嵌巖樁與多層土質構造下摩擦樁的自平衡法測試

胡曉波，劉仁陽，夏明亮，李 軍，肖柏軍

(1.中南大學 土木工程學院，長沙 410075；2.中鐵五局集團海外工程公司，貴陽 550002；3.中鐵第五勘察設計院集團有限公司，北京 102600)

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嵌巖樁與多層土質構造下摩擦樁的自平衡法測試

胡曉波1，劉仁陽2，夏明亮3，李 軍1，肖柏軍1

(1.中南大學 土木工程學院，長沙 410075；2.中鐵五局集團海外工程公司，貴陽 550002；3.中鐵第五勘察設計院集團有限公司，北京 102600)

結合檢測工況對測試數(shù)據(jù)的影響，對自平衡“精確轉換法”進行改進，提出摩擦樁位移協(xié)調轉換法和嵌巖樁的荷載協(xié)調轉換法，實際應用結果說明兩種轉換方法合理。所得測試結果表明湄公河大橋樁基承載力符合設計要求；分析湄公河大橋試樁的側摩阻力和端承力分布，嵌巖樁和摩擦樁縱向承載均以側阻力為主。

樁基；自平衡試驗；轉換方法；嵌巖樁；摩擦樁

基樁承載力的自平衡試驗方法是20世紀80年代末形成的新型樁基靜載測試技術[1-2]，首先在歐美和東亞得到應用[3-5]，此后，中國也開始研究和應用該項技術[4,6]，制訂行業(yè)標準[7]，并在南京長江三橋等一些重大工程中應用該測樁技術[8-11]。

在嵌巖樁應用自平衡方法的應用基礎和工程實踐的研究方面，聶如松等[15]運用Mindlin應力解和疊加原理求解，研究避免引進經驗系數(shù)的等效轉換方法等；高平等[16]和龔成中等[17]進行了軟巖條件下試樁自平衡檢測的研究；龔成中等[18]還分析孔壁特征對樁的承載特性的影響，Charles等[19]、符勇等[20]則就樁身參數(shù)對荷載傳遞影響，和大直徑嵌巖樁承載特性進行研究；Williams等[21]研究了不同巖性對側摩阻力的影響；曹漢志[22]認為一定條件下傳遞函數(shù)可采用全塑模型，龔成中嘗試將該模型用于自平衡轉換中。對于巖貌較完整、巖性良好條件下的嵌巖樁，一般設計為端承樁，較難進行自平衡檢測，隨著對抗震和防側推等問題的重視，設計深嵌巖樁的工程增多，進行自平衡方法在嵌巖樁檢測中的應用也相當重要。

檢測工況的影響，除荷載傳遞和文獻[23]涉及的Q-S曲線對稱性問題外，還有環(huán)境溫度變化及施工干擾的影響。溫度波動和施工的影響主要在于實測位移量的偏差，及其引起的Q-S曲線的形狀及轉換后P-S關系的精度，這種影響在位移量較小的情況下不可忽略，如嵌巖樁的檢測等。

總之，按照JT/T 738—2009進行試樁檢測已相當普遍，但仍有多種檢測工況影響下的檢測和轉換方法有待細化。

1 嵌巖樁與多層土地質構造下摩擦樁的等效轉換方法

1.1 摩擦樁位移協(xié)調法

(1)

(2)

實際檢測中不同巖土層和浸水浮力的影響、承載力確定等問題，仍按JT/T 738—2009的規(guī)定和方法處理。

以Pi、Si和Pt、St作為Pk、Sk，繪制P-S曲線

1.2 嵌巖樁荷載協(xié)調法

因巖石情況γ=1，荷載(位移)傳至下段樁時樁頂P和S的疊加計算式為

(3)

(4)

式中符號同前。

2 等效轉換方法在湄公河大橋樁基測試中的應用

2.1 橋址地質概況和試樁測試參數(shù)

