樁基承載力自平衡測試技術(shù)在跨海大橋工程中應(yīng)用探討

張 成

（蘇交科集團(tuán)股份有限公司 江蘇南京 210000）

1 前言

伴隨著我國國民經(jīng)濟(jì)及交通建設(shè)的發(fā)展，我國大型工程越來越多，樁基礎(chǔ)的應(yīng)用量隨之增大?，F(xiàn)行規(guī)范規(guī)定必須做一定數(shù)量的樁基載荷試驗(yàn)，以確定結(jié)構(gòu)的安全度并為設(shè)計(jì)提供依據(jù)。目前傳統(tǒng)的靜載試驗(yàn)方法主要有堆載法與錨樁法，但該兩種方法在水上工程中實(shí)施難度極大，且安全風(fēng)險極高。因此自平衡法承載力測試技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，美國于80年代中期開展了樁承載力自平衡試驗(yàn)方法的研究，近幾年歐洲及日本、加拿大、新加坡等國及臺灣、香港、澳門地區(qū)也廣泛使用該法，被稱為樁基測試技術(shù)革命。下文將通過自平衡承載力測試在跨海大橋工程的實(shí)踐案例，在自平衡法的測試機(jī)理、試驗(yàn)過程及測試成果等方面闡述分析。

2 工程案例概況

該項(xiàng)目屬于跨海大橋，地質(zhì)條件復(fù)雜，跨海段試樁地層分布主要為上部多以淤泥、淤泥質(zhì)粘土為主，樁身中下部土層為粉質(zhì)黏土夾雜部分粉砂層為主，樁端持力層為粉砂層。為驗(yàn)證設(shè)計(jì)單樁極限承載力，測定樁基沉降和變形，驗(yàn)證成孔工藝，評估成樁質(zhì)量，選取2根試樁進(jìn)行樁自平衡法基靜載試驗(yàn)，試樁主要參數(shù)如表1。

表1 試驗(yàn)樁參數(shù)表

3 自平衡法測試

3.1 測試原理

自平衡法的檢測原理是將一種加載裝置-自平衡荷載箱，在混凝土澆注之前和鋼筋籠一起埋入樁身內(nèi)，將加載箱的加壓管以及所需的其他測試裝置從樁體引到地面，然后灌注成樁。由加壓泵在地面向荷載箱加壓加載，荷載箱產(chǎn)生上下兩個方向的力，并傳遞到樁身。由于樁體自成反力，我們將得到相當(dāng)于兩個靜載試驗(yàn)的數(shù)據(jù)：荷載箱以上部分，我們獲得反向加載時上部分樁體的相應(yīng)反應(yīng)系列參數(shù)；荷載箱以下部分，獲得正向加載時下部分樁體的相應(yīng)反應(yīng)參數(shù)。通過對加載力與這些參數(shù)之間關(guān)系的計(jì)算和分析，可以獲得樁基承載力等相關(guān)數(shù)據(jù)。這種方法可以用于為設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)依據(jù)，也可用于工程樁承載力的驗(yàn)證。

與傳統(tǒng)的靜載試驗(yàn)方法（堆載法和錨樁法）相比，自平衡法具有以下特點(diǎn)：

（1）省力：沒有堆載，也不要笨重的反力架，檢測十分簡單、方便、安全。

（2）省時：土體穩(wěn)定即可測試，并可多根樁同時測試，大大節(jié)省試驗(yàn)（檢測）時間。

（3）不受場地條件和加載噸位限制：每樁只需一臺高壓泵、一套位移測讀儀器、一根基準(zhǔn)梁，檢測設(shè)備體積小、重量輕，任何場地（基坑、山上、地下、水中）都可。

3.2 主要加載設(shè)備

試樁采用組合式荷載箱，本次2根試樁均采用雙荷載箱加載，直徑和加載面積的設(shè)計(jì)，充分兼顧加載液壓的中低壓力和樁體試驗(yàn)后的高承載能力。荷載箱通過內(nèi)置的特殊增壓技術(shù)設(shè)計(jì)，以很低的油壓壓強(qiáng)，產(chǎn)生很大的加載力，從而能夠極大地降低加載系統(tǒng)的故障率。

