自平衡測樁法在洺河渡槽工程中的應用

韓志成

（河北省南水北調(diào)工程建設管理局，石家莊 050021）

自平衡測樁法在洺河渡槽工程中的應用

韓志成

（河北省南水北調(diào)工程建設管理局，石家莊 050021）

洺河渡槽是南水北調(diào)中線工程總干渠上的一座大型河渠交叉建筑物，槽身為三槽一聯(lián)矩形預應力鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，其樁基設計試驗荷載已臨近目前國內(nèi)常規(guī)試樁最大極限荷載。該文通過介紹洺河渡槽樁基檢測的方案比選和自平衡測樁法的發(fā)展概況、工作原理、現(xiàn)場實驗過程及數(shù)據(jù)分析，全面闡述了自平衡測樁法在洺河渡槽工程中的應用。此應用在南水北調(diào)工程建設中尚屬首次，本工程的實踐為自平衡測樁法在南水北調(diào)其他工程中的推廣和應用提供了經(jīng)驗。

堆載法；錨樁法；自平衡；數(shù)據(jù)分析

1 基本情況

洺河渡槽是南水北調(diào)中線總干渠上的大型河渠交叉建筑物，位于河北省永年縣城西鄧底村與臺口村之間的洺河上，全長930m，其中槽身長829m，渡槽槽身縱向為16跨簡支梁結(jié)構(gòu)，單跨長40m。槽身為三槽一聯(lián)矩形預應力鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，單槽凈寬7m，槽凈高6.8m，設計流量230m3/s，加大流量260m3/s。渡槽共布置17個槽墩，墩身為實體重力墩，由墩帽、墩身、承臺組成。承臺下設兩排灌注樁，每排7根，樁徑1.7m，樁長13.5～54m，單樁設計承載力1400kN。

2 檢測方案的比選

按照設計要求樁基成型后，需要進行承載力檢測，根據(jù)檢測規(guī)范，本工程的單樁試驗荷載要達到2800kN。目前國內(nèi)傳統(tǒng)的荷載試驗有堆載法、錨樁法，兩者都是采用油壓千斤頂在樁頂施加荷載，而千斤頂?shù)姆戳Γ罢咄ㄟ^反力架上的堆重與之平衡，后者通過反力架將反力傳給錨樁，與錨樁的抗拔力平衡。

2.1 采用堆載法存在的問題

設計樁頂標高在地表以下10m左右，且洺河常年有水，這就涉及到基坑開挖、排水、支護等一系列的措施，才能保證試驗的順利、安全進行。

要解決幾百噸甚至上千噸的荷載來源、堆放及運輸問題，不但會產(chǎn)生很高的費用，也存在巨大的安全隱患。

要解決千斤頂、反力梁等技術(shù)問題，目前國內(nèi)做到試樁最大極限承載力為3000t，而且管理部門明確建議堆載法盡量在1500t以下，而本工程的試驗荷載已達2800t，接近國內(nèi)已有實驗經(jīng)驗的上限，經(jīng)聯(lián)系檢測單位都認為風險太大，不宜采用此方案進行檢測。

2.2 采用錨樁法檢測存在的問題

采用錨樁法同樣存在基坑開挖、降水、支護等問題，而且處于墩臺群樁中的試樁周圍因受空間限制難以設置錨樁。

由于試驗荷載太大，需要設置多根錨樁及反力大梁，不僅所需費用昂貴，時間較長，而且會因為噸位和場地條件的原因而存在巨大的安全隱患，工期也難以保證。

2.3 采用自平衡法檢測的優(yōu)點

自平衡法裝置簡單，不占用場地、不需運入數(shù)百噸或數(shù)千噸物料，不需構(gòu)筑笨重的反力架。試樁準備工作省時省力，可在原地面進行試驗，不需要對基坑進行開挖、降水、支護，大大增加實驗的安全性。試驗費用較省，與以上兩種方法相比可節(jié)省試驗費用50%。利用輸壓管對試驗樁底進行壓力灌漿后，試驗樁仍可作為工程樁使用。

