益馬高速典型地層樁基自平衡試驗(yàn)研究

付學(xué)問,雷金山,葉志凌,鄧立志,陸海平

(1湖南益馬高速公路建設(shè)開發(fā)有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410008；2.中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410075；3.湖南中大設(shè)計(jì)院有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410075)

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益馬高速典型地層樁基自平衡試驗(yàn)研究

付學(xué)問1,雷金山2,葉志凌2,鄧立志3,陸海平3

(1湖南益馬高速公路建設(shè)開發(fā)有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410008；2.中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410075；3.湖南中大設(shè)計(jì)院有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410075)

樁基自平衡檢測(cè)試驗(yàn)方法是一種新穎的、有效的樁基承載力檢測(cè)方法,具有加載靈活、不受場(chǎng)地限制、加荷量大、周期短、經(jīng)濟(jì)性好等特點(diǎn)。針對(duì)益馬高速公路典型地層，采用自平衡法對(duì)大栗港高架橋摩擦樁樁基承載力進(jìn)行測(cè)試，研究各級(jí)加載下樁端阻力發(fā)揮和側(cè)摩阻力的分布規(guī)律，分析影響側(cè)摩阻力發(fā)揮的主要因素。研究結(jié)果表明：泥皮過厚會(huì)降低樁側(cè)土(巖)層側(cè)摩阻力50%以上，是影響側(cè)阻力發(fā)揮的主要因素。

典型地層 摩擦樁；自平衡法；側(cè)摩阻力；樁端阻力；土壓力盒

美國(guó)學(xué)者J.Osterberg[1]在20世紀(jì)中期首次提出了自平衡測(cè)試法，展開了自平衡法在樁基承載力測(cè)試中的研究。此后在歐美和東亞也開始應(yīng)用[2]，龔維明等[3-4]在1996年引進(jìn)該技術(shù)并將其實(shí)用化。自平衡法通過試樁自身反力平衡來進(jìn)行測(cè)試，在成樁時(shí)將荷載箱預(yù)埋在預(yù)先計(jì)算所得的平衡點(diǎn)處，通過油泵對(duì)荷載箱施加壓力，荷載箱則分別對(duì)上、下兩段樁產(chǎn)生向上、向下的豎向壓力，促使上段樁的樁側(cè)摩阻力與下段樁的樁端阻力與部分側(cè)摩阻力發(fā)揮，達(dá)到“自平衡”。相對(duì)于傳統(tǒng)試樁法，自平衡試樁法有著占地小、周期短、成本低、噸位大的特點(diǎn)，近年來，樁基自平衡測(cè)試法在我國(guó)已有廣泛的推廣[5-12]。本文針對(duì)益馬典型地層在大栗港大橋樁基采用自平衡法測(cè)試，研究了樁基的極限承載力，分析了樁的端阻力與側(cè)摩阻力的分布規(guī)律與特點(diǎn)及二者的相互影響。

1 工程概況與地質(zhì)條件

大栗港高架橋地處桃江縣大栗港鎮(zhèn)。橋位區(qū)屬丘陵地貌。兩端橋臺(tái)附近地形起伏較大，益陽(yáng)端地面高程約58.0～74.0 m，馬跡塘端地面高程約53.5～64.0 m。其余地段地形較平坦，地面高程約48.0～51.0 m，在K42+415附近有一溪溝，溪溝寬約15.0 m，沖溝中農(nóng)田廣布，兩端橋臺(tái)附近民房較密集。橋位有簡(jiǎn)易公路到達(dá)，交通方便。橋位溪溝兩旁因水利建設(shè)，筑有大量填土。

試樁為大栗港大橋24號(hào)樁基，該場(chǎng)地地質(zhì)分層自上而下為：種植土：褐黃色、褐色，松散～松軟；填筑土：褐黃色、褐紅色，松散～稍密，主要由黏性土和板巖碎塊組成；粉質(zhì)黏土：褐黃色、灰黃色，可塑～硬塑狀；細(xì)砂：褐黃色，中密，飽和，含少量黏性土，局部分布；卵石：雜色，飽和，中密；全風(fēng)化板巖：紅褐色、褐黃色，巖芯呈硬土夾碎石碎塊狀；強(qiáng)風(fēng)化板巖：褐黃色，巖芯呈半巖半土狀或塊狀、柱狀。試樁的地層分布及參數(shù)見表1。

