南水北調(diào)中線大郎河渡槽灌注樁抗壓承載力試驗(yàn)研究

□申 魯 □王長海 □屈艷紅 □宋文瑞（河南省水利勘測設(shè)計研究有限公司）

1.概況

南水北調(diào)中線大郎河渡槽工程全長500m，包括進(jìn)口連接段，梁式渡槽段，出口連接段三部分，其中梁式渡槽段長300m，共10跨，單跨跨度為30m。大郎河梁式渡槽基礎(chǔ)均采用鉆孔灌注樁，總樁數(shù)為200根，樁徑1.8m，單樁樁長33～58m。

2.試驗(yàn)?zāi)康募霸囼?yàn)方法

2.1 試驗(yàn)?zāi)康?/p>

大郎河梁式渡槽樁基灌注樁設(shè)計時采用的樁側(cè)土層摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值以及樁端土層承載力容許值均為根據(jù)相關(guān)規(guī)范及經(jīng)驗(yàn)取值，并無現(xiàn)場試驗(yàn)成果。對于南水北調(diào)中線渡槽這種特大型工程，其樁基施工前有必要進(jìn)行現(xiàn)場承載力試驗(yàn)，以驗(yàn)證樁基設(shè)計成果的可靠性，這也是保證渡槽工程安全的重要舉措。

2.2 試驗(yàn)方法

目前工程領(lǐng)域常用的基樁抗壓承載力試驗(yàn)方法包括：堆載法、錨樁法、自平衡法等等。其中堆載法和錨樁法均為直接在測試樁樁頂加載，由此確定樁的抗壓承載力，這種方法優(yōu)點(diǎn)是檢測結(jié)果直觀，缺點(diǎn)是對于承載力較高的大型樁，檢測成本較高，當(dāng)單樁抗壓承載力>20000kN時，檢測的難度很大。自平衡法是近些年引入國內(nèi)的一種基樁承載力檢測方法，該方法是將裝有千斤頂?shù)暮奢d箱焊接在樁身鋼筋籠上預(yù)埋入樁體中，利用荷載箱上部土層摩擦力與下部土層摩擦力及樁端承載力平衡進(jìn)行加載，進(jìn)而確定樁的抗壓承載力。自平衡法的優(yōu)點(diǎn)是可加載的噸位大，對于承載力較高的大型樁，檢測成本低，缺點(diǎn)是確定荷載箱安裝位置（即向上與向下力的平衡點(diǎn)）存在一定難度，且檢測結(jié)果不如前兩種方法直觀，需要進(jìn)行換算。

大郎河梁式渡槽灌注樁設(shè)計樁徑1.8m，最大樁長58m，預(yù)估極限承載力超過30000kN。采用堆載法和錨樁法檢測難度都比較大，且費(fèi)用高、周期長，經(jīng)分析，最終選用自平衡法作為樁的抗壓承載力試驗(yàn)方法。

圖1 基樁承載力自平衡試驗(yàn)示意圖

3.抗壓承載力試驗(yàn)

3.1 工程場區(qū)地質(zhì)情況

根據(jù)前期勘測資料，大郎河梁式渡槽工程區(qū)地基主要巖（土）層包括：第③層礫砂、第⑥層重粉質(zhì)壤土、第⒀-2層卵石、第⒂層砂巖、第⒃-2層粘土巖、第⒃-3層礫質(zhì)粘土巖。樁基設(shè)計采用各層土的樁側(cè)摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值以及樁端承載力容許值見表1。

表1 大郎河渡槽地基土層力學(xué)指標(biāo)參數(shù)表

3.2 試驗(yàn)樁總體布置

試驗(yàn)樁在工程樁正式施工前先行施工并檢測，當(dāng)試樁抗壓承載力檢測結(jié)果滿足設(shè)計要求時，再開始工程樁施工。

根據(jù)工程場區(qū)地質(zhì)情況以及渡槽樁基設(shè)計情況，本次試驗(yàn)共布置兩組試樁，每組3根，共6根。第1組試樁布置在渡槽第2跨跨中（即大郎河右岸河灘），樁長34m，樁徑1.8m；第2組試樁布置在渡槽第6跨跨中（即大郎河主河槽），樁長58m，樁徑1.8m。

每組試樁施工前先在樁位處進(jìn)行地質(zhì)鉆探，掌握試樁區(qū)地層情況，再進(jìn)行試樁施工及檢測。

3.3 抗壓承載力試驗(yàn)

3.3.1 荷載箱選型及安裝

根據(jù)試樁區(qū)地層情況，首先預(yù)估兩組試樁單樁抗壓承載力，計算采用《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》JTGD63-2007中公式。

[Ra]：單樁軸向受壓承載力容許值（kN），樁身自重與置換土重（當(dāng)自重計入浮力時，置換土重也計入浮力）的差值作為荷載考慮；u：樁身周長（m）；Ap：樁端截面面積（m2）；n：土的層數(shù)；li：承臺底面或局部沖刷線以下各土層的厚度（m）；qik：與li對應(yīng)的各土層與樁側(cè)的摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值（kPa），采用表1中數(shù)值；qr：樁端處土的承載力容許值（kPa），當(dāng)持力層為砂土、碎石土?xí)r，若計算值超過下列值，宜按下列值采用：粉砂1000kPa；細(xì)砂1150kPa；中砂、粗砂、礫砂 1450kPa；碎石土 2750kPa；[fa0]：樁端處土的承載力基本容許值（kPa），采用表1中數(shù)值；h：樁端的埋置深度（m）,對于有沖刷的樁基，埋深由一般沖刷線起算；對無沖刷的樁基，埋深由天然地面線或?qū)嶋H開挖后的地面線起算；h的計算值不大于40m，當(dāng)大于40m時，按40m計算；k2：容許承載力隨深度的修正系數(shù)；γ2：樁端以上各土層的加權(quán)平均重度（kN/m3）,若持力層在水位以下且不透水時，不論樁端以上土層的透水性如何，一律取飽和重度；當(dāng)持力層透水時，則水中部分土層取浮重度；λ：修正系數(shù)，取 0.7；m0：清底系數(shù)，取 0.7。