3 自平衡法的發(fā)展概況

基樁自平衡測試方法思路最早由日本的中山（Nakayama）和藤關(guān)（Fujiseki）于1973年提出，并取得了鉆孔樁的測試專利。1985年，美國西北大學學者Osterberg在分析、總結(jié)前人經(jīng)驗的基礎上，花費了數(shù)年時間對自平衡測試技術(shù)進行了系統(tǒng)研究、開發(fā)，并于1989年在橋梁鋼樁中成功進行了首次商業(yè)試驗，后逐漸推廣至各種樁型。因此基樁自平衡法載荷試驗原名為Osterbergcell載荷試驗。至今，該法已在美、英、日、加拿大、新加坡、中國等10余個國家和地區(qū)得到推廣應用，在北美已被公認為是進行基樁靜載荷試驗的首選方法，應用十幾年來，在全世界范圍內(nèi)已經(jīng)進行了數(shù)千次的O-cell試驗，其中約半數(shù)是工程樁，幾乎涵蓋灌注樁和預制樁型。試樁最大深度90m，最大直徑3m，最大荷載133000kN。O-cell法于1993年由清華大學水利水電系李廣信教授引入國內(nèi)，經(jīng)過國內(nèi)多家單位對自平衡試樁法展開大量理論研究、模型試驗和學術(shù)討論之后，自平衡法開始在國內(nèi)實踐和應用。2002年，自平衡法被國家建設部列為科技成果推廣項目。

4 自平衡法的原理

樁基自平衡檢測法的主要裝置是荷載箱，由活塞、頂蓋、底蓋、箱壁4部分組成，主要功能是用于加載實驗，設計時，樁的外徑略大于荷載箱頂蓋、底蓋的外徑，頂蓋、底蓋上布置有位移棒，見圖1～圖4。

根據(jù)地質(zhì)勘察結(jié)果計算可得在基樁中存在一個平衡點，這個平衡點的下部樁體摩阻力和上部樁體的負摩阻力可以達到一個平衡。將荷載箱埋設在該位置，向上下兩段樁體施壓，并記錄施壓過程中樁體的位移，對位移進行分析即可得到基樁的極限承載力。與其他靜載荷試驗相同，自平衡法的最終目的也是對測試進行分析判斷，進而確定單樁極限承載力。

圖1 荷載箱埋設立面圖

洺河渡槽共進行了5根樁自平衡實驗，其中前兩根2～10和10～4，根據(jù)設計提供的地質(zhì)勘察結(jié)果和不同地層的樁側(cè)極限摩阻力及樁端巖石飽和和單軸抗壓強度標準值進行了實驗，但實際值與設計值出入較大，出現(xiàn)了上部側(cè)摩阻力不足的問題，為提高荷載箱上樁周側(cè)阻力，在進行3～11、4～7和6～8三根實驗樁時參考2～10和10～4兩根試驗樁實測的側(cè)摩阻系數(shù)進行了配重。

5 實驗步驟

5.1 安裝荷載箱

圖2 喇叭筋大樣圖

將荷載箱按計算位置與鋼筋籠進行焊接連接，具體操作為：吊車將上節(jié)鋼筋籠吊起與荷載箱上頂板焊接（所有主筋圍焊，并確保鋼筋籠與荷載箱起吊時不會脫離），保證鋼筋籠與荷載箱在同一水平線上，再點焊喇叭筋，喇叭筋上端與主筋，下端與內(nèi)圓邊緣點焊，保證荷載箱水平度小于0.5%；然后荷載箱下底板與下節(jié)鋼筋籠連接，焊接下喇叭筋見圖5。

圖3 荷載箱平面圖

圖4 位移監(jiān)測點

5.2 澆筑成樁

待成孔后，用吊車將安裝荷載箱的鋼筋籠下到鉆孔內(nèi)，然后進行混凝土灌注施工。在灌注混凝土時要注意：當混凝土接近荷載箱時，拔導管速度應放慢；當荷載箱上部混凝土高度大于2.5m時，導管底端方可拔過荷載箱，澆混凝土至設計樁頂；荷載箱下部混凝土坍落度宜大于200mm，便于混凝土在荷載箱處上翻。

5.3 現(xiàn)場實驗

圖5 荷載箱

5.3.1 加、卸載分級

試樁每次加載分9級，卸載分5級進行。加（卸）載第一級均可取預設加載量的20%。

5.3.2 觀測

每級加載后在第1h內(nèi)應在5、15、30、45、60min測讀1次，以后每隔30min測讀一次，每級荷載卸載后，應觀測樁頂?shù)幕貜椓?，觀測辦法與加載相同。卸載到零后，至少在2h內(nèi)每30min觀測1次。

