淺析樁基豎向靜載試驗(yàn)

路太貴

山東大鈿蒂黃河大橋建設(shè)投資有限公司

摘要：概述了樁基豎向靜載試驗(yàn)的過(guò)程，結(jié)合本項(xiàng)目的實(shí)際情況，講述了更適合本項(xiàng)目加載方式，闡述了樁體破壞機(jī)理，以及試驗(yàn)數(shù)據(jù)的量測(cè)、采集。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，優(yōu)化了樁基設(shè)計(jì)，降低工程造價(jià)，節(jié)約社會(huì)資源，更有利于社會(huì)的和諧發(fā)展。

關(guān)鍵詞：靜載試驗(yàn)；優(yōu)化設(shè)計(jì)

本工程位于黃河主河道上面，全長(zhǎng)15.2公里；主橋跨越黃河的主河道，跨徑布置為（67m+7×120m+67m）+ 3×（67m+6×120m+67m）變截面連續(xù)箱梁組成，共4聯(lián)。主橋下部橋墩采用薄壁墩；基礎(chǔ)為承臺(tái)、混凝土鉆孔灌注樁基。

本項(xiàng)目在進(jìn)行初步設(shè)計(jì)的批復(fù)中，有關(guān)專家提出意見(jiàn)中有一條是：全橋樁基類型較多，樁長(zhǎng)普遍較長(zhǎng)。應(yīng)結(jié)合詳勘資料及抗震設(shè)計(jì)，加強(qiáng)長(zhǎng)樁的有效性研究，優(yōu)化樁長(zhǎng)及樁徑尺寸等內(nèi)容。為此我們多次咨詢業(yè)界專家并召開(kāi)優(yōu)化樁基的專題會(huì)，結(jié)合本項(xiàng)目的實(shí)際情況，最后專家一致認(rèn)為，有必要通過(guò)對(duì)超長(zhǎng)樁基的單樁豎向靜載試驗(yàn)，確認(rèn)以下幾項(xiàng)內(nèi)容：1、通過(guò)鉆孔灌注樁單樁豎向靜載試驗(yàn)，獲取各土層及樁端持力層有關(guān)參數(shù)、測(cè)定樁基沉降和變形，進(jìn)一步核定鉆孔灌注樁各項(xiàng)設(shè)計(jì)參數(shù)和單樁豎向極限承載力，確定基樁合適的持力層，驗(yàn)證單樁豎向極限承載力，為樁型、樁長(zhǎng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提出建議，并為主體工程基礎(chǔ)設(shè)計(jì)提供依據(jù)；2、通過(guò)對(duì)樁底后注漿加固后的單樁豎向靜載試驗(yàn)，獲取樁底注漿加固后的單樁的豎向極限承載力，檢驗(yàn)鉆孔灌注樁樁底注漿加固效果，為鉆孔灌注樁優(yōu)化設(shè)計(jì)中注漿加固方案提供設(shè)計(jì)依據(jù)；3、通過(guò)對(duì)優(yōu)化設(shè)計(jì)后的單樁豎向靜載試驗(yàn)，核定優(yōu)化設(shè)計(jì)后單樁豎向極限承載力，為主體工程基礎(chǔ)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

確定了以上的試驗(yàn)?zāi)康?，下面需要做的就是選擇試驗(yàn)的加載系統(tǒng)。由于傳統(tǒng)的錨樁橫梁加載反力系統(tǒng)在大噸位下，尤其錨樁距離較大時(shí)，橫梁彎矩大，尺寸大，制作、運(yùn)輸、安裝、拆卸成本費(fèi)用增加，使用不便，且錨樁橫梁反力系統(tǒng)能夠提供的最大反力有限，不能滿足本次靜載試驗(yàn)的最大加載量；壓重平臺(tái)設(shè)備笨重、堆設(shè)時(shí)間長(zhǎng)、費(fèi)用高、安全性低等缺點(diǎn)，一般只適用于最大加載量小于1000t的情況。而根據(jù)本項(xiàng)目地質(zhì)勘查報(bào)告，經(jīng)計(jì)算得到單樁豎向極限承載力為2800t，考慮到單樁105m的超長(zhǎng)樁基，本次試驗(yàn)擬采取最大加載量為4500t，錨樁及加載系統(tǒng)能提供的反力應(yīng)不小于預(yù)估最大試驗(yàn)荷載的1.2倍，即5400t。自平衡法雖然比較經(jīng)濟(jì)，試驗(yàn)周期短，適用于各種場(chǎng)地，但是其試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)不穩(wěn)定、可靠性較差，一些學(xué)者、專家對(duì)其結(jié)果提出了質(zhì)疑。

