鐵路橋梁工程單樁承載力測(cè)試的自平衡法

李正祥

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司土建一院,成都 610031)

1 樁基測(cè)試自平衡法的基本概念

1.1 傳統(tǒng)的樁基荷載試驗(yàn)方法

傳統(tǒng)的樁基荷載試驗(yàn)方法有兩種,一是堆載法,二是錨樁法。兩種方法均采用油壓千斤頂在樁頂施加荷載。采用堆載法時(shí),千斤頂反力通過反力架上的堆重與之平衡；采用錨樁法時(shí),千斤頂反力通過反力架傳給錨樁,與錨樁的抗拔力平衡。堆載法的主要問題是必須解決幾百噸甚至上千噸的荷載來源、堆放及運(yùn)輸問題。錨樁法的主要問題是必須設(shè)置多根錨樁及反力大梁,不僅所需費(fèi)用昂貴,時(shí)間較長(zhǎng),而且易受加載噸位和場(chǎng)地條件的限制。目前國(guó)內(nèi)采用堆載法試樁的最大極限承載力僅達(dá)30 000 kN；錨樁法的試樁最大極限承載力也不超過40 000 t,以致山地、橋梁等特殊場(chǎng)地樁和許多大噸位樁的承載力往往得不到準(zhǔn)確數(shù)據(jù),難以合理發(fā)揮樁基的潛力,這是樁基礎(chǔ)領(lǐng)域面臨的一大難題。

1.2 自平衡試樁法的提出

為解決以上難題,20世紀(jì)80年代, 美國(guó)學(xué)者Osterberg 提出并開展了樁基承載力自平衡試驗(yàn)方法的研究,將一個(gè)荷載箱預(yù)埋在樁尖處, 用以測(cè)試不同樁基的受力情況。自平衡試驗(yàn)方法首先在橋梁鋼樁中成功應(yīng)用,后來逐漸推廣到各種樁型,取得了一些成果。20世紀(jì)90年代,中國(guó)的一些學(xué)者引進(jìn)了這種方法, 并將其發(fā)展成自平衡試樁法。該法將荷載箱置放在樁身某一稱為“自平衡點(diǎn)”的高度處,用壓力箱施壓, 向上一直將上段樁頂出地面,達(dá)到承載力的極限狀態(tài)。同時(shí), 千斤頂?shù)牡鬃戳σ矊⑾露螛秹旱狡涑休d力的極限狀態(tài)。

該法已成功應(yīng)用在水上試樁、坡地試樁等多種特殊場(chǎng)地試樁上。樁型有鋼樁、混凝土預(yù)制樁、鉆孔灌注樁、沉管灌注樁及人工挖孔樁。在我國(guó),1999年6月制訂了江蘇省地方標(biāo)準(zhǔn),2002年建設(shè)部和科技部作為重點(diǎn)推廣技術(shù)。該法在全國(guó)27個(gè)省市應(yīng)用于房屋建筑和橋梁樁基工程檢測(cè)中,并在京滬高鐵、鄭西客運(yùn)專線、襄渝鐵路二線、達(dá)成鐵路擴(kuò)能等鐵路工程中廣泛應(yīng)用。目前,國(guó)內(nèi)試驗(yàn)單樁最大承載力已高達(dá)130 000 kN,最大樁徑2.8 m,最大樁長(zhǎng)125 m。

2 樁基試驗(yàn)的主要目的

(1)了解不同地質(zhì)條件下各種土類的側(cè)阻值,依據(jù)試樁成果提供樁周與各土層間的實(shí)測(cè)摩阻力；

(2)了解不同施工條件下各種土類的樁端阻力值；

(3)校核設(shè)計(jì)樁長(zhǎng),根據(jù)實(shí)測(cè)側(cè)阻值校核驗(yàn)證試樁的承載力設(shè)計(jì)值；

(4)通過檢測(cè)結(jié)果評(píng)價(jià)成樁工藝。

3 樁基試驗(yàn)的編制依據(jù)

