超長(zhǎng)深水鉆孔灌注樁自平衡法承載力測(cè)試技術(shù)的應(yīng)用研究

黃凌君，蔣景順，蔣光煒

(1.三明學(xué)院，福建三明365004；2.三明市高遠(yuǎn)公路建設(shè)開發(fā)有限公司，福建三明365004)

超長(zhǎng)深水鉆孔灌注樁自平衡法承載力測(cè)試技術(shù)的應(yīng)用研究

黃凌君1，蔣景順2，蔣光煒2

(1.三明學(xué)院，福建三明365004；2.三明市高遠(yuǎn)公路建設(shè)開發(fā)有限公司，福建三明365004)

結(jié)合超長(zhǎng)深水鉆孔灌注樁靜載測(cè)試實(shí)例，采用自平衡法單荷載箱技術(shù)進(jìn)行試驗(yàn)，根據(jù)結(jié)果分析樁的承載性能、樁身軸力、樁端承載力等，并利用自平衡法檢測(cè)結(jié)果驗(yàn)證基樁沉渣及垂直度控制方法的合理性。結(jié)果表明：樁的靜載試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果較好，有足夠的承載力，超長(zhǎng)樁施工過(guò)程沉渣清除徹底，樁垂直度控制良好，施工質(zhì)量可靠。

自平衡試驗(yàn)；超長(zhǎng)樁；深水；承載力

1 工程概況

國(guó)道205線三明市區(qū)過(guò)境段工程荊東互通主線橋上部結(jié)構(gòu)主跨采用72 m+130 m+72 m變截面懸澆連續(xù)箱梁，左右幅4個(gè)主墩位于沙溪河中，平均水深14 m，流速1.94 m/s，樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)為摩擦樁，樁徑2.2 m，分布較密，共32根(88 m和92 m超長(zhǎng)樁各16根)，每個(gè)承臺(tái)布置8根樁。樁位所在地質(zhì)情況復(fù)雜，處斷層發(fā)育區(qū)，風(fēng)化極不均勻，穿過(guò)的地層有卵石層、粉質(zhì)黏土層、砂土狀強(qiáng)風(fēng)化構(gòu)造巖、碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化構(gòu)造巖、中風(fēng)化構(gòu)造帶層等。

由于省力、省時(shí)、不受場(chǎng)地條件和噸位限制等優(yōu)點(diǎn)[1]，超長(zhǎng)樁靜載測(cè)試采用自平衡法，以92 m長(zhǎng)樁(取1根試驗(yàn))單荷載箱測(cè)試為例，主要參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 試樁參數(shù)表

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)要點(diǎn)及加載過(guò)程

2.1 荷載值計(jì)算

根據(jù)地質(zhì)條件，利用《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D63—2007)[2]中的方法計(jì)算92 m超長(zhǎng)樁承載力，結(jié)果如表2所示。由于實(shí)際地質(zhì)各類土層均為多層分布，且互相交替，為節(jié)省篇幅，表格中層厚采用總厚度。考慮到承載力計(jì)算較大，以優(yōu)化設(shè)計(jì)為目的，荷載箱布置在距樁底22 m，設(shè)計(jì)加載能力為2×32 000 kN。

表2 樁計(jì)算承載力

2.2 試驗(yàn)系統(tǒng)布置

自平衡示意圖如圖1所示。測(cè)試原理是把特制荷載箱和鋼筋籠焊接在一起埋入樁內(nèi)，將荷載箱的高壓油管引到地面，然后澆筑成樁。由高壓油泵在地面向荷載箱沖油加載，荷載箱將力傳遞到樁身，通過(guò)其上部樁身的摩擦力與下部樁的摩擦力及端阻力相平衡來(lái)維持加載[3]。