綜合考慮之后，本次試驗(yàn)采用能夠提供更高反力的拉壓錨法。該加載反力系統(tǒng)符合國(guó)家現(xiàn)行基樁檢測(cè)技術(shù)規(guī)范的要求，實(shí)質(zhì)為規(guī)范中規(guī)定的錨樁法，該加載反力裝置可提供大噸位加載能力，試驗(yàn)方法為國(guó)家現(xiàn)行基樁檢測(cè)技術(shù)規(guī)范規(guī)定的慢速維持荷載法。該加載反力系統(tǒng)將傳統(tǒng)的錨樁橫梁反力裝置中受彎構(gòu)件轉(zhuǎn)換為拉壓構(gòu)件，受力合理，使得反力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)大大簡(jiǎn)化，該加載反力系統(tǒng)提供的反力大，尤其解決了超大噸位單樁豎向靜載試驗(yàn)的加載難題，目前試驗(yàn)中的最大加載量以達(dá)到6000t。該加載反力系統(tǒng)對(duì)場(chǎng)地條件的要求低，工期快，適用范圍廣，可利用工程樁做錨樁節(jié)省造價(jià)，且不受錨樁間距限制。

明確了加載方法后，首先對(duì)樁頭加固并接高，通過(guò)樁頂上部油壓千斤頂對(duì)試樁施加反力，反力通過(guò)油壓千斤頂上部的四層承載體傳遞到四個(gè)方向的鋼絞線上，鋼絞線通過(guò)固定錨具，將反力傳遞到8根錨樁及錨樁的水平反力柱上，錨樁承受豎向的上拔力，而錨索傳遞下來(lái)的水平力完全由水平反力柱傳遞到環(huán)梁上。

試樁樁頭擴(kuò)大加固并接高4.0m，為拉壓錨法提供必要的高度。為了承受上部油壓千斤頂?shù)木植繅毫Γ跇俄敳贾娩摻罹W(wǎng)片。

每個(gè)油壓千斤頂承載力能夠提供的最大反力為600t，共12個(gè)，對(duì)稱布置在樁頂面，油壓千斤頂?shù)暮狭χ行膽?yīng)與樁軸線重合。油壓千斤頂通過(guò)12根液壓油管并聯(lián)到多通轉(zhuǎn)換器，多通轉(zhuǎn)換器由一根主進(jìn)油管連接到電動(dòng)油泵。加載時(shí)，電動(dòng)油泵驅(qū)動(dòng)液壓油通過(guò)主進(jìn)油管進(jìn)入多通轉(zhuǎn)換器，多通轉(zhuǎn)換器同時(shí)向十二個(gè)千斤頂供油，驅(qū)動(dòng)油壓千斤頂上升。電動(dòng)油泵由樁基靜載儀通過(guò)電壓變頻器自動(dòng)控制，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)加載。

確定加載系統(tǒng)后，要明確樁基在外荷載作用的破壞形式。經(jīng)驗(yàn)算在最大加載量作用下，本項(xiàng)目的樁體的材料不會(huì)破壞，最終破壞的形式可能是樁基地基土強(qiáng)度破壞。單樁豎向極限承載力，就土對(duì)樁基的抗力而言，一般分為樁側(cè)摩阻力和樁端阻力（兩者既有區(qū)別又有相互影響）。試驗(yàn)研究表明：當(dāng)靜載試驗(yàn)加荷、樁尖沉降>10mm時(shí)（樁頂因樁身彈塑性壓縮量的累計(jì)，其沉降比樁尖大），樁側(cè)各層土的樁-土相對(duì)位移均大于10mm，這時(shí)各層樁側(cè)摩阻力均已被充分發(fā)揮。整根樁的總樁側(cè)摩阻力達(dá)到峰值后，如繼續(xù)加載，其值將有所減小或大體保持不變。單樁豎向承載力的極限狀態(tài)（除純摩擦樁外），一般由樁端阻力所制約。要充分發(fā)揮樁端承載力所需要的樁端沉降量比樁側(cè)摩阻力要大的多。但在各部門的規(guī)程中都有明確規(guī)定，一般地規(guī)定樁頂沉降值為40～60mm時(shí)的相應(yīng)荷載為樁的極限荷載。