(1)鐵路橋涵地基和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB 10002.5—2005)；

(2)《鐵路工程基樁檢測(cè)技術(shù)規(guī)程》(TB 10218—2008)；

(3)《基樁靜載試驗(yàn)自平衡法》(JT/T 738—2009)；

(4)《客貨共線鐵路橋涵工程施工技術(shù)指南》(TZ203—2008)；

(5)該橋相關(guān)地質(zhì)勘察資料。

4 樁基試驗(yàn)的原理及方法

4.1 試驗(yàn)原理

(1)自平衡試樁法是在樁身平衡點(diǎn)位置安設(shè)荷載箱,沿垂直方向加載,即可同時(shí)測(cè)得荷載箱上、下部各自承載力。

(2)其主要裝置是一種經(jīng)特別設(shè)計(jì)可用于加載的荷載箱。它主要由活塞、頂蓋、底蓋及箱壁四部分組成。頂、底蓋的外徑略小于樁的外徑,在頂、底蓋上布置有位移棒。將荷載箱與鋼筋籠焊接成一體放入樁體后,即可澆搗混凝土成樁。荷載箱放置部位見圖1。

圖1 荷載箱放置部位示意

(3)試驗(yàn)時(shí),在地面上通過油泵加壓,隨著壓力增加,荷載箱將同時(shí)向上、向下發(fā)生變位,促使樁側(cè)阻力及樁端阻力的發(fā)揮(圖2)。由于加載裝置簡(jiǎn)單,多根樁可同時(shí)進(jìn)行測(cè)試,并可同時(shí)對(duì)多根樁測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

圖2 樁承載力自平衡試驗(yàn)示意

4.2 理論分析計(jì)算

(1)由設(shè)計(jì)單位提供樁基設(shè)計(jì)承載力要求。

(2)測(cè)試單位根據(jù)地勘資料進(jìn)行樁基極限承載力分析,預(yù)估最大加載值。

根據(jù)《鐵路橋涵地基和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB10002.5—2005),在靜載荷試驗(yàn)加載前,對(duì)單樁極限承載力進(jìn)行推算,以保證靜載荷試驗(yàn)中加載分級(jí)的合理性。

根據(jù)該規(guī)范,鉆孔灌注樁的單樁極限承載力[P]可按下式計(jì)算

式中 [P]——樁的容許承載力，kN；

U——樁身截面周長(zhǎng)，m；

fi——各土層的極限摩阻力，kPa；

li——各土層的厚度，m；

A——樁底支承面積，m2;

[σ]——樁底地基土的容許承載力，kPa；

m0——樁底支承力折減系數(shù)。

(3)測(cè)試單位按自平衡法試樁理論進(jìn)行計(jì)算,確定平衡點(diǎn)及試驗(yàn)荷載值。

4.3 試驗(yàn)方法

(1)自平衡法測(cè)試基樁承載力

基樁自平衡法試驗(yàn)是將荷載箱置放在樁身自平衡點(diǎn)的高度處,在向上頂樁身的同時(shí),也向下壓樁底,使樁的端阻力和樁身摩阻力互為反力,分別得到樁身和樁底的荷載-位移曲線,分別測(cè)得樁側(cè)阻力和樁端阻力,經(jīng)過換算疊加后得到樁頂?shù)膯螛冻休d力和荷載、位移關(guān)系的Q-S曲線。

(2)自平衡法軸向應(yīng)力測(cè)試

基樁自平衡法試驗(yàn)開始后,荷載箱產(chǎn)生的荷載沿著樁身軸線向上、向下傳遞。假設(shè)基樁受荷載后,樁身結(jié)構(gòu)完好而無破損,混凝土無離析、斷裂現(xiàn)象,則在各級(jí)荷載作用下,混凝土產(chǎn)生的應(yīng)變量等于鋼筋產(chǎn)生的應(yīng)變量,通過量測(cè)預(yù)先埋置在樁體內(nèi)的鋼筋計(jì),可以實(shí)測(cè)到各鋼筋計(jì)在每級(jí)荷載作用下所得的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系,從而求出相應(yīng)樁截面微分單元內(nèi)的應(yīng)變量。由此便可求得在各級(jí)荷載作用下各樁截面的樁身軸力值及軸力、摩阻力隨荷載和深度變化的傳遞規(guī)律。

