砂土地區(qū)超長基樁雙荷載箱法承載特性試驗研究

陳維超，楊偉軍，陳浩，楊建宇

(1.湖南省第四工程有限公司，湖南 長沙 410119；2.長沙理工大學(xué)，湖南 長沙 410114；3.湖南建工集團有限公司，湖南 長沙 410004)

橋梁基樁的承載力是保證橋梁結(jié)構(gòu)安全性、可靠性和經(jīng)濟性的關(guān)鍵，通過基樁現(xiàn)場原位承載力試驗，掌握超長基樁的受力特性、樁土間的荷載傳遞機理，具有重要的工程意義和理論價值。傳統(tǒng)的樁基承載力檢測方法按其加載形式可分為堆載法和錨樁法。對于涉及較長樁基的大型工程，如跨海大橋、超深基坑等，傳統(tǒng)靜載試驗不僅開展難度大，而且難以滿足較大噸位樁基的試驗要求。鑒于此，JORI[1]率先提出了一種在樁基內(nèi)部加設(shè)壓力盒來測定樁基承載力的方法，即所謂的“O-Cell 法”。經(jīng)過國內(nèi)外學(xué)者幾十年來的不斷發(fā)展，基于O-Cell 法的樁基自平衡法逐漸成為樁基承載力檢測的主流方法[2?8]。其中，基于雙荷載箱的樁基自平衡法能較好改善客觀不可控因素帶來的影響，從而提高了檢測精度[9?11]。雙荷載箱法是將2個荷載箱分別安放在樁身不同位置，按照預(yù)設(shè)外荷載條件分別加載或同時加載上、下荷載箱，然后得到上、中、下段樁的承載力，進而通過組合可求得整樁承載力的一種試驗方法[12?13]。該方法已在長大直徑樁基、深長嵌巖樁、后壓漿樁基的承載力測試中得到了越來越廣泛的應(yīng)用[14?17]。本文以越南砂土地區(qū)某橋梁工程超長基樁為背景，采用雙荷載箱法進行原位承載力試驗，研究砂土地區(qū)超長基樁的承載力特性，為砂土地區(qū)超長基樁的設(shè)計與施工提供參考。

1 工程概況

越南砂土地區(qū)某特大橋全長2 015.7 m，主橋為雙塔斜拉橋，主跨350 m，邊跨150 m，選取其中一工程鉆孔灌注樁進行試驗。該試驗基樁的樁長83 m，樁徑2.5 m，采用C35 水下混凝土澆筑而成。該基樁豎向主筋采用分段配置，樁長0～20 m的豎向主筋配置如圖1(a)所示，其配筋率為3.195%；樁長20～46 m 的豎向主筋配置如圖1(b)所示，其配筋率為2.13%；樁長46～83 m 的豎向配筋配置如圖1(c)所示，其配筋率為1.065%。混凝土的彈性模量Ec=3.15×104N/mm2,鋼筋彈性模量Es=2.0×105N/mm2。

圖1 鋼筋籠截面圖Fig.1 Reinforcement cage section

橋址處為厚砂土層地質(zhì)，地質(zhì)情況如表1 所示。在進行承載力測試之前，采用超聲波透射法對樁身質(zhì)量進行檢測，其樁身質(zhì)量為Ⅰ類樁。

表1 試驗基樁處地質(zhì)情況Table 1 Geological conditions of the test pile

2 試驗設(shè)計

2.1 試驗儀器

雙荷載箱加載裝置及測試斷面布置如圖2 所示。每個荷載箱由2個直徑670 mm的千斤頂組成，在荷載箱位置處，鋼筋籠斷開的主筋與荷載箱的上下承載板焊接在一起，并在鋼筋籠與荷載箱內(nèi)徑之間設(shè)置與主筋數(shù)量一致的導(dǎo)向喇叭筋，兩者夾角大于60°，如圖3 所示；在上下荷載箱的上承載板頂面上各布置3根樁身壓縮位移桿，以量測上段樁、中段樁的樁身壓縮變形；設(shè)置5個量測斷面SG1～SG5，每個斷面設(shè)置4個振弦式鋼筋應(yīng)力計，量測各段樁身的應(yīng)變、軸力及樁身壓縮；樁頂位移采用自動采集和存儲測量值的高精度水準(zhǔn)儀NA3000。