表1 試樁地層分布

2 試樁測(cè)試元件布置

試樁成孔工藝為沖孔灌注樁，為摩擦樁型，樁徑d=1.5 m，樁長(zhǎng)L=32 m，樁頂標(biāo)高為51.27 m，樁底標(biāo)高19.27 m，奠基巖層為強(qiáng)風(fēng)化板巖。運(yùn)用各土(巖)層的摩阻力建議值對(duì)荷載箱埋置點(diǎn)(平衡點(diǎn))進(jìn)行計(jì)算，最終確定荷載箱埋置位置為樁底向上5.5 m處，鋼筋計(jì)安裝斷面有8個(gè)，每個(gè)斷面安裝4個(gè)振弦式鋼筋計(jì)，安裝位置如圖1所示，信息如表2所示。

試樁在安裝自平衡基本裝置的基礎(chǔ)上在樁底安裝土壓力盒，土壓力盒可測(cè)的樁端阻力，對(duì)比自平衡法測(cè)試數(shù)據(jù)，驗(yàn)證疊加轉(zhuǎn)換法的可靠性。試樁樁底埋置5個(gè)量程為4 MPa的土壓力盒。安裝步驟如下：1)用兩根鋼筋焊接成一個(gè)與鋼筋籠底部直徑相同的十字架；2)將5個(gè)直徑7cm的鐵餅焊接在十字架的中央和四端內(nèi)側(cè)15 cm處；3)將5個(gè)土壓力盒用AB膠粘結(jié)在5個(gè)鐵餅處，在干燥的地方放置12 h；4) 將十字架焊接在鋼筋籠底端。安裝示意圖如圖2所示。

3 測(cè)試結(jié)果與數(shù)據(jù)分析

3.1 試樁測(cè)試結(jié)果

試樁采用慢速荷載維持法，每級(jí)加載值為800 kN，第一級(jí)加載值取每級(jí)加載值的2倍，即1 600 kN，試驗(yàn)所得Q～S曲線如圖3所示。本次加載至第4級(jí)時(shí)，上段樁位移為34.43 mm，下段樁位移為8.45 mm，總位移量達(dá)到42.88 mm，規(guī)范《基樁靜載試驗(yàn)自平衡法》[5]要求總位移超過40 mm時(shí)為終止條件，取終止時(shí)荷載前一級(jí)的加載值為極限加載值。

根據(jù)文獻(xiàn)[5]，單樁豎向極限承載力的計(jì)算式為

(1)

式中：Qu為單樁豎向抗壓極限承載力，kN；Qu上為荷載箱上段樁加載壓力；Qu下為荷載箱下段樁加載壓力；W為荷載箱上段樁的有效自重；γ為荷載箱上段樁側(cè)阻力修正系數(shù)。

根據(jù)試樁的土層樁況，考慮上段樁所受的滲水浮力，上段樁的有效自重為689 kN，荷載箱上部為強(qiáng)風(fēng)化板巖，故上段樁側(cè)阻力修正系數(shù)取1.0。上、下段樁加載壓力取3 200 kN，最終試樁的豎向極限承載力5711 kN。

表2 鋼筋計(jì)布置斷面位置

圖1 鋼筋計(jì)沿樁布置示意圖Fig.1 Distribution of steel bar along the test pile

圖2 樁底土壓力盒布置示意圖Fig.2 Distribution of earth pressure box of test pile tip

圖3 試樁Q-S曲線Fig.3 Q-S curve of test pile

3.2 側(cè)阻力分析

在加載過程中，鋼筋受力產(chǎn)生的變形將引起焊接于鋼筋上的振弦式鋼筋計(jì)內(nèi)鋼弦變形，使鋼弦發(fā)生應(yīng)力變化，從而改變鋼弦的振動(dòng)頻率。測(cè)量時(shí)利用電磁線圈激撥鋼弦并量測(cè)其振動(dòng)頻率，頻率信號(hào)經(jīng)電纜傳輸至頻率讀數(shù)裝置或數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，再經(jīng)換算即可得到鋼筋的應(yīng)力變化量，則有：

(2)

