自平衡測(cè)試法在橋梁樁基中的應(yīng)用

葉再

YE Zaipeng

(杭州市交通運(yùn)輸發(fā)展服務(wù)中心，浙江 杭州310006)

1 自平衡測(cè)試法簡(jiǎn)介

灌注樁在適宜的持力層中采用樁端后注漿技術(shù)已廣泛應(yīng)用于橋梁市政工程、高層建筑等建設(shè)工程中，然而目前對(duì)注漿前后灌注樁承載力及位移變化情況的定量研究較少。自平衡測(cè)試法［1］是利用試樁自身反力平衡的原理，在樁端附近或樁身截面處預(yù)先埋設(shè)單層(或多層)荷載箱，加載時(shí)荷載箱以下將產(chǎn)生端阻和側(cè)阻以抵抗向下的位移，同時(shí)荷載箱以上將產(chǎn)生向下的側(cè)阻和混凝土樁身自重以抵抗向上的位移，上、下樁段反力大小相等，方向相反，從而達(dá)到試樁自身反力平衡加載的目的。該方法適用范圍廣、成本低、周期短，可測(cè)試注漿前后承載能力變化。

2 試樁方案

2.1 試樁相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)

本次測(cè)試對(duì)象為高速公路紹興段一橋梁工程的大直徑鉆孔灌注樁，試樁位置場(chǎng)地土層依次如下:②層為黏土，灰黃色，軟塑，層厚3.2～7.5 m;③層為淤泥質(zhì)黏土，灰色，流塑，層厚2.2～9.3 m;④層為粉質(zhì)黏土，灰色，軟可塑，層厚5.5～12.3 m;⑤層為中細(xì)砂，灰黃色，飽和，稍密，層厚6.1～11.9 m;⑥層為卵石，黃灰色，飽和，中密，局部密實(shí)，層厚17. 1～33.9 m;⑧層為中風(fēng)化凝灰?guī)r，黃灰，棕灰，紫灰，堅(jiān)硬，最大揭露層10.6 m。設(shè)計(jì)時(shí)，考慮到地基土中存在較厚卵石層，且注漿對(duì)卵石層側(cè)阻力和端阻力提高明顯，綜合考慮經(jīng)濟(jì)效益及工期，擬選用卵石層為本工程樁基持力層。同時(shí)為得到最佳的樁基方案，將一根穿透卵石層以中風(fēng)化凝灰?guī)r為持力層的試樁作為對(duì)比試件。

根據(jù)《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范(JTG D63—2007)》［2］，預(yù)估各試樁壓漿前后的單樁承載力，計(jì)算公式如下。

鉆孔灌注樁的受壓承載力

后注漿灌注樁受壓承載力

式中:Ra—單樁軸向抗壓承載力(kN);

u—樁身周長(m);

Ap—樁端截面面積(m2);

n—土的層數(shù);

li—各土層厚度(m);

qik—樁側(cè)摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值(kPa);

qr—樁端承載力容許值(kPa)，取值詳見規(guī)范;

βsi—側(cè)阻力增強(qiáng)系數(shù)。

βp—端阻力增強(qiáng)系數(shù)。

各試樁的直徑均為1000 mm，樁身混凝土強(qiáng)度等級(jí)均為C40，根據(jù)上述公式得出承載力計(jì)算值，試樁編號(hào)及相關(guān)參數(shù)見表1。

表1 測(cè)試樁編號(hào)及試驗(yàn)參數(shù)

2.2 測(cè)點(diǎn)布置

為了測(cè)出注漿前后樁的極限承載力，各試樁均埋設(shè)兩個(gè)荷載箱，根據(jù)其預(yù)估的總承載力、樁端阻力及各土層側(cè)阻的分布情況，確定各試樁荷載箱埋設(shè)位置，試樁測(cè)點(diǎn)示意圖見圖1。

圖1 試驗(yàn)示意圖

測(cè)試系統(tǒng)由加載設(shè)備、位移和應(yīng)力量測(cè)裝置組成。采用加載荷載箱，高壓油泵的最大加壓值為60 MPa，加壓精度為每小格0.4 MPa，電子位移計(jì)量測(cè)裝置安置在試樁上，每樁10 只，通過磁性表座固定在基準(zhǔn)鋼梁上。各試樁被兩個(gè)荷載箱分為上中下三段樁，荷載箱及樁內(nèi)各導(dǎo)管的現(xiàn)場(chǎng)埋設(shè)見圖2、圖3。

