自平衡試樁法和錨樁試樁法的對(duì)比分析

邊建林 趙升峰

(1.鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,天津 300142;2.南京地質(zhì)工程勘察院,江蘇南京 210009)

傳統(tǒng)的靜載荷試樁法費(fèi)力、費(fèi)時(shí)、費(fèi)錢,美國(guó)西北大學(xué)教授Osterberg研究成功了一種新的靜荷載試樁法,近年來已在美國(guó)各州廣泛應(yīng)用。東南大學(xué)土木工程學(xué)院以龔維明教授為主的研究團(tuán)體結(jié)合中國(guó)工程實(shí)際,對(duì)此方法進(jìn)行了優(yōu)化,并總結(jié)出了“自平衡試樁法”。由于其加壓裝置較為簡(jiǎn)單,無需占用試驗(yàn)場(chǎng)地,試驗(yàn)操作又較為方便,費(fèi)用較低,且能直接測(cè)定樁的側(cè)阻與端阻,獲得了工程界的好評(píng)。自平衡試樁法已成功應(yīng)用于潤(rùn)揚(yáng)長(zhǎng)江大橋、杭州灣跨海大橋、蘇通大橋、南京長(zhǎng)江第三大橋等重大工程的鉆孔灌注樁承載力測(cè)試中,是一種可靠、經(jīng)濟(jì)、適用性強(qiáng)的樁基承載力測(cè)試技術(shù)。

1 工程概況

某黃河鐵路特大橋設(shè)計(jì)全長(zhǎng)4 011.86 m,主橋下部為實(shí)體花瓶形墻式墩身,引橋橋墩為雙柱式墩身,均采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ)形式。全橋共設(shè)計(jì)混凝土鉆孔灌注樁328根。在兩處代表性區(qū)域,各施工了一根試樁,并分別采用錨樁法和自平衡試樁法進(jìn)行靜載荷測(cè)試。通過試樁為樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)提供依據(jù),并驗(yàn)證灌注樁施工工藝的可行性。試樁有關(guān)參數(shù)見表1。

表1 試樁參數(shù)

2 試樁方法及原理

2.1 錨樁法

圖1 錨樁法加載示意(單位:cm)

S1試樁加載試驗(yàn)采用“二錨一”錨樁-混凝土反力梁法進(jìn)行,見圖1。每根錨樁設(shè)計(jì)直徑為2.0 m,長(zhǎng)度為60 m。用5×800 t油壓千斤頂在樁頂對(duì)試樁分級(jí)施加荷載,通過預(yù)埋在樁身內(nèi)的鋼筋應(yīng)力計(jì)測(cè)出每級(jí)荷載作用下相應(yīng)截面的應(yīng)力。在樁身同一截面對(duì)稱布置4個(gè)鋼筋計(jì),按土層分布共設(shè)6個(gè)斷面,如圖2所示。

圖2 S1試樁鋼筋計(jì)布置示意(單位:m)

2.2 自平衡試樁法

S2樁采用自平衡測(cè)試法,是利用預(yù)埋在樁身的荷載箱進(jìn)行鉆孔樁靜載試驗(yàn)的方法。試驗(yàn)時(shí),在地面通過液壓泵對(duì)荷載箱內(nèi)腔施加壓力,將箱蓋與箱底推開,從而調(diào)動(dòng)樁周土的摩阻力與端阻力,直至破壞。其測(cè)試原理見圖3。荷載箱距樁端距離16.27 m,沿樁身設(shè)5層鋼筋計(jì),每截面對(duì)稱布置4個(gè),見圖4。

圖3 自平衡法測(cè)試原理

3 測(cè)試結(jié)果

3.1 錨樁法試驗(yàn)結(jié)果

該試樁采用慢速維持加載法最大加載值36000 kN,每級(jí)加載值為最大荷載的1/15。試驗(yàn)得到的Q-S曲線見圖5。根據(jù)各級(jí)荷載作用下測(cè)得的樁端應(yīng)力,可計(jì)算出樁端阻力占樁頂荷載的比例,見圖6。