圖2 荷載箱及測試元件布置Fig.2 Load box and test element location

圖3 荷載箱安裝Fig.3 Load box installation

2.2 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)如圖4所示，各測試儀器數(shù)據(jù)均采用GeoLogger數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)連接至電腦上，每間隔60 s 自動記錄和存儲所測試的數(shù)據(jù)，并實時顯示。

圖4 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)Fig.4 Data acquisition system

2.3 加載程序

基樁設(shè)計荷載值為12 MN，荷載加載控制值為24 MN，采用雙荷載箱法分段量測樁側(cè)阻力、樁端阻力及樁身壓縮，加載原理如圖5所示。

圖5 雙荷載箱測試承載力示意Fig.5 Test bearing capacity of double load box

下荷載箱加載階段ST1：關(guān)閉上荷載箱，利用中段樁與上段樁的側(cè)阻力作為反力，分16 級對下荷載箱等量加載至12.12 MN 時停止加載，此時樁端位移量較小，未達(dá)到樁端極限承載力但已滿足工程需要，然后分6級卸載得到下段樁與樁端的承載特性。

上荷載箱加載階段ST2a：保持下荷載箱液壓設(shè)備不啟動并打開回水閥門，此時下荷載箱不傳遞荷載至樁端，利用上段樁的側(cè)阻力作為反力，分11 級對上荷載箱等量加載至5.06 MN，得到中段樁的承載特性。

上荷載箱加載階段ST2b：當(dāng)上荷載箱加載至5.06 MN 時，關(guān)閉下荷載箱的回水閥門，此時下荷載箱將中段樁與下段樁連成一體，利用中段樁與下段樁的側(cè)阻力及樁端阻力作為反力，分12 級對上荷載箱繼續(xù)等量加載至14.55 MN 時停止加載，然后分6級卸載得到上段樁的承載特性。

3 試驗結(jié)果分析

3.1 荷載?位移曲線特性

由圖6(a)可知：下荷載箱加載時，樁端荷載?位移曲線呈平緩?緩變型，荷載值0～8.35 MN 時，荷載?位移曲線呈平緩型，樁端位移量很?。缓奢d值大于8.35 MN時，樁端開始向下位移，并隨荷載增加而增大。由表2可知：下荷載箱加載時，荷載值12.12 MN 的樁端位移為6.98 mm，卸載后樁端殘余位移為5.41 mm，樁端土體塑性位移占總沉降量的77.5%；樁頂位移為0.93 mm，卸載后樁頂?shù)臍堄辔灰茷?.67 mm，對上段樁的影響很少；通過對樁端加載可對樁底沉渣進行壓密，可改善樁端的承載特性。

表2 荷載與位移試驗結(jié)果Table 2 Load and displacement test results

圖6 荷載與位移曲線Fig.6 Load and displacement curves

由圖6(b)可知：上荷載箱加載時，樁頂位移、上荷載箱的上承載板位移隨荷載增加緩慢增大，向上位移未出現(xiàn)突變的現(xiàn)象，荷載?位移曲線呈緩變型。由表2 可知：荷載值14.55 MN 的樁頂位移為1.62 mm，卸載后樁頂位移為1.38 mm，其位移回彈量占14.8%；卸載初期樁頂位移持續(xù)增長至1.9 mm，表明上段樁的樁身應(yīng)力通過樁土間側(cè)摩阻力得到充分的傳遞。

3.2 樁身壓縮特性

采用位移量測桿量測上段樁、中段樁的樁身壓縮值，其中上段樁的理論浮重為4.77 MN，上段樁與中段樁的理論浮重為5.62 MN。

由圖7可知：下荷載箱加載時，當(dāng)荷載值小于5.3 MN 時，因需先平衡上段樁與中段樁的浮重，中段樁的樁身壓縮值較小；當(dāng)荷載值大于5.3 MN時，中段樁的樁身壓縮值與荷載曲線出現(xiàn)明顯拐點，樁身壓縮值隨荷載增加而增大；當(dāng)加載至12.12 MN時，樁身壓縮值達(dá)到0.39 mm，卸載后的樁身壓縮值回彈至0.02 mm，表明卸載后樁身內(nèi)基本無應(yīng)力，樁側(cè)摩阻力基本完全卸載。上段樁的樁身壓縮曲線與中段樁差異較大，這是由于樁側(cè)土層種類及側(cè)摩阻力發(fā)揮特性不同，導(dǎo)致樁身應(yīng)力不呈線性分布。