在測(cè)出鋼筋計(jì)所在各個(gè)斷面的軸力之后，用相鄰兩個(gè)斷面的軸力差除以其側(cè)面積，即可求出樁側(cè)摩阻力。試樁各級(jí)荷載下樁側(cè)摩阻力沿深度變化的曲線如圖4所示。圖中看出，前兩級(jí)加載下側(cè)摩阻力從荷載箱處沿著樁身越往上越小，快到樁頂時(shí)甚至為0[6]。各級(jí)加載下樁端附近側(cè)摩阻力都偏大，且側(cè)摩阻力最大值發(fā)生在荷載箱埋置點(diǎn)附近，這是由于荷載箱對(duì)側(cè)摩阻力的泊松比效應(yīng)和端阻力對(duì)側(cè)阻力的強(qiáng)化效應(yīng)[7-8]。加載至第四級(jí)時(shí)，樁頂已被頂出，各土(巖)層側(cè)阻力均已發(fā)揮，強(qiáng)風(fēng)化板巖的側(cè)摩阻力實(shí)測(cè)值已穩(wěn)定在40～50 kPa之間，其地勘建議值為100 kPa；粉質(zhì)黏土與卵石的側(cè)摩阻力實(shí)測(cè)值分別為13.83和34.28 kPa，其地勘建議值分別為60和140 kPa，各土(巖)層的側(cè)摩阻力的發(fā)揮都小于地勘建議值的50%以上。結(jié)合本次試樁概況與文獻(xiàn)，發(fā)現(xiàn)影響側(cè)摩阻力發(fā)揮的主要因素是樁側(cè)泥皮過厚[9-10]。對(duì)比不同土(巖)層的實(shí)測(cè)側(cè)摩阻力還可發(fā)現(xiàn)，樁側(cè)泥皮對(duì)不同土(巖)層的影響程度也不相同。

圖4 試樁側(cè)摩阻力分布Fig.4 Distribution of side friction resistance of test pile

3.3 端阻力分析

有些學(xué)者將埋設(shè)最深的鋼筋計(jì)所測(cè)出的軸力作為樁端阻力[11]，而本次試驗(yàn)中，在每次加載時(shí)通過土壓力盒測(cè)出樁底的壓強(qiáng)，再乘以樁底的面積，即可求出試樁的樁端阻力，土壓力盒測(cè)試結(jié)果如表3所示。從表中看出，樁端阻力隨著荷載增加而增加，1、2級(jí)荷載下樁端阻力占樁基承載力的33.90%和34.85%，而3、4級(jí)加載時(shí)端阻力占樁基承載力的40.19%和39.64%，這說明樁側(cè)摩阻力的發(fā)揮也會(huì)強(qiáng)化樁端阻力的發(fā)揮[8]。

表3 土壓力盒測(cè)試數(shù)據(jù)

4 結(jié)論

1)樁側(cè)泥皮對(duì)側(cè)摩阻力的影響十分巨大，因此，控制泥皮質(zhì)量是樁基承載力自平衡法測(cè)試成功的關(guān)鍵。

2)側(cè)摩阻力的發(fā)揮受荷載箱與端阻力發(fā)揮的影響，在荷載箱附近與靠近樁端處偏大。

3)用土壓力盒測(cè)試端阻力，對(duì)比鋼筋計(jì)的測(cè)試數(shù)據(jù)，可提高試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，而且成本較低，有一定的推廣價(jià)值

4)在計(jì)算平衡點(diǎn)時(shí)，也應(yīng)考慮到泥皮對(duì)側(cè)摩阻力的影響，對(duì)側(cè)摩阻力進(jìn)行折減，確保試驗(yàn)成功與數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。

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Studies on a self-balanced test for typical stratigraphic piles of YIMA Freeway

FU Xuewen1, LEI Jinshan2, YE Zhiling2, DENG Lizhi3, LU Haiping3

(1.HunanYi-Ma Expressway Construction and Development Corporation , Yiyang 413400, China;2.Central South University, Changsha 410075, China;3.Hunan ZHONGDA Design Institute CO. LTD, Changsha 410075, China)

Pile self-balanced testing method is a novel and effective method for the detection of pile foundation with flexibility to load and unload, without space constraints, and with advantages of large load capacity, short cycle and good economic benefit. In the paper, based on YIMA freeway typical stratigraphic, the self-balanced testing method was used to study the friction pile bearing capacity of pile foundation of Da Ligang Bridge and the regularities of distribution of pile tip resistance and side friction resistance under load conditions at all levels. The results show that the thickness of mud closed to pile has certain effect on side friction resistance. When the thickness is enough, the side friction resistance can be reduced by 50 percent. Therefore, it is a major factor that influences the side friction resistance.

typical formation; friction pile; self-balance method; pile tip resistance; side friction resistance; earth pressure box

2016-02-20

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(50678175)；益馬高速建設(shè)科技計(jì)劃項(xiàng)目(YM201501)

雷金山(1973-)，男，湖南湘鄉(xiāng)人，高級(jí)工程師，博士，從事巖土工程教學(xué)與科研工作；E-mail：5822673@qq.com

U451

A

1672-7029(2016)11-2163-05