圖4 S2試樁鋼筋計(jì)布置示意(單位:cm)

圖5 樁S1的Q-S曲線

圖6 樁端阻力占樁頂荷載比例

3.2 自平衡法試驗(yàn)結(jié)果

自平衡法靜載試驗(yàn)得到的荷載箱上部和荷載箱下部的荷載-位移關(guān)系曲線見圖7。根據(jù)各級(jí)荷載作用下測(cè)得的樁端應(yīng)力,可計(jì)算出樁端阻力占樁頂荷載的比例,見圖8。

圖7 自平衡法測(cè)試曲線

圖8 樁端阻力占樁頂荷載比例

4 兩種測(cè)試方法的比較及樁承載性能分析

4.1 摩阻力對(duì)比及分析

試樁S1、S2所處場(chǎng)地地層分布及力學(xué)性能基本相近,S1樁長(zhǎng)32 m,S2上段樁長(zhǎng)33.73 m,下段樁長(zhǎng)16.27 m,取S2上段樁與S1樁的平均摩阻力進(jìn)行對(duì)比。S1樁的加載方式為由樁頂豎直向下,樁側(cè)摩阻力為正摩阻力,S2樁的加載方式為由下往上(見圖3)。樁側(cè)摩阻力表現(xiàn)為負(fù)摩阻力,S1樁摩阻力的發(fā)揮順序?yàn)橛缮贤?S2樁摩阻力的發(fā)揮順序?yàn)橛上露?。受力機(jī)理的區(qū)別最終體現(xiàn)為平均摩阻力-位移曲線的區(qū)別,為便于比較,采用雙曲線模型對(duì)二者進(jìn)行擬合,見圖9。當(dāng)樁頂(荷載箱)位移小于約5 mm時(shí),樁S2的平均摩阻力大于樁S1的平均摩阻力;當(dāng)位移超過5 mm時(shí),樁S1的平均摩阻力才超過樁S2的平均摩阻力。這主要是由土層分布的差異和受力機(jī)理的差別所造成的,同一土層中負(fù)摩阻力應(yīng)小于正摩阻力,但樁S2最先發(fā)揮的是強(qiáng)度較高的下部土層的負(fù)摩阻力,而樁S1最先發(fā)揮的是強(qiáng)度較低的上部土層的正摩阻力,因而出現(xiàn)初期平均負(fù)摩阻力大于平均正摩阻力的現(xiàn)象。隨著位移增大,整個(gè)樁段的摩阻力逐漸發(fā)揮出來,平均正摩阻力自然大于平均負(fù)摩阻力。取趨于穩(wěn)定的位移12 mm進(jìn)行比較,在中密卵石層中平均負(fù)摩阻力約為平均正摩阻力的0.84倍。

圖9 平均摩阻力對(duì)比

4.2 樁承載性能分析

在樁承載力自平衡測(cè)試中,測(cè)定了荷載箱的荷載、垂直方向向上和向下的變位量以及樁體在不同深度的應(yīng)變值。通過樁的應(yīng)變和混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系,可以計(jì)算出樁身軸力分布,進(jìn)而求出不同深度的樁側(cè)摩阻力。利用荷載傳遞解析方法,將樁側(cè)摩阻力與變位量的關(guān)系、荷載箱荷載與向下變位量的關(guān)系,換算成樁頂荷載—沉降關(guān)系曲線,經(jīng)轉(zhuǎn)換的樁S2的Q-S曲線及其與樁S1的對(duì)比見圖10。為便于比較,采用雙曲線模型對(duì)樁S1的Q-S曲線進(jìn)行擬合(見圖10),樁S1、S2的Q-S曲線均呈緩變形,在起前半段兩條曲線非常接近,且S1在S2之上。但隨著荷載增加,S1的下降速率明顯快于S2,在S=12 mm時(shí),S1落在S2之下,且隨著荷載增大,差距越來越大。若取S=30 mm進(jìn)行對(duì)比,S2的承載力為59 500 kN,S1的承載力為48000 kN。S2比S1長(zhǎng)18 m,樁頂沉降為30 mm時(shí),S1的樁側(cè)摩阻力基本發(fā)揮出來,端阻力也得到發(fā)揮,端阻力占總荷載的比例達(dá)到22.46%(見圖7),呈摩擦端承樁特性。而S2的樁側(cè)摩阻力還未充分發(fā)揮,端阻力占總荷載的比例只有3.59%(見圖9),樁頂沉降基本由樁身壓縮引起,呈摩擦樁特性。