圖1 自平衡示意圖

測(cè)試時(shí)每根樁通過(guò)磁性表座將電子位移傳感器固定在基準(zhǔn)鋼梁上，各用2個(gè)位移傳感器(共6個(gè))分別量測(cè)荷載箱處的向上位移和向下位移及樁頂部向上位移，由計(jì)量部門標(biāo)定。樁身軸力用振弦式鋼筋計(jì)量測(cè)，在樁身巖土層分界面處平均布置4個(gè)，布置截面位置應(yīng)以附近地質(zhì)鉆孔詳勘報(bào)告為依據(jù)。荷載箱實(shí)物圖如圖2。

圖2 荷載箱實(shí)物圖

2.3 加載過(guò)程

加載分級(jí)進(jìn)行，每級(jí)加載量為預(yù)估極限荷載的1/15～1/10，樁端為巨粒土?xí)r第一級(jí)按2倍分級(jí)荷載加載[4]4。卸載也應(yīng)分級(jí)進(jìn)行，每級(jí)卸載量為3個(gè)加載級(jí)的荷載值。位移觀測(cè)時(shí)采用慢速維持荷載法[5]。本項(xiàng)目按照總位移量大于或等于40 mm進(jìn)行，24 h后未達(dá)穩(wěn)定，加載即可終止。取比終止時(shí)小一級(jí)的荷載為極限荷載。以92 m超長(zhǎng)樁為例，當(dāng)加載至第15級(jí)(對(duì)應(yīng)加載值為2×32 000 kN)時(shí)，向上位移14.96 mm，向下位移11.49 mm，判定試樁此時(shí)并未達(dá)到極限承載力，因此又增加一級(jí)加載，當(dāng)加載至16級(jí)(對(duì)應(yīng)加載值為2×34 133 kN)時(shí)，向上位移29.94 mm，向下位移13.51 mm，判定試樁此時(shí)已達(dá)到極限承載力，故終止加載，開始卸載。極限承載力Quu取第15級(jí)加載值32 000 kN；Qlu取第16級(jí)加載值34 133 kN。

3 自平衡實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 單樁豎向抗壓承載力分析

根據(jù)《基樁靜載試驗(yàn) 自平衡法》(JT/T 738—2009)[4]5中的方法，可將荷載箱極限承載力轉(zhuǎn)化為樁頂?shù)刃Ш奢d，如表3所示。

表3 試樁極限承載力計(jì)算結(jié)果

92 m長(zhǎng)樁極限承載力為62 448 kN，對(duì)應(yīng)位移為43.45 mm(荷載箱向上位移和向下位移之和)，如圖3。按照位移40 mm控制，對(duì)應(yīng)承載力為59 963 kN。對(duì)樁長(zhǎng)縮短3 m和6 m后的承載力-位移曲線進(jìn)行了預(yù)測(cè)，樁長(zhǎng)縮短3 m后，位移為40 mm的對(duì)應(yīng)承載力為58 017 kN；樁長(zhǎng)縮短6 m后，位移為40 mm的對(duì)應(yīng)承載力為56 465 kN。

圖3 92 m樁樁頂位移等效曲線及預(yù)測(cè)曲線

由圖3可知，承載力-位移曲線呈緩變形，和工程背景摩擦樁相符[6]，說(shuō)明尚未達(dá)到破壞荷載。樁長(zhǎng)縮短后，樁的極限承載力下降。樁的承載力性能總體發(fā)揮較好。

3.2 單樁軸力分析

超長(zhǎng)樁鋼筋應(yīng)變量可由樁身預(yù)埋的振弦式鋼筋測(cè)力計(jì)讀數(shù)得到，由于在同級(jí)荷載作用下，試樁內(nèi)混凝土所產(chǎn)生的應(yīng)變量等于鋼筋所產(chǎn)生的應(yīng)變量，量測(cè)截面的樁身軸向力PZ值便可由相應(yīng)的相關(guān)方程求得。92 m長(zhǎng)樁加載時(shí)軸力隨荷載及標(biāo)高變化如圖4。

