單樁載荷試驗樁—土荷載傳遞特征研究

任春山

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津　300251)

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單樁載荷試驗樁—土荷載傳遞特征研究

任春山

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津300251)

為了控制沉降，高速鐵路橋梁基礎通常采用混凝土樁，且在第四系松散地層多為較長的混凝土灌注樁。為了弄清長摩擦樁的樁-土荷載傳遞特性，開展了單樁豎向抗壓和水平靜載荷試驗，并通過在樁身中預埋設應變測試元件，觀測樁土應力變化，分析研究豎向荷載作用下樁側、樁端土阻力發(fā)揮程度，以及水平荷載作用下樁-土荷載傳遞變化規(guī)律。

載荷試驗單樁承載力樁側摩阻力樁端阻力樁側土水平抗力系數(shù)的比例系數(shù)

橋梁樁基礎承擔著橋梁的全部荷載，它的工作性狀對橋梁的安全、高速、平穩(wěn)運營有著決定性的影響。

某鐵路客運專線橋梁比例高達80%以上，而且大部分橋梁樁基礎采用鉆孔灌注樁。為更好地控制沉降，在第四系松散地層的樁多為長摩擦樁。為了驗證和優(yōu)化設計，做到安全可靠、經(jīng)濟合理，在可行性研究階段進行了單樁靜載荷試驗?，F(xiàn)以某特大橋為例介紹載荷試驗樁-土荷載傳遞特性。

試驗地點位于天津市，橋梁結構為32 m預應力混凝土梁。試驗項目有單樁豎向抗壓靜載荷試驗、單樁水平靜載荷試驗等。該組試樁由3根試驗樁和8根錨樁組成，均為鉆孔灌注樁，成孔施工采用泥漿反循環(huán)工藝。樁長為52.9 m，樁直徑為1.0 m。為了安裝樁身內(nèi)力測試元件，試樁鋼筋籠主筋為15根φ20mm的通長鋼筋，頂部雙筋段長5.95 m。設計單樁豎向抗壓承載力4 335 kN、水平承載力159 kN。為保證試驗結果的可靠性，還進行了樁孔成孔質(zhì)量超聲波檢測和樁身質(zhì)量低應變反射波法、聲波透射法檢測。試驗時樁身混凝土齡期為33 d。

1　單樁豎向靜載荷試驗

試驗采用錨樁反力梁裝置，試驗控制與數(shù)據(jù)采集由專用的載荷試驗儀完成，具有自動補載、判穩(wěn)、記錄等功能。試驗分級荷載為950 kN，第一級為分級荷載的2倍，采用慢速維持荷載法試驗。

根據(jù)各級荷載下的樁頂觀測數(shù)據(jù)繪制荷載—沉降(Q—s)曲線、沉降—時間對數(shù)(s—lgt)曲線、沉降—荷載對數(shù)(s—lgQ)曲線。圖1為1號試樁曲線，根據(jù)曲線特征判定1號試樁單樁極限承載力為9 500 kN。

圖1　荷載、沉降、時間關系曲線

根據(jù)試驗點地層分布情況，在樁身中預埋設13層測試元件(如圖2)。其中最上層位于樁頂下0.5 m，為樁身混凝土模量標定層；最下層位于樁底以上0.5 m，為樁端阻力校核層。樁底埋設3個壓力盒，測試元件均為振弦式。

圖2　各級荷載作用下樁側土摩阻力最大值

根據(jù)各級荷載作用下的測試數(shù)據(jù)整理計算樁身軸力，計算時測試截面處的樁身截面積依據(jù)超聲測孔資料計算確定，圖3為超聲測孔曲線，圖4為軸力分布圖。

圖3　超聲波測孔曲線

圖4　樁身軸力分布

圖5至圖10分別為各級荷載作用下樁身沉降、樁側及樁端土阻力變化曲線。圖2為各級荷載下作用樁側土摩阻力最大值分布。

圖5　樁身沉降變化

圖6　樁側土阻力隨深度變化

圖7　樁側土阻力隨樁頂荷載變化

圖8　樁側土阻力隨樁身沉降變化

圖9　各級荷載下樁端阻力變化

圖10　樁端阻力隨樁端位移變化

2　單樁水平靜載荷試驗

試驗條件為樁頂自由，采用錨樁與試樁對頂，3根試樁有2根采用單向多循環(huán)方式加載，另1根采用維持荷載法(穩(wěn)定法)。試驗開始時間控制在完成豎向抗壓試驗5 d后進行。根據(jù)樁及樁側土的參數(shù)，預估(α·h)=4.0對應的深度為9.0 m，因此抗彎測試元件布置在樁頂下11 m深度范圍內(nèi)，其豎向深度位置見表1。每層受拉、受壓側各布置一個，拉、壓側傳感器的水平間距b0=0.816 m，測試元件為振弦式，分級荷載為30 kN。

