驗(yàn)。6根樁在承臺上的平面布置見圖4，其中試樁2、試樁5為第1組；試樁1、試樁4為第2組；試樁3、試樁6為第3 組。每組試驗(yàn)采用錨具將2 根管樁水平固定，在2 根管樁上部承臺之間采用水平千斤頂加載，采用百分表測試承臺上部水平位移。圖4（b）中所示距離見表6。

圖4 樁頭與承臺連接可靠性試驗(yàn)

表6 圖4（b）中所示距離 m

2.5.2 試驗(yàn)結(jié)果

第1 組試樁當(dāng)荷載達(dá)到1 450 kN 時，試樁5 樁頭與承臺連接處斷裂；第2 組試樁當(dāng)荷載達(dá)到900 kN時，試樁4 樁頭與承臺連接處斷裂；第3 組試樁當(dāng)荷載達(dá)到900 kN 時，試樁3 樁頭與承臺連接處斷裂。檢測結(jié)果見表7；樁頭與承臺連接可靠性試驗(yàn)單樁水平荷載-位移曲線見圖5。

由圖5可知：3組試驗(yàn)中，每1組2根試樁在相同荷載下，第1 組的試樁5、第2 組的試樁4 和第3 組的試樁3 均比同組另一根試樁的水平位移大，且在500～600 kN 后均進(jìn)入明顯的非線性階段，并最終首先破壞；而同組另1 根試樁（第1 組的試樁2、第2 組的試樁1 和第3 組的試樁6）則基本上始終處于線性階段。這是由于后者較同組破壞的樁有相對較大的水平剛度，也是由于破壞樁較大的水平位移使兩樁之間相互支承的水平千斤頂發(fā)生了剛體偏移，從而使試樁2、試樁1、試樁6水平位移減小。

表7 樁頭與承臺連接可靠性試驗(yàn)結(jié)果

圖5 樁頭與承臺連接可靠性試驗(yàn)單樁水平荷載-位移曲線

3 結(jié)論及建議

本次試樁試驗(yàn)針對固霸特大橋完成了包括低應(yīng)變反射波法樁身完整性檢測、高應(yīng)變檢測法樁身完整性及豎向抗壓承載力檢測、單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)、單樁水平承載力試驗(yàn)和樁頭與承臺的連接可靠性試驗(yàn)，得到了單樁抗壓荷載-沉降曲線及抗壓極限承載力、單樁水平荷載-位移曲線及水平極限承載力、推定了地基土的抗力系數(shù)的比例系數(shù)，并得到了樁頭與承臺連接的破壞荷載。根據(jù)本次試驗(yàn)提出以下建議：

1）根據(jù)已完成的2 處試樁高應(yīng)變檢測，對管樁采用自由落錘法進(jìn)行高應(yīng)變檢測，采用16 t 錘擊實(shí)測貫入度很低，發(fā)生拒錘現(xiàn)象，樁端及樁側(cè)土的阻力在重錘作用下不能夠充分激發(fā)；采用30 t重錘低擊，樁頭均出現(xiàn)破損，后期橋梁管樁施工過程中若采用高應(yīng)變檢測使樁頭破損，將會為施工帶來極大不便，建議取消高應(yīng)變檢測。

2）有條件時，對重要結(jié)構(gòu)可通過試樁確定m值。

3）樁頭與承臺連接可靠性試驗(yàn)中承臺混凝土澆筑完28 d 后方可進(jìn)行試驗(yàn)檢測，建議在承臺施工時留存同條件養(yǎng)護(hù)試塊，試塊強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度后進(jìn)行試驗(yàn)檢測。