經(jīng)計算，第1組試樁（樁長34m）預(yù)估單樁抗壓承載力26500kN，第2組試樁（樁長58m）預(yù)估單樁抗壓承載力36000kN。考慮到地基土層實(shí)際樁側(cè)摩阻力及樁端承載力與設(shè)計采用值可能有偏差，經(jīng)綜合分析，最終確定試樁荷載箱額定最大加載值及安裝位置見表2。

表2 大郎河渡槽試樁荷載箱主要參數(shù)指標(biāo)表

3.3.2 試驗(yàn)規(guī)程

3.3.2.1 加載

加載應(yīng)分級進(jìn)行，每級加載值取荷載箱額定最大加載值的1/15，按15級14次加載，即第一次按兩倍荷載分級加載。

3.3.2.2 位移觀測

每級加載后在第 1h內(nèi)分別于 5、15、30、45、60min各測讀一次，以后每隔30min測讀一次。電子位移傳感器連接到電腦，直接由電腦控制測讀，在電腦屏幕上顯示Q-s、s-lgt、s-lgQ曲線。

3.3.2.3 穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)

每級加載下沉量，在最后30min內(nèi)如≤0.1mm時即可認(rèn)為穩(wěn)定。

3.3.2.4 終止加載條件

一總位移量大于或等于40mm，本級荷載的下沉量大于或等于前一級荷載的下沉量的5倍時，加載即可終止。取此終止時荷載小一級的荷載為極限荷載。

二總位移量大于或等于40mm，本級荷載加上后24h未達(dá)穩(wěn)定，加載即可終止。取此終止時荷載小一級的荷載為極限荷載。

三總下沉量小于40mm，但荷載已達(dá)荷載箱加載極限或位移已超過荷載箱行程，加載即可終止。

3.3.2.5 卸載及測試

一卸載應(yīng)分級進(jìn)行，共分5級卸載。每級荷載卸載后，觀測樁頂?shù)幕貜椓?，觀測辦法與沉降相同。直到回彈量穩(wěn)定后，再卸下一級荷載?；貜椓糠€(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)與下沉穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)相同。

二卸載到零后，至少在1.5h內(nèi)每15min觀測一次，開始30min內(nèi)，每15min觀測一次。

3.3.3 試驗(yàn)成果

兩組試樁的試驗(yàn)成果見表3。

表3 大郎河渡槽試樁實(shí)測成果表

根據(jù)自平衡法試驗(yàn)成果，單樁豎向抗壓承載力按下式計算。

Qu：單樁豎向抗壓承載力（kN）；Qus：荷載箱上段樁的實(shí)測加載值（kN）；Qux：荷載箱下段樁的實(shí)測加載值（kN）；W：荷載箱上部樁有效自重（kN）；γ：荷載箱上部樁側(cè)摩阻力修正系數(shù)，取γ=0.8。

經(jīng)計算，各組試樁的單樁豎向抗壓承載力見表4。

表4 大郎河渡槽試樁單樁豎向抗壓承載力成果表

4.結(jié)論及建議

4.1 對于大郎河渡槽這種單樁承載力較高的樁基，只要合理地選擇荷載箱型號及安裝位置，采用自平衡法檢測基樁豎向抗壓承載力是可行的，且檢測成本遠(yuǎn)小于堆載法或錨樁法這類傳統(tǒng)檢測方法。

4.2 大郎河渡槽兩組試樁，按照設(shè)計參數(shù)計算的單樁抗壓承載力分別為26500kN和36000kN，按照自平衡法試驗(yàn)實(shí)測單樁豎向抗壓承載力平均值分別為37630kN和53837kN，由此可以看出，大郎河渡槽樁基設(shè)計成果是安全可靠的。

4.3 根據(jù)試樁實(shí)測成果與設(shè)計計算成果對比可以看出，大郎河渡槽樁基設(shè)計采用的各巖（土）層樁側(cè)摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值略偏保守，渡槽樁基設(shè)計成果還有進(jìn)一步優(yōu)化的空間。

[1]翟淵軍，朱太山，等.南水北調(diào)中線一期工程總干渠沙河南～黃河南沙河渡槽工程招標(biāo)設(shè)計報告[R].鄭州：河南省水利勘測設(shè)計研究有限公司，2009.

[2]趙健倉，陳全禮，等.南水北調(diào)中線一期工程總干渠沙河渡槽段施工圖階段工程地質(zhì)勘察報告[R].鄭州：河南省水利勘測有限公司，2009.

[3]張喜剛，鮑衛(wèi)剛，等.公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范[S].北京：人民交通出版社，2007.

[4]龔維明，薛國亞，等.南水北調(diào)中線一期工程大郎河渡槽工程基樁檢測報告[R].南京：南京東大自平衡樁基檢測有限公司，2011.

[5]龔維明，薛國亞，等.基樁靜載試驗(yàn)自平衡法[S].北京：人民交通出版社，2009.