圖4 試樁加載樁身軸力曲線

圖5 92 m超長(zhǎng)樁樁端阻力-位移曲線

由圖可知，樁身軸力曲線在荷載箱處軸力最大，向上和向下軸力均減小，軸力衰減幅度隨斜率減小而增大。而傳統(tǒng)受壓樁由于是樁頂加載，軸力最大位置在樁頂，隨深度增加逐漸衰減。根據(jù)力的相互作用，可以認(rèn)為樁底軸力大小同樁端阻力大小一致，而樁端位移值可通過(guò)向下的位移計(jì)近似測(cè)定，從而得出樁端阻力和位移的相關(guān)曲線，如圖5所示。超長(zhǎng)樁主要靠摩阻力來(lái)承載。

4 基樁沉渣及垂直度控制分析

4.1 試驗(yàn)結(jié)果對(duì)基樁成渣及垂直度的驗(yàn)證

超長(zhǎng)樁施工過(guò)程中清渣難度較短樁大，而樁的承載力也受沉渣影響明顯。在相同的地質(zhì)和成樁條件下，樁底成渣厚度越大，樁頂沉降量越大，單樁極限承載能力越低。經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，受沉渣影響，單樁極限承載力實(shí)測(cè)值與計(jì)算值之比在0.3～1.0[7]。另外，樁端阻力大小也與沉渣厚度有關(guān)，沉渣越厚，樁端沉降越明顯，所受阻力越小。

而垂直度對(duì)超長(zhǎng)樁承載力的影響比普通樁明顯，特別是垂直度大于0.1%時(shí)，樁基極限承載力下降比較劇烈[8]。圖3所示，92 m樁極限承載力為59 963 kN，為表2計(jì)算值79 996 kN的75%，排除計(jì)算時(shí)選取的參數(shù)和實(shí)際參數(shù)差別造成的偏差，樁在施工過(guò)程中沉渣及垂直度控制情況總體較好。圖5顯示的樁端阻力近16 000 kN，而樁端位移僅7 mm，也驗(yàn)證了樁底成渣較少這一結(jié)論。

4.2 沉渣及垂直度質(zhì)量控制措施

1)施工現(xiàn)場(chǎng)深水灌注樁一次清孔及二次清孔均采用換漿法，使用2臺(tái)泥漿泵正循環(huán)清孔，利用附近孔口作為泥漿池返漿，其中一臺(tái)37 kW泥漿泵正循環(huán)清孔，另一臺(tái)22 kW泥漿泵外接濾砂器，孔口抽漿，降低泥漿含砂率，將過(guò)濾后的泥漿排入泥漿池。為解決鉆孔平臺(tái)場(chǎng)地狹窄，無(wú)法設(shè)置沉淀池的問(wèn)題，清孔時(shí)在孔口設(shè)置振動(dòng)篩進(jìn)行排渣。當(dāng)清孔達(dá)到一定時(shí)間(92 m長(zhǎng)樁約為46 h)，粒徑較大的沉渣被排除，粒徑較小的沉渣則透過(guò)篩網(wǎng)，振動(dòng)篩起不到隔離排渣的作用，此時(shí)就需要使用濾砂器。振動(dòng)篩和濾砂器的具體工藝參照文獻(xiàn)[9]。采用該技術(shù)大大提高了清孔質(zhì)量和清孔速度，每根樁基可節(jié)約清孔時(shí)間約26.5 h。

2)為保證孔形垂直，鉆進(jìn)中，現(xiàn)場(chǎng)采用籠式井徑器檢孔。井徑器用φ22的鋼筋制成，直徑與鉆頭直徑相同，長(zhǎng)度為鉆孔直徑的4～6倍(可根據(jù)鉆機(jī)的性能及地層的具體情況而定)，更換鉆頭前，必須經(jīng)過(guò)檢孔。檢測(cè)時(shí)，將井徑器吊起，慢慢放入孔內(nèi)，孔的中心與起吊鋼繩在一條線上。若鋼絲繩的位置偏移護(hù)筒中心或檢孔器不能沉到原來(lái)已鉆到的深度，則可能造成孔的垂直度差、縮孔等現(xiàn)象，應(yīng)進(jìn)行整改。終孔后以及灌注混凝土前也必須進(jìn)行檢孔。

