渾河大橋嵌巖樁水平加載試驗研究

郭 騫，吳憲鍇，杜海鑫

(遼寧省交通規(guī)劃設(shè)計院有限責(zé)任公司 公路養(yǎng)護(hù)技術(shù)研發(fā)中心， 遼寧 沈陽 110111)

渾河大橋嵌巖樁水平加載試驗研究

郭 騫，吳憲鍇，杜海鑫

(遼寧省交通規(guī)劃設(shè)計院有限責(zé)任公司 公路養(yǎng)護(hù)技術(shù)研發(fā)中心， 遼寧 沈陽 110111)

以渾河大橋工程為依托，對大橋的試驗樁基進(jìn)行原位水平加載試驗，研究了在水平荷載作用下樁頂?shù)暮奢d-位移曲線、樁身彎矩分布情況等，并通過有限元軟件進(jìn)行數(shù)值模擬驗證。研究表明：彎矩沿樁身呈拋物線形分布，在距離樁頂4 m左右的位置達(dá)到最大值，深度超過8 m以后數(shù)值接近于零；受場地環(huán)境和嵌巖樁樁形影響，樁頂水平位移和轉(zhuǎn)角均較小，滿足容許水平位移的要求；數(shù)值模擬與試驗結(jié)果的曲線變化形式上大體吻合，彎矩和位移的實測值要較模擬值稍低。所采用的試驗方法和得到的試驗結(jié)果將對類似工程試驗提供經(jīng)驗和指導(dǎo)。

嵌巖樁；水平加載；原位試驗；數(shù)值模擬

當(dāng)采用天然淺基礎(chǔ)不能滿足基礎(chǔ)設(shè)計的承載力和沉降要求時，往往采用樁基礎(chǔ)將荷載傳至深部土層或巖層。嵌巖樁即樁穿過土層，樁端埋設(shè)在一定厚度的巖層中以獲得較大的承載力和較小位移的一種樁基基礎(chǔ)。正是由于這兩個突出特點才使它被廣泛的應(yīng)用在國內(nèi)外橋梁、公路、港口及重要的工業(yè)、民用建筑中。目前，工程界對嵌巖樁豎向荷載下的受力變形機(jī)制研究比較深入且成果豐碩[1-6]，而對水平荷載下樁基的受力研究多集中于數(shù)值模擬和數(shù)學(xué)模型的研究[7-8]?，F(xiàn)場試驗是研究嵌巖樁承載機(jī)理最可靠的研究手段，能直接獲得嵌巖樁承載特性的宏觀表現(xiàn)[9-10]。本文通過在渾河大橋施工前開展大橋嵌巖樁試樁的現(xiàn)場水平加載試驗和有限元模擬，研究水平荷載作用下嵌巖樁的受力機(jī)理和工作狀態(tài)，驗證設(shè)計嵌巖深度的合理性，為大橋的開工提供依據(jù)，也為今后類似的工程試驗提供經(jīng)驗和指導(dǎo)。

1 工程概況及地質(zhì)條件

渾河大橋位于遼寧中部環(huán)線高速公路鐵嶺至本溪段，左幅孔徑為40 m+30 m+30 m+19×40 m，右幅孔徑為40 m+40 m+30 m+19×40 m，上部結(jié)構(gòu)為預(yù)制預(yù)應(yīng)力混凝土先簡支后結(jié)構(gòu)連續(xù)T梁，下部結(jié)構(gòu)為柱式墩、樁基礎(chǔ)。橋梁全長867 m(左幅)、877 m(右幅)，橋梁全寬24.0 m，橋面凈寬2×10.5 m。設(shè)計樁基的樁徑有2 m以及2.2 m兩種形式，樁長為11 m～16 m，且均按照嵌巖樁設(shè)計，嵌巖深度不小于3倍樁徑。

橋位區(qū)地貌單元為山前沖擊平原，地勢平坦、開闊。地下水位埋深1.6 m～1.9 m，標(biāo)準(zhǔn)凍深1.20 m。通過對橋位區(qū)地質(zhì)勘察可知，該橋地層主要為素填土、卵石、不同風(fēng)化程度的變粒巖，地面以下2 m～6 m為中風(fēng)化變粒巖，主河道內(nèi)鉆孔揭示中風(fēng)化變粒巖持力層上覆蓋卵石厚約2 m～3.5 m。試驗選取6號墩的兩根樁基，分別為S1樁、S2樁，設(shè)計樁長均為12 m，樁徑2.2 m，采用樁接柱形式，對頂加載完成水平加載試驗。