圖7 ST1樁身壓縮特性Fig.7 Pile compression characteristics of ST1 loading stage

由圖8 可知：上荷載箱加載時，當(dāng)加載至2.11 MN，上段樁的樁身壓縮值曲線出現(xiàn)拐點，樁身壓縮值隨荷載增加而增大；加載至14.55 MN 時，上段樁的樁身壓縮值為2.02 mm，完全卸載后上段樁的樁身壓縮回彈至1.80 mm，表明樁身內(nèi)應(yīng)力并未完全卸載?？紤]到不同土層的側(cè)摩阻力發(fā)揮特性不同，在樁側(cè)土體受到較大擾動后，卸載時樁側(cè)摩阻力未能同步卸載，從而在樁身內(nèi)形成內(nèi)應(yīng)力。由于中段樁長度較小，且穿過較為均勻的密實砂層，側(cè)摩阻力發(fā)揮與荷載箱加卸載步調(diào)一致，呈線性分布。

圖8 ST2樁身壓縮特性Fig.8 Pile compression characteristics of ST2 loading stage

3.3 樁身軸力傳遞特性

各級荷載作用下的樁身軸力，可通過基樁截面處的鋼筋應(yīng)力計所量測的數(shù)據(jù)得到。假定鋼筋與混凝土二者的應(yīng)變變形協(xié)調(diào)一致，則第i斷面處的樁身軸力Ni按式(1)計算。

式中：As為鋼筋主筋的橫斷面面積；Es為鋼筋的彈性模量；Ac為混凝土的凈面積；Ec為混凝土的彈性模量。

由圖9可知：荷載箱處的樁身軸力最大，并朝上下兩端遞減，由于中段樁、下段樁所處的土層較好，樁側(cè)摩阻力發(fā)揮相對較大，樁身軸力減小較快。上、下荷載箱加載至最大荷載時，靠近樁端處SG1 截面的樁身軸力分別為8.95 MN 和0.3 MN。

圖9 樁身軸力傳遞規(guī)律Fig.9 Law of axial force transfer of pile

3.4 樁側(cè)摩阻力傳遞特性

假定每一層土體的側(cè)摩阻力相同，則各層土體的樁側(cè)平均摩阻力按式(2)計算。表3 為下荷載箱、上荷載箱加載至荷載控制值的樁側(cè)摩阻力。

表3 樁側(cè)摩阻力Table 3 Pile lateral friction

式中：Ni和Ni+1為第i和i+1 測試斷面的軸力；Ai為第i分層樁側(cè)的側(cè)面積。

由圖10 可知：以荷載箱為臨界面，荷載箱以下的樁段從上至下、荷載箱以上的樁段從下至上，各區(qū)段樁的側(cè)摩阻力發(fā)揮呈異步特性，即靠近荷載箱處樁土相對位移量大，土層側(cè)摩阻力優(yōu)先發(fā)揮作用；此外樁側(cè)摩阻力發(fā)揮與荷載的大小有關(guān)，在各區(qū)段樁側(cè)摩阻力達(dá)到最大限值之前，各區(qū)段樁側(cè)摩阻力隨荷載增加而增大。其中有護筒的樁段假定樁側(cè)摩阻力為平均值，不單獨考慮污泥質(zhì)粉砂層、黏土層對樁側(cè)摩阻力的影響。

由圖10(a)可知：下荷載箱加載時，下荷載箱-SG1區(qū)段的樁側(cè)摩阻力隨荷載增加而增大，加載至5.3 MN時，樁側(cè)摩阻力達(dá)到極限值286.47 kPa，樁側(cè)摩阻力完全發(fā)揮；當(dāng)繼續(xù)增大荷載時，該區(qū)段樁側(cè)摩阻力小幅度衰減，并出現(xiàn)樁側(cè)土體軟化的現(xiàn)象，加載至最大荷載12.12 MN 時，該區(qū)段樁側(cè)摩阻力衰減至269.41 kPa。當(dāng)荷載較小時，靠近下荷載箱處的土層側(cè)摩阻力先得到發(fā)揮，上段樁側(cè)摩阻力為0。