3.3 現(xiàn)場測試

試驗(yàn)場地位于海邊，為盡量減少風(fēng)力、降水等外部因素的影響，現(xiàn)場必需搭設(shè)防風(fēng)賬篷，確保測試儀器、無線傳感器、精密位移傳感器等設(shè)備檢測時不受外部環(huán)境的影響。

試驗(yàn)現(xiàn)場需配備靜載試驗(yàn)過程需要配備220V、380V的電源箱，并持續(xù)供電，靜載試驗(yàn)夜間測試連續(xù)進(jìn)行，現(xiàn)場應(yīng)配備照明設(shè)備?；鶞?zhǔn)梁搭設(shè)應(yīng)滿足規(guī)范要求，具有足夠的剛度，基準(zhǔn)梁的一端應(yīng)固定在基準(zhǔn)樁上，另一端應(yīng)簡支于基準(zhǔn)樁上。

圖1 防風(fēng)賬篷、基準(zhǔn)梁加設(shè)

4 試樁后注漿施工

試驗(yàn)樁在首次加載完成后，進(jìn)行樁端注漿，通過預(yù)埋聲測管進(jìn)行注漿作業(yè)，采用智能壓漿設(shè)備，智能壓漿設(shè)備主要由上料機(jī)，制漿臺車，壓漿臺車等三部分組成，其系統(tǒng)組成與工作原理如圖2。

圖5示，與CON組相比，OPC組、IGF-1組和OPC+IGF-1組LC3-Ⅱ相對表達(dá)量分別為10.32±0.31、1.02±0.20和5.73±0.11，F(xiàn)值分別為5 083.113、524.294和583.542，均P<0.001，OPC與IGF-1主效應(yīng)均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，兩者聯(lián)合有拮抗效應(yīng)；p62相對表達(dá)量分別為0.64±0.02、1.03±0.02和0.87±0.01，F(xiàn)值分別為1017.038、257.225和162.558，均P<0.001，OPC與IGF-1主效應(yīng)差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，兩者聯(lián)合有拮抗效應(yīng)。說明OPC通過抑制 PI3K/AKT 信號通路誘導(dǎo)TU686細(xì)胞發(fā)生自噬。

圖2 壓漿系統(tǒng)示意圖

在壓漿機(jī)出漿口設(shè)置專用傳感器實(shí)時檢測壓漿管道壓力與漿液流速。實(shí)時反饋給系統(tǒng)主機(jī)進(jìn)行分析判斷，測控系統(tǒng)根據(jù)主機(jī)指令進(jìn)行壓漿調(diào)整，保證管道回路在規(guī)范要求的漿液質(zhì)量、壓力大小、穩(wěn)壓時間等重要指標(biāo)約束下完成壓漿過程。

圖3 壓漿工藝流程圖（U管法）

后注漿施工主要要點(diǎn)：

（1）待試樁完成首次自平衡加載試驗(yàn)后可進(jìn)行單個墩樁底壓漿。

（2）壓漿作業(yè)人員將自來水管、水泥罐、上料機(jī)、制漿臺車、壓漿臺車連接好。

（3）對除壓漿管外的壓漿設(shè)備及管路系統(tǒng)進(jìn)行耐壓試驗(yàn)。試壓操作時，要分級緩慢升壓，試壓壓力宜達(dá)到注漿控制壓力的1.5倍，停泵穩(wěn)壓后方可進(jìn)行檢查。并認(rèn)真檢查壓漿泵、攪拌機(jī)等設(shè)備是否處于完好狀態(tài)，檢查各管路是否暢通。

（5）根據(jù)注漿量跟漿液配合比，計(jì)算水泥、水和外加劑用量，漿液拌制好后現(xiàn)場取樣測試漿液性能指標(biāo)，確保其性能指標(biāo)滿足要求并現(xiàn)場提取漿液按規(guī)定做試塊。

（6）漿液洗管：接管工人打開U1管出漿口閥門，先排出回路管內(nèi)開塞時存有的清水，當(dāng)出漿口流出的漿液濃度與進(jìn)漿口漿液濃度基本相同時，關(guān)停壓漿泵，關(guān)閉出漿口閥門。