2 水平荷載試驗

2.1 試驗裝置

試驗裝置包括加載裝置、反力裝置、基準(zhǔn)裝置3個部分[11-12]。利用臥式千斤頂實現(xiàn)水平加載，荷載大小可通過量表讀數(shù)控制。根據(jù)現(xiàn)場試驗條件，可采用相鄰試驗樁提供水平反力，即兩根樁對頂來實現(xiàn)反力加載；由于兩樁間距較遠(yuǎn)，且千斤頂長度有限，因此，需澆筑一定長度的系梁作為傳力裝置；預(yù)埋加載墊板以防止加載端系梁混凝土被壓碎。采用量程為150 mm的位移計測量樁或柱外側(cè)系梁的水平位移，其中與加載點同一水平面上平行安置3個位移計(間距0.5 m)，在加載點下方0.5 m處安置3個位移計(間距0.5 m)，可根據(jù)不同高度位移計的位移差與距離的比值求得基坑底面以上樁身轉(zhuǎn)角。加載試驗示意圖如圖1所示。

圖1加載試驗示意圖

2.2 測點布設(shè)

本次試驗在試驗樁內(nèi)主鋼筋上安置了108個混凝土應(yīng)變計和68個鋼筋應(yīng)變計，具體布設(shè)位置如圖2～圖4所示。由于樁身截面彎矩不能直接量測，因此可近似通過量測安置于樁內(nèi)側(cè)的混凝土和鋼筋應(yīng)變計讀數(shù)，來推算樁身的截面彎矩。

圖2 A-A截面立面測點布設(shè)圖 圖3 B-B截面立面測點布設(shè)圖

圖4測點截面選取示意圖

2.3 加載工況

加載試驗在樁系梁施工完成后進(jìn)行，水平加載點在樁系梁中心，考慮河床沖刷，加載點到基巖頂面的距離h=1.8 m。根據(jù)計算結(jié)果，樁基在基巖頂面處彎矩標(biāo)準(zhǔn)組合5 357.8 kN·m。參考《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》[13](JGJ 94—2008)估算樁基水平承載力3 000 kN。要達(dá)到試驗效率100%，水平加載力已接近樁的水平承載力。因此，考慮滿足樁的使用要求，取水平加載力1 200 kN，樁水平推力試驗效率為40%。

2.4 循環(huán)加載方案

試驗采用循環(huán)加載方案，水平荷載分級施加[11]。待每級荷載施加完畢后，恒載4 min，測讀各傳感器讀數(shù)，然后卸載至零，停2 min，測讀殘余樁頂水平位移、樁身混凝土和鋼筋應(yīng)變等，至此完成1級加載試驗與觀測。如此進(jìn)行多級荷載的試驗與觀測，完成1次水平加載試驗測試。具體循環(huán)加載方式如圖5所示，加載時間應(yīng)盡量縮短，測量位移的時間間隔應(yīng)嚴(yán)格準(zhǔn)確，試驗不得中途停頓。水平加載力P取1 200 kN，每級荷載增量為100 kN。

圖5循環(huán)加載方案

2.5 試驗結(jié)果分析

選取其中的S1樁進(jìn)行受力分析，根據(jù)樁身混凝土應(yīng)變計測得的樁身混凝土應(yīng)變值，可推算出樁身彎矩值。試驗結(jié)果中除去個別誤差較大的數(shù)據(jù)，通過計算得到的分級加載下沿加載方向(A-A截面)和沿橋方向(B-B截面)的樁身彎矩分布情況如圖6所示。圖中隨著水平荷載的增加，樁身彎矩隨之增大，A-A截面樁身最大彎矩由292.6 kN·m增加到1 225.8 kN·m，B-B截面彎矩要相對小的多，最大彎矩由18.8 kN·m增加到264.5 kN·m。不同水平荷載下彎矩沿樁身變化曲線基本一致，整體為拋物線型。彎矩沿樁身向下先增大后減小，最大彎矩出現(xiàn)在樁頂向下4 m左右的位置，隨荷載增大，最大彎矩距樁頂?shù)奈恢貌粫l(fā)生明顯改變，在抗水平樁的設(shè)計過程中，要在這個位置注意樁基的抗彎承載力的滿足。當(dāng)深度超過8 m以后，樁身彎矩值降低到接近于零，證明基巖對樁基的嵌固效果良好，該結(jié)果也與黃求順[14]、許錫賓等[15]在實驗基礎(chǔ)上提出的3D(D為樁徑)為最佳嵌巖深度的結(jié)論對應(yīng)，3倍樁徑為6.6 m，加上基巖上部2 m左右的素填土厚度，樁基入土深度8 m以下的深度可認(rèn)為是安全儲備深度。