由圖10(b)可知：上荷載箱加載時，當(dāng)荷載較小時先由荷載箱附近的土層側(cè)摩阻力平衡，遠(yuǎn)離荷載箱樁段的側(cè)摩阻力為0；樁側(cè)摩阻力隨荷載增加而增大，加載至10.51 MN 時，上荷載箱?SG3區(qū)段的樁側(cè)摩阻力達(dá)到極限值120.39 kPa，荷載繼續(xù)增大時出現(xiàn)樁側(cè)摩阻力衰減現(xiàn)象，最大荷載值時的樁側(cè)摩阻力為106.63 kPa，其他區(qū)段樁側(cè)摩阻力隨荷載增加而增大。

圖10 樁側(cè)摩阻力分布規(guī)律Fig.10 Distribution of pile lateral friction resistance

3.5 樁土相對位移關(guān)系特性

樁土相對位移通過量測荷載箱加載點承載板及樁身壓縮變形量予以確定，則第i區(qū)段的樁土相對位移量Si按式(3)計算。

式中：So為荷載箱加載點承載板的位移；Lj為第j樁段長度；εj，εj+1為j，j+1斷面鋼筋應(yīng)變。

由圖11 可知：同一級荷載作用下，臨近荷載箱處的樁土相對位移量最大，側(cè)摩阻力優(yōu)先得到發(fā)揮；荷載箱上下兩端的樁土相對位移量遠(yuǎn)離荷載箱逐步減小。當(dāng)荷載較小時，不發(fā)生樁土相對位移，側(cè)摩阻力發(fā)揮與荷載箱距離存在負(fù)相關(guān)的關(guān)系；隨著荷載增大，各深度處的樁土相對位移增大，側(cè)摩阻力逐步發(fā)揮。

圖11 樁土相對位移分布規(guī)律Fig.11 Distribution law of relative displacement of pile and soil

3.6 樁側(cè)摩阻力發(fā)揮特性

由圖12(a)和12(b)可知：下荷載箱加載時，當(dāng)SG1-下荷載箱、SG2-下荷載箱樁段的樁土相對位移較小時，樁側(cè)摩阻力迅速發(fā)揮，之后保持穩(wěn)定甚至略有下降，呈現(xiàn)出彈塑性特性。SG1-下荷載箱樁段在樁土相對位移0.21 mm 時，樁側(cè)摩阻力達(dá)到最大值286.47 kPa；當(dāng)繼續(xù)加載時，樁土相對位移進一步增大，直至樁段的土體發(fā)生一定的滑移破壞，此時樁側(cè)土體軟化，側(cè)摩阻力有所降低；當(dāng)加載至最大荷載值時，其樁側(cè)摩阻力達(dá)到269 kPa。SG2-下荷載箱樁段，當(dāng)樁土相對位移0.4 mm時，樁側(cè)摩阻力為150 kPa，之后樁側(cè)摩阻力穩(wěn)定在150～180 kPa 附近，表明樁段的側(cè)摩阻力基本到達(dá)極限值；遠(yuǎn)離荷載箱區(qū)段的樁側(cè)摩阻力隨樁土相對位移線性增加，且越靠近下荷載箱區(qū)段，樁土相對位移量越大，樁側(cè)摩阻力也越大。

由圖12(c)和12(d)可知：上荷載箱加載時，臨近荷載箱附近SG3-上荷載箱的土體呈現(xiàn)彈塑性特性。樁側(cè)摩阻力在樁土相對位移較小時充分發(fā)揮，隨后基本保持穩(wěn)定，而在位移較大時出現(xiàn)應(yīng)變軟化現(xiàn)象，樁側(cè)摩阻力略有下降，直至位移達(dá)到1.28 mm 時樁側(cè)摩阻力達(dá)到最大值127 kPa，上荷載箱?SG4 段具有類似特性。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是因為在施加荷載較小時，荷載箱附近土體產(chǎn)生相反方向的側(cè)摩阻力來平衡全部荷載，樁土相對位移均由基樁彈性壓縮導(dǎo)致。當(dāng)樁土相對位移值較小時，隨著荷載箱施加荷載增大，荷載逐漸傳遞至樁身全長。如圖12(c)，當(dāng)荷載值較小時，荷載由樁側(cè)摩阻力抵消，所有位移均由樁身彈性壓縮組成，SG3-上荷載箱側(cè)阻力迅速發(fā)揮，當(dāng)荷載值進一步增大，樁端沉渣被壓密，基樁除樁身彈性壓縮外還發(fā)生整體向下位移；SG1-SG2，SG2-SG3樁段側(cè)摩阻力與樁土相對位移呈線性關(guān)系，隨樁土相對位移的增大而增加，且在達(dá)到4 mm 位移時仍未達(dá)到極限側(cè)阻力。