5 自平衡試樁法的特點(diǎn)

自平衡試樁法相對(duì)于傳統(tǒng)的堆載法和錨樁法具有以下特點(diǎn)：

(1)裝置較簡(jiǎn)單,不占用場(chǎng)地,不需運(yùn)入數(shù)百噸或數(shù)千噸物料,不需構(gòu)筑笨重的反力架,試樁準(zhǔn)備工作省時(shí)省力；

(2)該法利用樁的側(cè)阻力與端阻力互為反力,可測(cè)得樁的側(cè)阻力與端阻力和各自的荷載-位移曲線；

(3)試驗(yàn)費(fèi)用省。盡管壓力箱為一次性投入器件,但與傳統(tǒng)方法相比可節(jié)省試驗(yàn)總費(fèi)用的30%～60%。當(dāng)然,具體比例應(yīng)視樁與地質(zhì)條件而定,加載噸位越大越明顯；

(4)試驗(yàn)后試樁仍可作為工程樁使用,必要時(shí)可利用預(yù)埋管對(duì)荷載箱進(jìn)行壓力灌漿；

(5)方便的重復(fù)試驗(yàn)。可在不同的樁端深度(雙壓力箱或多壓力箱技術(shù))和同一樁端深度的不同時(shí)間(后壓漿試樁效果對(duì)比)在同一根樁上方便的進(jìn)行試驗(yàn)；

(6)可得到土阻力的靜蠕變和恢復(fù)效果。試驗(yàn)荷載可保留所需的任意長(zhǎng)時(shí)間段,因此可實(shí)測(cè)樁側(cè)和樁端阻力的蠕變行為的數(shù)據(jù)；

(7)在下列情況下或當(dāng)設(shè)置傳統(tǒng)的堆載平臺(tái)或錨樁反力架特別困難或特別花錢時(shí),該法更顯示其優(yōu)勢(shì)。例如：水上試樁、坡場(chǎng)試樁、基坑底試樁、狹窄場(chǎng)地試樁、斜樁、嵌巖樁、抗拔樁等，這些都是傳統(tǒng)試樁法難以做到的。

6 樁基試驗(yàn)的步驟及測(cè)試內(nèi)容

(1)優(yōu)先在施工條件較好的橋位場(chǎng)地開展試驗(yàn)樁施工及試驗(yàn)；

(2)可以在先行施工的工程樁上開展試驗(yàn)工作；

(3)主要測(cè)試內(nèi)容是樁基承載力及樁身內(nèi)力測(cè)試工作；同時(shí)在試驗(yàn)樁中應(yīng)開展成孔孔徑、沉渣、垂直度和樁身混凝土超聲等研究性測(cè)試項(xiàng)目；

(4)樁基承載力測(cè)試優(yōu)先采用方便實(shí)施、工期又短的預(yù)埋箱法,樁身內(nèi)力測(cè)試采用預(yù)埋鋼筋計(jì)、應(yīng)變計(jì)形式；