湄公河大橋是昆曼公路跨越老撾會曬與泰國清孔間湄公河的關鍵工程，為五跨四墩的預應力混凝土現(xiàn)澆連續(xù)箱梁橋。橋的起止樁號為：SAT.4+978.565 ～SAT.5+458.565，主橋全長480 m，橋面標準橫斷面為主線雙向2車道。橋址處的湄公河位于山塹式沖積平原邊緣，微地貌為：左岸(老撾會曬側)為山腳下覆有砂黏土的基巖斜坡；右岸(泰國清孔側)為沖積平原的漫灘和河岸。主橋四墩中M7墩基礎位于清孔側河岸，M10墩基礎位于會曬側河岸；M8和M9的墩基礎分別位于主航道兩側。M7和M8墩的地質情況為砂黏土、粉砂、砂礫、砂卵石夾泥和硬黏土組成的多層式地層構造，M9和M10墩為覆有砂土的高度至中度風化流紋凝灰?guī)r地質條件。橋墩為群樁基礎，樁徑均設計為1.5 m，依據(jù)地質情況設計有嵌巖樁和摩擦樁兩種，各樁樁長不等。所測四根樁中，摩擦樁：M7-B3樁頂標高341.1 m，樁底標高296.1 m， M8-B2樁頂標高341.6 m，樁底標高286.7 m；嵌巖樁：M9-B5樁頂標高341.6 m，樁底標高317.5 m，M10-A4樁頂標高341.6 m，樁底標高 324.2 m。其中M8和M9為高樁基承臺墩，且各樁施工時均加有長度不一的鋼護筒，樁的有效承載樁長有所不同。施工采用沖擊鉆孔-灌注成樁工藝。各試樁的地質情況見表1。

表1 試樁位置地質情況

按JT/T 738—2009方法和JTG D63—2007所列側摩阻力參數(shù)確定平衡點。試樁參數(shù)和荷載箱位置見表2。

表2 試樁參數(shù)

注：1. M8和M9為高臺樁，M8-B2和M9-B5樁有效樁長以外的部分在沖刷線以上水中；2.M10-A4的荷載箱位置受施工進度影響而設定。

表3 各試樁應變計位置Table 3 Locations of strain gauge in different test pile

2.2 試樁檢測情況和結果

各試樁均在混凝土灌注成樁達到齡期后檢測，采用慢速維持荷載法進行加載測試，試樁的加載量按檢測加載設計值的1/10進行，第1級加載為兩倍分級荷載，卸載按5級進行。

2.2.1 試樁Q-S曲線的測試結果 測試所得M7-B3、M8-B2、M9-B5和M10-A4的Q-S曲線如圖1、圖2、圖3和圖4。

圖1 M7-B3的Q -S曲線Fig.1 Q -S curve of M7-B3

圖2 M8-B2的Q -S曲線 Fig.2 Q -S curve of M8-B2

圖3 M9-B5的Q -S曲線Fig.3 Q -S curve of M9-B5

圖4 M10-A4的Q -S曲線 Fig.4 Q -S curve of M10-A4

M7-B3和M8-B2同為摩擦樁，圖1和圖2顯示兩樁的Q-S曲線為緩變型曲線，加載至設計值，兩試樁中上、下段樁的最大位移值分別為18.60 mm和20.68 mm，小于終止加載條件的要求。圖3和圖4所示M9-B5和M10-A4的Q-S曲線同樣為緩變型曲線，兩試樁對應最大加載設計值的上、下段樁位移讀數(shù)的最大值顯示為4.29 mm。

受樁位地質條件差異及對應平衡點選擇的影響，M7-B3和M8-B2試樁的Q-S曲線上、下段不完全對稱。同樣，圖3和圖4所示M9-B5和M10-A4的Q-S曲線存在不完全對稱問題。自平衡方法在實際測試中獲得不對稱Q-S曲線應該是較為普遍現(xiàn)象。

圖3和圖4所示的Q-S曲線還顯示位移測讀結果的影響，表現(xiàn)為M9-B5樁和M10-A4樁的Q-S曲線出現(xiàn)不連續(xù)性。該不連續(xù)現(xiàn)象來源于位移值的波

動偏差，位移值的偏差在樁基靜載檢測中同樣是普遍問題，來源于位移測讀裝置和環(huán)境條件，自平衡試驗主要是溫度變化引起基準梁變形的影響。相對而言，摩擦樁的位移沉降量較大，可以忽略其影響，但嵌巖樁則不同，嵌巖樁在加載中發(fā)生的真實位移量小，位移量偏差接近樁的加載位移，所以，M9-B5和M10-A4樁Q-S曲線呈明顯的不連續(xù)性。