圖10 Q-S曲線對(duì)比

5 結(jié)論

(1)樁S1,S2的Q-S曲線均呈緩變形。由于樁長(zhǎng)不同,2根樁的荷載-沉降變化規(guī)律有所區(qū)別。在起前半段,兩條曲線非常接近;在后半段,隨著荷載增大,S1樁的下降速率明顯大于S2樁。若取S=30 mm進(jìn)行對(duì)比,S2的承載力為59500 kN,S1的承載力為48 000 k N。

(2)樁 S2比S1長(zhǎng)18 m,當(dāng)樁頂沉降為30 mm時(shí),S1的樁側(cè)摩阻力基本發(fā)揮出來,端阻力占總荷載的比例達(dá)22.46%,為摩擦端承樁;樁S2的樁側(cè)摩阻力還未充分發(fā)揮,端阻力占總荷載的比例只有3.59%,樁頂沉降基本由樁身壓縮引起為摩擦樁。

(3)錨樁法(S1樁)的加載方式為由樁頂豎直向下,樁側(cè)摩阻力為正摩阻力,自平衡法(S2樁)上段樁的加載方式為由下往上,樁側(cè)摩阻力表現(xiàn)為負(fù)摩阻力;S1樁摩阻力的發(fā)揮順序?yàn)橛缮贤?S2樁摩阻力的發(fā)揮順序?yàn)橛上露?。二者變化?guī)律基本相似,取趨于穩(wěn)定的同一位移S=12 mm進(jìn)行比較,在中密卵石層中平均負(fù)摩阻力約為平均正摩阻力的0.84倍。

(4)在卵石層中摩阻力表現(xiàn)出明顯的應(yīng)力軟化特性。

[1]龔維明,戴國(guó)亮.蔣永生,等.樁自平衡測(cè)試?yán)碚撆c實(shí)踐[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào),2002,23(1):82-88

[2]黃生根,張曉煒,龔維明.后壓漿鉆孔灌注樁的荷載傳遞機(jī)理研究[J].巖土力學(xué),2004,25(2):251-254

[3]樁基工程手冊(cè)編委會(huì).樁基工程手冊(cè)[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,1995

[4]譚洪亮,趙鵬宇.大直徑樁樁頂加載自錨式測(cè)樁法[J].2008(2)

[5]張鐵富,王靖濤.鉆孔灌注樁承載力自平衡測(cè)試法[J].土工基礎(chǔ),2008,22

[6]吳 鵬,龔維明,薛國(guó)亞,等.樁基承載力測(cè)試O-Cell法與自平衡法對(duì)比研究[J].建筑科學(xué),2005,21

[7]龔維明.樁自平衡測(cè)試法工程應(yīng)用[J].巖土工程界,1999(1)

[8]黃生根,梅世龍,龔維明.南盤江特大橋巖溶樁基試驗(yàn)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2004,23(5):809-813

[9]JGJ94—2008 建筑樁基技術(shù)規(guī)范[S]

[10]《基坑工程手冊(cè)》編委會(huì).基坑工程手冊(cè)[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,1997