圖6不同水平荷載作用下樁身彎矩分布

樁頂位移隨荷載變化曲線如圖7所示，位移隨荷載的增大而增大，當(dāng)加載達(dá)到1 200 kN時，位移為1.441 mm。根據(jù)位移計上、下表測得的讀數(shù)差，換算得到樁身轉(zhuǎn)角為0.035°。樁頂水平位移和轉(zhuǎn)角值均較小，滿足樁的容許水平位移值。

圖7不同水平荷載作用下樁頂位移曲線

樁頂位移小，是由現(xiàn)場場地環(huán)境和樁的形式共同決定的?，F(xiàn)場地質(zhì)中大塊巖石含量較多，土體承壓性能較好，使得樁頂位移變化不明顯。另外，嵌巖樁樁底部嵌固效果好，也是使樁頂位移不明顯的原因。

3 嵌巖樁有限元模擬

3.1 嵌巖樁與周邊土體的總體性態(tài)

采用有限元軟件建立嵌巖樁的數(shù)值模型，嵌巖樁考慮混凝土和鋼筋建模，土層考慮實際的雙層土體卵石和中風(fēng)化變粒巖。嵌巖樁與土層通過接觸單元模擬，周邊土體采用全約束。如圖8(a)所示，中間為嵌巖樁結(jié)構(gòu)，周邊為土層是樁直徑的6倍，土層厚度是嵌巖樁深度的3倍，滿足邊界條件，不影響樁身和樁周土體的性能。分析最大試驗荷載1 200 kN作用下，嵌巖樁和周邊土體的總體性態(tài)，包括嵌巖樁整體變位、樁身混凝土應(yīng)力、縱向鋼筋應(yīng)力和樁側(cè)土體的土壓力分布。

嵌巖樁受水平力作用總體呈現(xiàn)加載方向的彎曲變形，如圖8(b)，水平位移最大為2.473 mm，出現(xiàn)在試驗加載的樁身頂緣。受基巖嵌固效應(yīng)，水平位移由上往下均勻減小，底緣位移在0.2 mm級別。

水平力作用下，嵌巖樁第一和第三主應(yīng)力的分布均分別在試驗荷載下的背側(cè)和腹側(cè)，如圖8(c)、圖8(d)。第一主應(yīng)力最大值2.09 MPa，拉應(yīng)力出現(xiàn)在背側(cè)往下2/5位置，區(qū)域較小，該區(qū)域應(yīng)力擴(kuò)散明顯。第三主應(yīng)力最大值為2.05 MPa，壓應(yīng)力出現(xiàn)在腹側(cè)往下2/5位置，區(qū)域也較小。樁身拉、壓應(yīng)力低于混凝土的極限強(qiáng)度，表明結(jié)構(gòu)安全性能良好。

樁基縱向受力鋼筋的MISES應(yīng)力分布如圖8(e)所示，鋼筋背側(cè)和腹側(cè)的應(yīng)力水平基本相同，MISES應(yīng)力為11.8 MPa左右，應(yīng)力很小，受力較安全。

嵌巖樁加載方向樁側(cè)土壓力較為顯著，如圖8(f),最大側(cè)向土壓力25.33 kPa，出現(xiàn)在加載方向的樁身背側(cè)頂面區(qū)域，為主動土壓力；最小側(cè)向土壓力為90.58 kPa，出現(xiàn)在加載方向的樁身腹側(cè)頂面區(qū)域，為被動土壓力。

圖8有限元模擬嵌巖樁水平受力性態(tài)

3.2 數(shù)值模擬與現(xiàn)場試驗結(jié)果對比

圖9為嵌巖樁在水平荷載作用下沿加載方向樁身彎矩的有限元模擬結(jié)果與試驗實測結(jié)果的比較，二者的彎矩沿樁身的變化趨勢相似，均為先增大后減小的拋物線形，并且最大彎矩值均出現(xiàn)在距離樁頂4 m附近的位置。模擬得到的最大彎矩值為1 928.03 kN·m，試驗實測最大彎矩值為1 225.8 kN·m，模擬值約為實測值的1.6倍，這是因為現(xiàn)場試驗的場地環(huán)境和試驗條件復(fù)雜，試驗影響因素多，例如千斤頂加載時與墊板的摩擦力、地質(zhì)中大塊巖石的阻力等都會對試驗結(jié)果產(chǎn)生影響，使得試驗實測值更低。