(5)樁基承載力測(cè)試用預(yù)埋箱安裝位置接近下部1/3樁長(zhǎng)以下,具體應(yīng)由現(xiàn)場(chǎng)計(jì)算確定；

(6)在樁側(cè)土層厚度較為均等的場(chǎng)地土層界面中預(yù)埋內(nèi)力測(cè)試元器件；

(7)在樁側(cè)巖土厚度較大、入巖較短的場(chǎng)地土層中每4～5 m一個(gè)測(cè)試截面預(yù)埋內(nèi)力測(cè)試元器件；

(8)重點(diǎn)研究場(chǎng)地內(nèi)多見的泥巖、砂巖、礫巖及泥質(zhì)砂巖的承載力學(xué)性能。

7 自平衡試樁法的儀器設(shè)備

7.1 加載裝置

采用囊式荷載箱,由7個(gè)壓力單元N2D400裝配而成,總推力16 450 kN。壓力單元的率定曲線(公式)由計(jì)量部門標(biāo)定。

荷載箱埋設(shè)于自平衡點(diǎn)附近。

7.2 加載動(dòng)力源

荷載箱由位于地面的液壓站,通過埋設(shè)的高壓油管向荷載箱分級(jí)加載。

7.3 數(shù)據(jù)采集

試驗(yàn)采用3組位移數(shù)據(jù),分別為下位移(下部樁體位移,測(cè)量點(diǎn)位于荷載箱下約1 m位置)、上位移(上部樁體位移,測(cè)量點(diǎn)位于荷載箱上約1 m位置)和頂位移(測(cè)量點(diǎn)位于樁頂)。

7.4 位移傳遞

(1)上位移和下位移各采用2條位移桿(絲)對(duì)稱布置,傳 遞位移。位移絲(桿)一端與測(cè)量點(diǎn)固定,另一端上延至地面。頂位移測(cè)量與傳統(tǒng)試驗(yàn)方法相同。

(2)每條位移絲(桿)皆采用保護(hù)管實(shí)施保護(hù),用于隔離位移桿與樁體混凝土,保證位移桿與測(cè)量點(diǎn)同步順暢移動(dòng)。

7.5 位移數(shù)據(jù)讀取、記錄

位移數(shù)據(jù)采用電子傳感器采集,在位移絲(桿)地面端讀取,數(shù)據(jù)自動(dòng)傳輸至電腦測(cè)量?jī)x進(jìn)行顯示、記錄、處理。

8 試驗(yàn)程序及荷載判定方法

8.1 試驗(yàn)前的準(zhǔn)備

(1)試驗(yàn)準(zhǔn)備工作,如樁頭處理,樁頂位移桿制作安裝,電源準(zhǔn)備,試驗(yàn)帳篷搭建,基準(zhǔn)梁安裝,測(cè)試設(shè)備安裝、調(diào)試,測(cè)試環(huán)境等,與傳統(tǒng)靜載試驗(yàn)要求一致。

(2)所有試驗(yàn)設(shè)備安裝完后,進(jìn)行一次系統(tǒng)檢測(cè),方法是對(duì)樁施加一較小的荷載進(jìn)行預(yù)壓,目的是消除整個(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)和被測(cè)樁本身由于安裝等人為因素造成的影響,排除荷載箱及管路中的空氣,檢測(cè)管路接頭、閥門等是否漏油等。如一切正常,卸載至零,待位移計(jì)顯示讀數(shù)穩(wěn)定后,并記錄初始讀數(shù),即可開始正式加載。加載方式可采用慢速維持荷載法或快速維持荷載法。

8.2 加載方案

(1)加載分級(jí)：以預(yù)估極限值的50%為依據(jù),作為試驗(yàn)加載極限值,分為10級(jí)進(jìn)行。

(2)加載方法：加載分級(jí)采用逐級(jí)等量加載；其中第一級(jí)取分級(jí)荷載的2倍。當(dāng)樁頂沉降速率達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)時(shí),再施加下一級(jí)荷載。

(3)相對(duì)穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)：樁頂位移量不超過0.1 mm/h,并連續(xù)出現(xiàn)2次(從每級(jí)荷載施加后第30 min開始,由3次或3次以上每30 min的沉降觀測(cè)值計(jì)算)。

(4)卸載：卸載分級(jí)進(jìn)行,每級(jí)卸載量取加載時(shí)分級(jí)荷載的2倍,逐級(jí)等量卸載。

(5)加載數(shù)據(jù)記錄：每級(jí)加載后在第1 h內(nèi)觀察第5、15、30、45、60 min的位移值,以后每隔30 min觀察一次,以判斷穩(wěn)定狀態(tài)。同時(shí)電腦監(jiān)控系統(tǒng)自動(dòng)同步進(jìn)行位移記錄。