每級加載下沉量，在最后30min不大于0.1mm時即可認為穩(wěn)定。位移量大于或等于40mm，本級荷載位移量大于或等于前一級荷載位移量5倍時，加載即可終止。取此終止時小一級的荷載為極限荷載。

5.4 數(shù)據(jù)分析

5.4.1 檢測數(shù)據(jù)的整理

繪制荷載—位移（Q～s）、位移—時間對數(shù)（s～lgt）曲線，需要時也可繪制其他輔助分析所需曲線。

5.4.2 承載力確定

法綜合分析確定：

（1）根據(jù)位移隨荷載變化的特征確定。對于陡變（陡降或陡升）型Q～s曲線，應取其發(fā)生明顯陡變的起始點對應的荷載值。

（2）根據(jù)位移隨時間變化的特征確定取s～lgt曲線尾部出現(xiàn)明顯變化的前一級荷載值。即下段樁取sd～lgt曲線尾部出現(xiàn)明顯向下彎曲的前一級荷載值，上段樁取su～lgt曲線尾部出現(xiàn)明顯向上彎曲的前一級荷載值。

（3）出現(xiàn)終止加載條件第二種情況時，應取前一級荷載值。

（4）對于緩變型Q～s曲線可根據(jù)位移量確定，宜取s=40mm對應的荷載值；當整體樁長大于40m時，應考慮樁身彈性壓縮量；對直徑大于或等于800mm的，可取s=0.05D（D為樁端直徑）對應的荷載值。

（5）當按上述四款判定上、下段樁的極限承載力未達到極限時，可取最大試驗荷載值為極限承載力值。

5.4.3 確定單樁豎向抗壓極限承載力Qu

實驗成果見表1。

6 結(jié)語

自平衡測樁法在洺河渡槽樁基檢測中的成功應用，有效地驗證了樁基的實際承載力與設計承載力的差別，為優(yōu)化設計，改進施工工藝，保證渡槽的安全提供了科學依據(jù)，也為此工藝在南水北調(diào)的應用和推廣積累了寶貴經(jīng)驗。

表1 實驗成果

［1］DB32-T291—1999，江蘇省樁承載力自平衡測試技術(shù)規(guī)程[S].

［2］JT/T 738—2009，山東省基樁承載力自平衡法測試技術(shù)規(guī)程，樁靜試驗自平衡法［S］．

［3］JT/T 738—2009，基樁靜載試驗自平衡法［S］．

［4］周煒，楊寶紅，謝杰，等，自平衡檢測技術(shù)在機械鉆孔樁檢測中的應用[J].建筑技術(shù)開發(fā)，2008（9）.

［5］戴國亮.樁承載力自平衡測試法的理論與實踐[D].南京：南京大學，2003.

［6］JTJ 041—2000，公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范[S].

［7］JTG D63—2007，公路橋涵地基和基礎設計規(guī)范[S].

Application of Self-balancing Detection Pale Method in the Ming River Aqueduct Project

HAN Zhi-cheng
（The Hebei Construction and Administration Bureau of South-to-North Water Transfer Project，Shijiazhang 050021，China）

The Ming River aqueduct is a large-scale building of cross rivers and canals in South-to-North Water Transfer Middle Route Project，aqueduct body is coalition between 3-grooves rectangle reinforced concrete structure，design test loads of pile foundations are close to the highest.the paper introduces comparison and selection of pile foundations test schemes in the ming river aqueduct and general development，operating principle，the experiment process，data analysis of self-balancing detection pale method，all-round discusses the application of self-balancing detection pale method in the ming river aqueduct project，it is first appled in South-to-North Water Transfer Middle Route Project，and provids reference for promotion and application in South-to-North Water Transfer other Project.

the anchor pile method；the preloading method；the self-balancing detection method；data analysis

TV672+.3

B

1672-9900（2012）02-0080-03

2012-03-22

韓志成（1972-），男（漢族），河北曲陽人，高級工程師，主要從事工程技術(shù)工作，（Tel）13722260866。