圖12 樁側(cè)摩阻力與樁土相對位移曲線Fig.12 Curves of pile lateral friction and pile-soil relative displacement

由圖12 可知：加載過程中臨近荷載箱土層均達(dá)到極限側(cè)摩阻力，下荷載箱加載時，SG1-下荷載箱樁段、下荷載箱-SG2 樁段的極限側(cè)阻力分別為269.41 kPa，183.66 kPa；上荷載箱加載時，SG3-上荷載箱樁段、上荷載箱-SG4 樁段的極限側(cè)阻力分別為120.39 kPa，75.33 kPa。臨近荷載箱上下段土層均為相鄰?fù)翆?，由于厚度不大且均處于同一密實砂層，因此假設(shè)其力學(xué)性質(zhì)一致，考慮到受力方向不同，荷載箱下方正向極限側(cè)摩阻力明顯大于上方負(fù)向極限側(cè)摩阻力，計算得到該地區(qū)密實砂層轉(zhuǎn)換系數(shù)γ分別為0.68 和0.63，與李小娟等[18]的研究結(jié)論較為吻合，規(guī)程中[19]砂土的推薦取值為0.75，實踐中為保守起見通常取0.8，因此合理的轉(zhuǎn)換系數(shù)有助于相對準(zhǔn)確的計算出地基極限承載能力，降低工程浪費。

3.7 樁端阻力與樁端位移特性

基樁最底位置處SG1 的位移計距樁端0.75 m，可近似認(rèn)為該截面處的樁身應(yīng)力為樁端阻力。圖13為單位樁端阻力與樁端位移的關(guān)系。

圖13 樁端阻力與樁端位移曲線Fig.13 Pile tip resistance and pile tip displacement curve

在上部載荷作用下，樁端阻力?樁端位移曲線呈現(xiàn)明顯的兩階段特性：初期加載時，單位樁端阻力直線上升至950 kPa，此時樁端位移僅為0.13 mm；隨后樁端阻力隨樁端位移線性增長直至上部荷載加載至最大值，此時樁端位移達(dá)到7 mm 左右，單位樁端阻力達(dá)到測試過程中的最大值約為1 822 kPa，換算為樁端阻力約為8.95 MN。

4 結(jié)論

1) 雙荷載箱法能有效進行大噸位超長基樁承載力測試，在2 倍工程荷載作用下，該基樁的應(yīng)力、位移相對穩(wěn)定，滿足設(shè)計承載能力要求，具有較大的安全儲備，可為同類工程提供借鑒。

2) 在雙荷載箱加載作用下，樁側(cè)摩阻力發(fā)揮呈異步特性，同一級荷載下臨近荷載箱樁土相對位移量大，土層側(cè)摩阻力優(yōu)先發(fā)揮作用，隨著荷載增大，遠(yuǎn)離荷載箱處的土體開始出現(xiàn)樁土相對位移，樁側(cè)摩阻力逐步發(fā)揮。

3) 荷載箱附近土層樁側(cè)摩阻力發(fā)揮表現(xiàn)出理想塑性體特性，即樁側(cè)摩阻力在樁土相對位移極小時便完全發(fā)揮；遠(yuǎn)離荷載箱的土層，樁側(cè)摩阻力在未達(dá)到極限狀態(tài)之前，與樁土相對位移呈線性關(guān)系；加載初期，樁端阻力直線上升，隨后樁端阻力隨樁端位移線性增長。

4) 合理的轉(zhuǎn)換系數(shù)有助于更為準(zhǔn)確的得到基樁極限承載力，該基樁密實砂層轉(zhuǎn)換系數(shù)在0.6～0.7 之間，略小于國內(nèi)常采用的0.7～0.8，可為相似條件砂土地區(qū)基樁承載力的測試提供數(shù)據(jù)積累及理論參考。