3號試樁采用慢速維持荷載法，共施加荷載11級。圖11至圖18為3號樁的試驗成果曲線。根據(jù)曲線特征判定單樁水平臨界荷載Hcr=240 kN，極限荷載Hu=300 kN，臨界荷載對應的樁側土水平抗力系數(shù)的比例系數(shù)m=6.6 MN/m4，樁身最大彎矩出現(xiàn)在樁頂以下5 m附近。

表1　樁身水平測試元件深度位置

圖11　樁頂荷載-位移曲線

圖12　樁頂荷載-位移梯度曲線

圖13　各級荷載作用下樁身彎矩

圖14　各級荷載作用下樁側土抗力

圖15　各級荷載作用下樁身位移

圖16　各級荷載作用下樁側土抗力系數(shù)

圖17　不同深度樁身位移-土抗力曲線

圖18　各級荷載作用下不同深度的m值

3　單樁荷載傳遞特性分析

3.1試驗結果

試驗研究結果表明：該組試樁單樁極限承載力統(tǒng)計值為8 550 kN，是設計單樁豎向抗壓承載力的1.97倍。對應單樁極限承載力時端阻發(fā)揮平均為327.8 kPa，占單樁極限承載力的2.59%。

單樁水平極限承載力取3根樁極限承載力的平均值，即Hu=326 kN。當按樁身強度控制水平承載力時，單樁水平承載力特征值取3根試樁單樁水平臨界荷載的平均值，即Hcr=230 kN，對應臨界荷載的地基土水平抗力系數(shù)的比例系數(shù)m=6 745(kN/m4)。當樁受長期水平荷載作用且樁不允許開裂時，單樁水平承載力特征值可取3根試樁單樁水平臨界荷載平均值的0.8倍，即Hcr=184 kN。根據(jù)彎矩分布特征，最大加載量時最大彎矩點深度在5.0 m附近，最大抗力位置在3.0 m處。

3.2豎向荷載的傳遞特性

(1)在樁頂荷載達到樁土極限狀態(tài)條件下，35 m以上樁側摩阻力出現(xiàn)了峰值，35 m以下未出現(xiàn)峰值。

(2)試驗得到的樁側摩阻力最大值與土的性質(zhì)和土層的豎向分布位置有關。在本項目試驗條件下，32 m以上基本和鐵路橋涵設計規(guī)范推薦值一致，32～47 m高于橋規(guī)中的推薦值，47 m以下遠低于橋規(guī)中的推薦值，估計樁底沉渣對此有一定的影響。

(3)在設計允許荷載(4 335 kN)作用下樁端阻力平均為55.1 kPa，僅為樁頂荷載的2.1%；在極限荷載(8 550 kN)作用下樁端阻力為樁頂荷載的2.59%，占比較小，符合摩擦樁特性；在破壞荷載作用下樁端阻平均值為1 455.2 kPa，占樁頂荷載的10.8%。

3.3水平荷載的傳遞特性

在樁頂自由施加水平力的條件下，樁土荷載傳遞性狀有以下特點：

(1)樁身最大彎矩出現(xiàn)在樁頂下5 m附近，與荷載大小關系不大。

(2)樁側土抗力系數(shù)在2.5 m以下表現(xiàn)出與深度成正比例關系，符合m法的變化規(guī)律。

(3)實測樁側土水平抗力系數(shù)的比例系數(shù)m值與鐵路橋涵設計規(guī)范的推薦值一致。

4　結論

對某鐵路客運專線橋梁基礎長摩擦樁的單樁豎向抗壓和水平靜載荷試驗結果進行了介紹，分析了長摩擦樁的樁-土荷載傳遞特性，研究成果驗證了橋梁樁基設計，并據(jù)此優(yōu)化了部分樁長，并得到以下幾點結論：

(1)樁側摩阻力最大值與土的性質(zhì)和土層的豎向分布位置有關，樁身上部的側摩阻力基本與規(guī)范推薦值一致，樁身中下部高于橋規(guī)中的推薦值。樁底沉渣會對樁端附近樁身的承載力發(fā)揮造成一定影響，在施工過程中要控制好沉渣厚度。

(2)單樁水平承載性狀與鐵路橋涵設計規(guī)范一致。在本項目試驗條件下，樁身最大彎矩出現(xiàn)在樁頂下5 m附近，與荷載大小關系不大，樁側土抗力系數(shù)在2.5 m以下表現(xiàn)出與深度成正比例關系。

(3)對于長摩擦樁，在長徑比適宜的條件下宜選用超過35 m的長樁，更大地發(fā)揮樁身中下部樁側摩阻力，更好地控制沉降。

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Study on the Pile-soil Load Transfer Characteristics in Single pile load test

REN Chunshan

2016-01-08

任春山(1965—)，男，1988年畢業(yè)于西南交通大學工程物探專業(yè)，高級工程師。

1672-7479(2016)02-0024-04

TU473.1

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