（7）現(xiàn)場所有人員撤離至安全區(qū)域，開始壓漿并計(jì)量壓漿量，壓漿采用單一回路單獨(dú)壓漿。

5 試驗(yàn)過程簡述

試樁32-2#（注漿前）：加載下荷載箱，加載到第5級荷載3000kN時，向下位移突然增大，Q-S曲線呈現(xiàn)陡變現(xiàn)象，本級下位移量是前一級下位移量的10.9倍，下位移39.13mm，且油壓維持困難，開始卸載，取第4級荷載2400kN為注漿前下段極限加載值。開始加載上荷載箱，封住下荷載箱油管，在加載到第11級荷載10450kN時，下位移已達(dá)60.14mm，位移持續(xù)走動，無收斂跡象，且油壓維持困難，考慮到注漿后試驗(yàn)故決定終止加載，此時向下最大平均位移量為60.14mm，卸載后剩余位移為58.25mm；向上最大平均位移量為4.49mm，卸載后剩余位移為2.23mm。

試樁32-2#（注漿后）：加載下荷載箱，加載到第10級荷載6000kN時，位移呈緩變走勢，因已達(dá)預(yù)估的最大加載值，決定終止加載，取當(dāng)前荷載6000kN為注漿后下段極限加載值。開始加載上荷載箱，加載到第10級荷載11000kN時，位移曲線呈緩變形，已達(dá)設(shè)計(jì)要求的最大加載值，決定終止加載，取當(dāng)前荷載11000kN為注漿后上荷載箱上下段樁的極限加載值。此時向下最大平均位移量為21.18mm，卸載后剩余位移為13.23mm；向上最大平均位移量為1.53mm，卸載后剩余位移為0.26mm。

試樁41-2#（注漿前）：加載下荷載箱，加載到第5級荷載2500kN時，位移持續(xù)增大，考慮到注漿后試驗(yàn)故決定終止加載，取當(dāng)前荷載2500kN為注漿前下段極限加載值。開始加載上荷載箱，封住下荷載箱油管，對下荷載箱保壓，加載到第17級荷載9900kN時，向下平均位移累計(jì)已達(dá)57.62mm。且本級向下位移增大明顯，S-logt曲線尾端呈現(xiàn)明顯拐點(diǎn)，取第17級荷載9900kN為注漿前上段極限加載值。此時向下最大平均位移量為57.62mm，卸載后剩余位移為52.79mm；向上最大平均位移量為9.99mm，卸載后剩余位移為5.57mm。

試樁41-2#（注漿后）：加載下荷載箱，加載到第10級荷載5000kN時，上下位移走動相對都較平穩(wěn)，位移呈緩變走勢，已達(dá)預(yù)估的最大加載值，終止加載，取當(dāng)前荷載5000kN為注漿后下段極限加載值。開始加載上荷載箱，加載到第10級荷載10500kN時，上下位移變化都較小，位移曲線呈緩變形，已達(dá)設(shè)計(jì)要求的最大加載值，決定終止加載，取當(dāng)前荷載10500kN為注漿后上荷載箱上下段樁的極限加載值。此時向下最大平均位移量為15.48mm，卸載后剩余位移為9.22mm；向上最大平均位移量為6.66mm，卸載后剩余位移為4.08mm。

6 試驗(yàn)成果

通過對2根試樁注漿前后的加載試驗(yàn)，首先加載下荷載箱得到最下段樁身承載力，后加載上荷載箱得到中段樁身承載力，對下荷載箱進(jìn)行保壓，繼續(xù)加載至得到上段樁身承載力，測試結(jié)果見表2。

表2 試驗(yàn)成果表

試樁32-2#注漿前承載力試驗(yàn)結(jié)果為18490kN，注漿后承載力為20178kN；試樁41-2#注漿前承載力試驗(yàn)結(jié)果為17460kN，注漿后承載力為20810kN。

圖4 32-2#荷載沉降曲線圖

圖5 41-2#荷載沉降曲線圖

7 結(jié)語

通過本項(xiàng)目兩根試樁加載試驗(yàn)結(jié)果，可得出以下主要結(jié)論：

（1）所采用的注漿工藝能夠滿足設(shè)計(jì)施工要求，注漿后的承載力較注漿前有明顯的提高；

（2）樁端注漿效果明顯，注漿后的樁身沉降明顯收斂。

自平衡法承載力測試在跨江、跨海大橋等水上樁基的承載力檢測方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢，且較傳統(tǒng)的堆載法安全風(fēng)險低，技術(shù)規(guī)范逐步完善，隨著我國交通建設(shè)發(fā)展，具有廣闊的應(yīng)用前景。