圖2 荷載箱埋設(shè)

圖3 導(dǎo)管埋設(shè)

2.3 測(cè)試流程

采用慢速維持法加載，每級(jí)荷載取預(yù)估總加載量的1/10，分10 級(jí)加載，分5 級(jí)卸載，并記錄每級(jí)荷載下的位移變化。雙荷載箱［3］的SZ1 和SZ2 的加載順序?yàn)?注漿前先進(jìn)行下荷載箱測(cè)試，預(yù)計(jì)先測(cè)得下段樁的極限承載能力;然后打開下荷載箱(打開油管)，預(yù)計(jì)測(cè)得中段樁的極限承載力;此時(shí)關(guān)閉下荷載箱(封閉油管)，繼續(xù)加載，預(yù)計(jì)測(cè)得上段樁承載力。完成上述測(cè)試后，進(jìn)行注漿，注漿20 d 后進(jìn)行注漿后測(cè)試:同樣先進(jìn)行下荷載箱測(cè)試，預(yù)計(jì)先測(cè)出下段樁注漿后承載力;然后打開下荷載箱，進(jìn)行上荷載箱測(cè)試，預(yù)計(jì)先測(cè)出中段樁壓漿后承載力;最后關(guān)閉下荷載箱，繼續(xù)進(jìn)行上荷載箱測(cè)試，測(cè)出上段樁承載力。

3 測(cè)試結(jié)果和對(duì)比分析

根據(jù)測(cè)試要求，當(dāng)加載至位移發(fā)生突變，荷載難以穩(wěn)定時(shí)停止加載，并記錄前一級(jí)荷載值作為該段樁的極限荷載，并根據(jù)《基樁承載力自平衡檢測(cè)技術(shù)規(guī)程(DB33/T 1087—2012)》［4］計(jì)算壓漿后的單樁極限承載力，計(jì)算公式為

式中:Qu—單樁豎向抗壓承載力(kN);

Qu上—荷載箱上部的極限荷載值(kN);

Qu下—荷載箱下部的極限荷載值(kN);

W—荷載箱上部樁有效自重(kN);

γ—荷載箱上部樁側(cè)阻力修正系數(shù)，各土層的不同取值詳見規(guī)程。

根據(jù)上述計(jì)算公式并結(jié)合各試樁的三段樁在測(cè)試中的受力情況及極限荷載，可求得各樁注漿前后的承載力，各樁測(cè)試所得的分段樁極限荷載及計(jì)算得到的單樁承載力見表2。