5 結(jié)論

超長(zhǎng)深水鉆孔灌注樁靜載性能測(cè)定可以通過(guò)自平衡試驗(yàn)完成，該方法具有省力、省時(shí)、不受場(chǎng)地條件和噸位限制等優(yōu)點(diǎn)。荊東互通主線橋超長(zhǎng)深水樁基承載能力較好，92 m長(zhǎng)樁等效極限荷載與計(jì)算總承載力大致吻合，樁身實(shí)測(cè)軸力曲線與樁端阻力-位移曲線符合正常規(guī)律。超長(zhǎng)深水樁在施工過(guò)程中的沉渣及垂直度控制情況對(duì)承載力影響較大，荊東互通主線橋現(xiàn)場(chǎng)采用的相關(guān)控制方案較為可行，自平衡試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了施工質(zhì)量的可靠性。

[1]魏小強(qiáng),陳之,楊志敏.工程樁自平衡檢測(cè)施工技術(shù)[J].城市建設(shè)理論研究，2015，5(27):126-129.

[2]中華人民共和國(guó)交通部.公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范:JTG D63—2007[S].北京：人民交通出版社，2007.

[3]王田龍,黃質(zhì)宏.基于自平衡法的較破碎巖石地基嵌巖樁承載性狀研究[J].貴州大學(xué)學(xué)報(bào)，2015，32(5):126-129.

[4]中華人民共和國(guó)交通運(yùn)輸部.基樁靜載試驗(yàn) 自平衡法：JT/T 738—2009[S].北京：人民交通出版社，2009.

[5]朱超，楊宇.基于自平衡法的巖層內(nèi)基樁工作特性分析[J].公路交通科技，2015(7)：158-161.

[6]胡曉波，劉仁陽(yáng)，夏明亮.GMS湄公河大橋樁基自平衡法測(cè)試技術(shù)研究[J].土木工程學(xué)報(bào)，2015，48(1)：171-180.

[7]劉俊龍.樁底沉渣對(duì)超長(zhǎng)大直徑鉆孔灌注樁承載力影響的試驗(yàn)研究[J].工程勘察，2000(12)：8-11.

[8]陳思曉.長(zhǎng)大直徑樁承載力受樁鉆孔垂直度影響的分析[D].蘭州：蘭州理工大學(xué)，2010.

[9]馮阿清.超長(zhǎng)深水鉆孔灌注樁施工質(zhì)量控制[J].福建交通科技，2016(5)：87-90.

責(zé)任編輯：唐海燕

Self-balancing Method in Bearing Capacity Test of Super-long Deepwater Bored Pile

HUANG Lingjun1,JIANG Jingshun2,JIANG Guangwei2

(1.Sanming University,Sanming 365004;2.Gaoyuan highway construction and development limited liability company in Sanming City,Sanming 365004)

Combining an example of static load test of super-long bored pile,the self-balancing load cell technology was used in the test.Based on the test results,the bearing properties and axial force of pile,and the bearing capacity of pile tip were analyzed.The method for controlling pile foundation sediment and verticality was verified by the self-balancing method.It was shown that the results of static load test of piles were good with enough bearing capacity,sediment cleared during super-long pile construction,verticality well controlled and construction quality ensured.

self-balancing test;super-long pile;deepwater;bearing capacity

10.3969/j.issn.1671-0436.2017.01.005

2016-10- 19

福建省中青年教師教育科研項(xiàng)目(JAT160455)

黃凌君(1982— )，男，碩士，講師，工程師。

U443.15

A

1671- 0436(2017)01- 0024- 04