樁在極限荷載下，其總樁側(cè)摩阻力基本已充分發(fā)揮，總端阻力則可能已充分發(fā)揮，或僅部分得到發(fā)揮。本次單樁豎向靜載試驗(yàn)通過(guò)布置在樁頂?shù)挠蛪呵Ы镯攲?duì)加載反力系統(tǒng)施加荷載，由于力的作用是相互的，同樣大小的荷載反作用于樁頂，樁將產(chǎn)生位移（沉降），可得到試驗(yàn)樁的Q-s曲線，它是樁破壞機(jī)理和破壞模式的宏觀反映，此外，靜載試驗(yàn)過(guò)程中，還可獲得每級(jí)荷載下樁頂沉降隨時(shí)間的變化曲線，通過(guò)埋置于樁身上的鋼筋計(jì)，可以直接測(cè)得樁側(cè)各土層的極限摩阻力和端阻力，以及樁端的殘余變形等參數(shù)。從而能對(duì)樁土體系的荷載傳遞機(jī)理做較全面的了解和分析。

上面準(zhǔn)備工作做好后，下面就是對(duì)本次試驗(yàn)數(shù)據(jù)量測(cè)的布置。荷載量測(cè)采用并聯(lián)于千斤頂油路的油壓傳感器測(cè)定油壓，根據(jù)千斤頂率定曲線換算荷載，荷載在樁基靜載測(cè)試儀上換算。傳感器的測(cè)量誤差不大于1%，壓力表精度優(yōu)于或等于0.4級(jí)，試驗(yàn)用壓力表、油泵、油管在最大加載時(shí)的壓力不超過(guò)規(guī)定工作壓力的90%。

位移量測(cè)的布置：豎向靜載試驗(yàn)過(guò)程中，試驗(yàn)樁樁頂沉降量和錨樁上拔量的量測(cè)采用電子位移傳感器，電子位移傳感器通過(guò)磁性表座固定到基準(zhǔn)梁上，基準(zhǔn)梁采用工字鋼，應(yīng)具有一定水平和豎向剛度，一端固定到基準(zhǔn)樁上，一端簡(jiǎn)支在基準(zhǔn)樁上?；鶞?zhǔn)樁中心與錨樁中心距離≥4D且>2.0m，基準(zhǔn)樁采用四根鋼管，鋼管打入深度應(yīng)≥5m。試樁樁頂沉降量和錨樁上拔量的量測(cè)采用電子位移傳感器，電子位移傳感器通過(guò)磁性表座固定到基準(zhǔn)梁上，固定和支撐電子位移傳感器的夾具及基準(zhǔn)梁應(yīng)避免氣溫、振動(dòng)及其他外界因素的影響。沉降觀測(cè)平面宜在樁頂200mm以下位置，測(cè)點(diǎn)應(yīng)牢固地固定在樁身，錨樁上拔量觀測(cè)平面宜直接布置在樁頂，觀測(cè)平面應(yīng)光滑平整。

試樁樁頂沉降量應(yīng)在其兩個(gè)方向?qū)ΨQ安置4個(gè)電子位移傳感器，錨樁上拔量在錨樁樁頂安置1個(gè)電子位移傳感器。電子位移傳感器的測(cè)量誤差不大于0.1%FS，分辨力優(yōu)于或等于0.01mm。

電子位移傳感器通過(guò)中繼器連接到樁基靜載測(cè)試儀，自動(dòng)記錄樁頂沉降量和錨樁上拔量。