表4 各試樁土(巖)層摩阻力

2.3 試樁檢測結果分析與討論

圖5 M7-B3樁P-S等效轉換曲線Fig.5 Equivalent P-S curve of pile M7-B3

圖6 M8-B2樁P-S等效轉換曲線Fig.6 Equivalent P-S curve of pile M8-B2

圖7 M9-B5樁P-S等效轉換曲線Fig.7 P-S equivalent converted curve of pile M9-B5

圖8 M10-A4樁P-S等效轉換曲線 Fig.8 P-S equivalent converted of pile M10-A4

圖5～圖8所示的測點(Pk，Sk)偏差，引起P-S曲線的波動連續(xù)，主要受位移測讀偏差等檢測工況因素的影響，不影響結果的合理。

表5 試樁承載特性

總之，摩擦樁通過采用位移協(xié)調法轉換可以獲得較完整的P-S曲線，嵌巖樁采用荷載協(xié)調法，減少和避免位移讀數(shù)偏差對轉換P-S曲線的影響，便于對試樁承載能力檢測和設計加載極限下試樁豎向承載特性分析。轉換所得各試樁P-S曲線與傳統(tǒng)測試結果相符合。

2.3.2 試樁豎向承載力和承載特性分析 根據(jù)前述各測試結果，按承載力公式和位移公式，進一步計算分析樁基豎向承載力和承載特性，結果列于表5。

數(shù)據(jù)結果表明：湄公河大橋主橋各試樁的承載力均達到設計要求。承載特性為：摩擦樁M7-B3和M8-B2的樁端阻力為樁承載力的5.4%和3.6%，嵌巖段總側阻力為樁承載力的94.6%和96.4%；嵌巖樁M9-B5和M10-A4的樁端阻力為樁承載力的8.2%和6.6%，嵌巖段總側阻力為樁承載力的91.8%和95.4%。嵌巖樁的樁端承載力偏低，因橋墩處流紋巖力學性能好于預計，嵌巖樁的端承作用沒有發(fā)揮，就豎向承載力而言設計偏于保守，但對樁的抗震和抗滑坡側推有利。

3 結論

歸納摩擦樁位移協(xié)調法和嵌巖樁荷載協(xié)調法在湄公河大橋樁基承載力檢測中應用和研究，主要得到以下幾點結論：

1)對于多層土質的地質條件下，樁基靜載試驗采用的理想塑性假設，由上而下推算上段樁的荷載和位移傳遞，摩擦樁按位移協(xié)調的疊加轉換方法，合理且簡便可行。

2)受多因素的影響，樁基靜載試驗中樁的加載位移存在偏差，影響測試結果。對于加載位移較小的嵌巖樁，按理想摩擦假設，和荷載協(xié)調進行疊加轉換，可減少位移偏差影響，轉換結果可靠，方法適用。

3)湄公河大橋主橋各墩的樁承載力均達到設計要求。承載特性分析表明，摩擦樁和嵌巖段縱向承載均以側阻力為主。

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(編輯 王秀玲)

Foundation pile test by self-balanced method of rock-socketed piles and friction piles in multilayer soil geological structure

HuXiaobo1，LiuRenyang2，XiaMingliang3，LiJun1，XiaoBojun1
(1.School of Civil Engineering，Central South University，Changsha 410075，P.R.China；2.Overseas Engineering Company of China Railway No.5 Engineering Group Co.，Ltd. Guiyang 550002，P.R.China；3.China Railway Fifth Survey and Design Institute Group Co.，Ltd. Beijing 102600，P.R.China)

Based on the impact of detecting condition on testing data,the self-balanced "exact conversion method" was improved. And friction pile displacement coordinate conversion method and loads coordinate transformation method of rock-socketed piles were proposed. The results illustrated that the practical application of the two conversion methods were reasonable and Mekong Bridge pile foundation met the design requirements. Analyzing the lateral friction and end bearing force distribution of tested pile,the results show that,similar to friction piles,the main vertical bearing capacity of rock-socketed piles were the main lateral friction in the Mekong Bridge.

foundation pile；self-balanced loading test；rock-socketed piles；friction pile；conversion method

10.11835/j.issn.1674-4764.2015.02.007

2014-08-02 基金項目：大湄公河次區(qū)域南北經濟走廊國際橋梁項目

胡曉波(1961-)，男，教授，博士，主要從事土木工程材料和工程檢測研究，(E-mail)xbhu@csu.edu.cn。

Foundation item：GMS North-South Economic Corridor International Bridge Project (Houayxay-Chiang Khong)

TU473

A

1674-4764(2015)02-0039-08

Received：2014-08-02

Author brief：Hu Xiaobo(1961-), professor, PhD,main research interests: civil engineering materials, civil engineering detection,(E-mail)xbhu@csu.edu.cn.