(6)卸載數(shù)據(jù)記錄：卸載時(shí),每級(jí)卸載值為每級(jí)加載值的2倍。每級(jí)荷載維持1 h,卸載后隔15 min測(cè)讀1次殘余沉降,讀2次后,隔30 min再讀1次,即可卸下一級(jí)荷載,全部卸載后,隔3～4 h再讀1次。電腦監(jiān)控系統(tǒng)同步記錄參與位移值。

(7)終止加載條件：當(dāng)上、下段樁任一段達(dá)到下述情況即破壞。

①某級(jí)荷載作用下,樁頂沉降量大于前一級(jí)荷載作用下沉降量的5倍(注：當(dāng)樁頂沉降能穩(wěn)定且總沉降量小于40 mm時(shí),宜加載至樁頂總沉降量超過40 mm)。

②某級(jí)荷載作用下,樁頂沉降量大于前一級(jí)荷載作用下沉降量的2倍,且經(jīng)24 h尚未達(dá)到穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)。

③已達(dá)加載裝置的最大加載量。

④當(dāng)荷載-沉降曲線呈緩變形時(shí),可加載至樁頂總沉降量60 mm。

8.3 位移測(cè)量

(1)同時(shí)監(jiān)控并記錄3層位移數(shù)據(jù)：荷載箱下位移、上位移和頂位移。每層位移測(cè)量點(diǎn)為3個(gè)均布。

(2)位移測(cè)量基準(zhǔn)以不受樁側(cè)土變形影響為準(zhǔn)。

8.4 應(yīng)力測(cè)量

應(yīng)力計(jì)采用鋼筋計(jì),根據(jù)地質(zhì)資料,在樁側(cè)土厚度較為均等的場(chǎng)地土層界面中預(yù)埋,每層對(duì)稱均布3個(gè)測(cè)量點(diǎn)。

8.5 數(shù)據(jù)監(jiān)控記錄

(1)按照規(guī)定時(shí)間頻率,同時(shí)監(jiān)控并記錄時(shí)間、載荷、位移、應(yīng)力數(shù)據(jù)。

(2)數(shù)據(jù)監(jiān)控和記錄由電腦自動(dòng)完成。

8.6 試驗(yàn)結(jié)論得出

(1)根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù),分別繪制試樁上、下部分的Q-s曲線和s-logt曲線。

(2)根據(jù)上述曲線進(jìn)行分析,分別得出上、下部分的樁基極限承載能力。

(3)根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù),繪制各監(jiān)測(cè)層應(yīng)力的Q-σ分布變化曲線,并通過計(jì)算,進(jìn)而繪制各監(jiān)測(cè)土層摩阻力的Q-Qsk分布變化曲線。

9 結(jié)論

自平衡試樁法相對(duì)于傳統(tǒng)的堆載法和錨樁法具有裝置較簡(jiǎn)單,不占用場(chǎng)地,試樁準(zhǔn)備工作省時(shí)省力,測(cè)試速度快,試驗(yàn)費(fèi)用省的優(yōu)勢(shì)。還可進(jìn)行方便的重復(fù)試驗(yàn),又可得到土阻力的靜蠕變和恢復(fù)效果，樁基承載力實(shí)測(cè)值與計(jì)算值誤差在10%以內(nèi)。該法已在襄渝鐵路二線、達(dá)成鐵路擴(kuò)能、廈深線及鄭西客運(yùn)專線等鐵路項(xiàng)目上應(yīng)用。目前,已在湘桂線、柳南客運(yùn)專線和京滬高速鐵路上全面推廣。

但是,由于在計(jì)算樁基極限承載能力的公式中, 無法確定自平衡點(diǎn)。荷載箱的放置位置都是按經(jīng)驗(yàn)確定的,還存在一定的隨意性，還需通過進(jìn)一步的研究解決。

[1]TB10002.5—2005，鐵路橋涵地基和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2]TZ203—2008，客貨共線鐵路橋涵工程施工技術(shù)指南[S].

[3]王伯惠.評(píng)樁基測(cè)試自平衡法[J].公路，2005(7)．

[4]龔維明，戴國(guó)亮.樁承載力自平衡測(cè)試技術(shù)及工程應(yīng)用[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2006.