表2 測(cè)試結(jié)果

圖4 SZ2 注漿前下荷載箱測(cè)試曲線

圖5 SZ2 注漿后下荷載箱測(cè)試曲線

從表2 中可以看出，注漿后對(duì)下段樁(樁端阻力加上2 m 樁側(cè)阻力)的承載力提高最為明顯，以SZ2 為例，其注漿前后下荷載箱的測(cè)試曲線見圖4、圖5。計(jì)算后發(fā)現(xiàn)，SZ1 上段樁側(cè)阻力提高了25.8%，SZ1 下段樁側(cè)阻力提高了51.8%;SZ2 上段樁側(cè)阻力提高了24.5%，SZ2 下段樁側(cè)阻力提高了47.8%;上段樁土層主要為黏土、淤泥質(zhì)黏土及粉質(zhì)黏土，中段樁土層主要為中細(xì)砂和卵石，可見壓漿對(duì)中細(xì)砂和卵石層側(cè)阻的提高要明顯大于黏土和粉質(zhì)黏土。根據(jù)注漿前后自平衡試樁Q -S 曲線，可以看出壓漿前SZ2 下段樁曲線在很小的荷載下出現(xiàn)了較明顯的位移，說明樁底存在沉渣，一定程度上降低了樁端阻力，不利于樁側(cè)阻力、樁端阻力的共同作用。而注漿可有效固結(jié)樁底沉渣，還可在壓力作用下對(duì)持力層進(jìn)行滲透和擠密土體，形成一個(gè)較大直徑的水泥-土體混合固結(jié)體［5］，對(duì)于卵石層，水泥和卵石層的結(jié)合使樁端阻力大幅提高。注漿后，樁側(cè)水泥漿在壓力作用下沿樁周圍沖擊樁周泥皮、土層，侵入樁周土體，等到周圍水泥漿與樁周土體固化，提高了樁身與固化區(qū)的摩擦程度，有效提高了樁側(cè)摩阻力。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算可得，SZ1樁極限承載力提高幅度為58.1%，側(cè)阻力提高41.5%，端阻力提高159%;SZ2 樁極限承載力提高幅度為60.6%，側(cè)阻力提高43.8%，端阻力提高159%;注漿后，測(cè)試曲線走向變緩，荷載相近的情況下樁端位移明顯減小，樁端剛度得到了提高。從注漿前測(cè)試曲線上下呈現(xiàn)出明顯的不對(duì)稱性，表明下荷載箱的上下兩段樁的承載力極不平衡，即樁端阻力遠(yuǎn)小于樁側(cè)阻力，表現(xiàn)出明顯的摩擦型樁的特征;注漿后可發(fā)現(xiàn)下荷載箱的測(cè)試曲線趨于對(duì)稱，說明注漿后樁端阻力大幅提高，使樁的端承力作用更加明顯。

對(duì)于本工程樁基持力層的選擇，根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)表明注漿后SZ1 和SZ2 的承載力都高于9600 kN，均可滿足本橋梁工程單樁承載力的要求，且注漿后SZ2 的實(shí)測(cè)承載力要大于SZ3。其中SZ2 樁端進(jìn)入卵石層20 m 并后注漿，樁長60 m，施工時(shí)間為2 d一根樁;而SZ3 樁端穿透卵石層，進(jìn)入中風(fēng)化層，總樁長71 m，施工時(shí)間為4 d 一根樁。對(duì)比兩者的混凝土用量及注漿量發(fā)現(xiàn)，SZ3 比SZ2 的資源消耗及工期都大大增加，嚴(yán)重影響工程綜合效益，而SZ2 在注漿后的承載力完全可以滿足橋梁的樁基設(shè)計(jì)要求，因此優(yōu)先選用卵石層作為持力層，采用后注漿技術(shù)的鉆孔灌注樁為本工程的最優(yōu)方案。

4 結(jié) 語

測(cè)試結(jié)果表明:在本工程的地質(zhì)條件下，以卵石層為持力層，采用后注漿工藝可大幅提高樁端阻力，并有效提高樁側(cè)阻力;對(duì)卵石層和中細(xì)砂的側(cè)摩阻提高作用要明顯好于黏土和粉質(zhì)黏土層。注漿后單樁承載力完全可以滿足工程需要，通過對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，本樁基方案相較于穿透卵石層以中分化凝灰?guī)r為持力層的長樁，在施工成本和施工工期上均具有較大優(yōu)勢(shì)，把試驗(yàn)結(jié)果應(yīng)用于樁基優(yōu)化設(shè)計(jì)中，可顯著提高工程的綜合效益。

［1]曾章海，胡春華，陳進(jìn)華.自平衡測(cè)樁技術(shù)在橋梁工程中的應(yīng)用［J］.中國水運(yùn)，2010，10(6):79 -80.

［2]中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司.JTG D63—2007 公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京:人民交通出版社，2007.

［3]劉杰，趙燦.雙荷載箱下自平衡測(cè)試結(jié)果轉(zhuǎn)換方法探討［J］.低溫建筑技術(shù)，2010(10):68 -70.

［4]浙江大合建設(shè)工程檢測(cè)有限公司.DB33/T 1087—2012 基樁承載力自平衡檢測(cè)技術(shù)規(guī)程［S］.浙江:浙江工商大學(xué)出版社，2012.

［5]戴國亮，龔維明，程曄，等.自平衡測(cè)試技術(shù)及樁端后壓漿工藝在大直徑超長樁的應(yīng)用［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2005(6):690-694.