另外，由前所述，模擬得到的最大水平位移出現(xiàn)在樁頂為2.473 mm，實測樁頂最大水平位移為1.441 mm，數(shù)值上位移模擬值約為實測值的1.7倍，與彎矩得到的對比結(jié)果相近。數(shù)值模擬與實測的彎矩沿樁身變化曲線趨勢吻合，最大彎矩出現(xiàn)的位置一致，二者的彎矩和位移在數(shù)值上也有一定的規(guī)律可循，說明有限元模擬能夠較準(zhǔn)確地反映嵌巖樁在水平荷載作用下的工作性狀和受力機(jī)理。

圖9樁身彎矩的試驗與模擬結(jié)果對比曲線(1 200 kN)

4 結(jié) 論

在渾河大橋工程開工之前先進(jìn)行試樁工程的水平加載試驗和數(shù)值模擬，研究了橋梁嵌巖樁在水平荷載作用下的受力變形機(jī)理和工作狀態(tài)，驗證了渾河大橋設(shè)計嵌巖深度的合理性，具體結(jié)論如下：

(1) 彎矩沿樁身變化曲線為先增大后減小的拋物線形，最大彎矩出現(xiàn)在樁頂向下4 m左右的位置。樁基抗水平設(shè)計時，要注意這個位置的抗彎承載力滿足。8 m以下彎矩值接近于零，證明了基巖嵌固效果良好，并進(jìn)一步驗證3D為“最佳嵌巖深度”。受場地環(huán)境和嵌巖樁樁形共同決定，樁頂水平位移和轉(zhuǎn)角值均較小，滿足樁的容許水平位移值，證明基巖嵌巖效果好。

(2) 有限元模擬分析了水平受力嵌巖樁和周邊土體的總體性態(tài)，模擬表明樁身混凝土、鋼筋的應(yīng)力，樁身位移和樁側(cè)土壓力均在結(jié)構(gòu)承受范圍內(nèi)，驗證嵌巖深度合理。

(3) 數(shù)值模擬與實測的彎矩沿樁身變化曲線趨勢吻合，最大彎矩出現(xiàn)的位置一致，二者的彎矩和位移在數(shù)值上也有一定的規(guī)律可循，說明有限元模擬能夠較準(zhǔn)確地反映嵌巖樁在水平荷載作用下的工作性狀和受力機(jī)理。

嵌巖樁基礎(chǔ)現(xiàn)場原位水平加載試驗的試驗條件復(fù)雜，該工程的試驗方法和取得的結(jié)果可為類似的嵌巖樁現(xiàn)場試驗工程提供經(jīng)驗和指導(dǎo)。

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HorizontalLoadingTestofPilesEmbeddedinHunRiverBridge

GUO Qian, WU Xiankai, DU Haixin

(LiaoningProvinceCommunicationPlanningandDesignInstituteCo.，LtdforHighwayMaintenanceTechnologyR&DCenter,Shenyang,Liaoning110111,China)

In order to solve the problem of insufficient rock socketed pile in-situ test under horizontal loading, the load-displacement curve and bending moment distribution of piles under horizontal load is analyzed based on the in-situ test of the two rock socketed piles in Hun River Bridge. Finite element method is adopted to verify the numerical simulation. The results show that the bending moment is parabola distribution along the pile body. The maximum value is about 4 meters from the top of the pile and the value is close to zero when depth is more than 8m. The horizontal displacement and the rotation angle of the pile top are small, which can meet the requirements of the allowable horizontal displacement. The numerical simulation results agree with the experimental results, and the measured values of bending moment and displacement are lower than the simulated values. The experimental methods and results could provide experience and guidance for similar projects.

rocksocketedpile;horizontalloading;in-situtest;numericalsimulation

10.3969/j.issn.1672-1144.2017.05.025

2017-04-29

2017-06-14

遼寧省高速公路建設(shè)項目(201501)

郭 騫(1982—)，男，遼寧沈陽人，高級工程師，主要從事橋梁檢測與結(jié)構(gòu)試驗方面的研究工作。 E-mail：lndt_gq@163.com

TU473.1

A

1672—1144(2017)05—0144—05