多支型擠擴(kuò)支盤樁在深厚軟土地基中的應(yīng)用

吳成鋼 姚傳勤 朱兵

摘 要：結(jié)合汕頭市鳳東路澄海段工程項(xiàng)目，利用“二錨一”錨樁法對金樟路跨線橋多支型擠擴(kuò)支盤樁試樁試驗(yàn)，以慢速維持荷載法逐級施加荷載，對試樁的抗壓、抗拔能力以及荷載的傳遞情況進(jìn)行研究，分析多支型結(jié)構(gòu)與常見盤體結(jié)構(gòu)在深厚軟土地基中的承載特性。結(jié)果表明，多支結(jié)構(gòu)能使試樁的支側(cè)阻力發(fā)揮顯著，抗拔承載能力成倍提高，在灌注過程中能有效降低孔底沉渣對樁體承載力的影響。

關(guān)鍵詞：錨樁法;擠擴(kuò)支盤樁;承載特性;支側(cè)阻力

中圖分類號：U446.1 ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ?文章編號：1673-260X（2021）06-0049-04

傳統(tǒng)鉆孔灌注樁已在橋梁樁基上普遍應(yīng)用，但在深厚的軟弱土層地區(qū)，傳統(tǒng)鉆孔灌注樁造價(jià)頗高，一般樁身長度、直徑遠(yuǎn)高于其他土層地區(qū)。傳統(tǒng)等截面灌注樁以摩擦受力為主，在軟弱土層中易塌孔，沉渣較難控制，經(jīng)濟(jì)性差[1]。擠擴(kuò)支盤樁作為一種新型變截面樁基，在軟土地基上利用擠壓設(shè)備增設(shè)承力支盤結(jié)構(gòu)，增大支盤結(jié)構(gòu)與土體的接觸面，提高樁基的承載能力[2-5]。相比傳統(tǒng)鉆孔灌注樁，減少了鋼筋及混凝土用量，尤其對施工方而言，能有效降低施工成本投入。

1 多支型擠擴(kuò)支盤樁特點(diǎn)

相對以往其他項(xiàng)目采用“盤結(jié)構(gòu)”作為承載力的擠擴(kuò)支盤樁，本工程采用“多支型”擠擴(kuò)支盤樁設(shè)計(jì)方案。在盤與支結(jié)構(gòu)或者盤與盤結(jié)構(gòu)間距為8倍盤環(huán)寬度、支與支結(jié)構(gòu)間距為4倍盤環(huán)寬度時(shí)，在1個(gè)盤的相同間距范圍內(nèi)，布置兩個(gè)支結(jié)構(gòu)。在深厚軟土中增設(shè)擠擴(kuò)支盤樁支結(jié)構(gòu)的分支數(shù)量，增加支結(jié)構(gòu)與土體的側(cè)阻面，提高支結(jié)構(gòu)的側(cè)支阻力。成孔后灌注混凝土能使支盤結(jié)構(gòu)形成剛性結(jié)構(gòu)，擴(kuò)大整個(gè)樁身的承載面積，將受力單一的摩擦樁改成多支型變截面摩擦端承樁，改變樁體受力方式，提高樁身整體的側(cè)摩擦阻力，達(dá)到樁基承載力設(shè)計(jì)要求。

2 工程概況

汕頭市鳳東路澄海段工程位于汕頭市東部，主線全長23.287km，設(shè)有3座特大橋，9座大橋。金樟路跨線大橋采用整體式斷面分幅設(shè)計(jì)，單幅橋?qū)?13.75m。主橋樁基采用常規(guī)鉆孔灌注樁，引橋采用多支型擠擴(kuò)支盤樁。金樟路跨線橋全場地分布軟土，橋位覆蓋層主要有雜填土、耕填土、砂類土、淤泥質(zhì)土、粉質(zhì)粘土等組成;基底則由花崗巖層和風(fēng)化層構(gòu)成，樁基設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

3 試樁方案

創(chuàng)新性的采用“二錨一”錨樁試樁方案，同時(shí)監(jiān)測試樁和兩根錨樁的數(shù)據(jù)，減少工作的反復(fù)性，通過一組試驗(yàn)即可獲取3組試驗(yàn)樁的參數(shù)，實(shí)現(xiàn)綜合效益最大化。利用慢速維持荷載法對金樟路12#墩1組擠擴(kuò)支盤樁進(jìn)行靜載試驗(yàn)。12#墩設(shè)置1根抗壓樁，在抗壓樁側(cè)施打兩根支盤樁作為錨樁，在試樁試驗(yàn)前，需要利用跨孔超聲波法和熱異常法對試樁的支盤進(jìn)行完整性檢測，確保試驗(yàn)可行性。

3.1 錨樁反力裝置設(shè)計(jì)方案

試樁靜載試驗(yàn)前需對本方案投入2根長13000mm×寬550mm×高1200mm的鋼梁以及相應(yīng)錨具設(shè)計(jì)為圖1所示的錨樁反力裝置。錨樁通過主筋穿引過鋼梁上的格子錨具，在格子錨具上方主筋采用幫條焊的方式，單面焊幫條長度≥10d，雙面焊幫條長度≥5d[5]。本方案采用4臺額定重量630t的千斤頂在試驗(yàn)樁承臺與2根鋼梁之間進(jìn)行加載，加載反力通過鋼梁兩端的焊接錨固裝置傳遞到錨樁主筋上，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)在加載過程中的靜力和變形平衡，測試同時(shí)采集兩側(cè)錨樁樁頂變形數(shù)據(jù)和樁身內(nèi)力監(jiān)測數(shù)據(jù)。

3.2 加卸載過程

試樁灌注后的混凝土需達(dá)到28d期齡后才可進(jìn)行單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)[6]。

試驗(yàn)采用慢速維持荷載法，由超高壓油泵帶動(dòng)千斤頂施加各分級荷載，通過錨樁反力裝置加卸載，樁基靜載荷測試分析儀控制壓力傳感器來調(diào)節(jié)施加荷載值，樁頂沉降值由位移傳感器采集，具體加卸載過程如下。

（1）分級荷載均勻等量施加，分級荷載取最大加載值的1/10，第一級荷載以兩倍分級荷載值施加，下一級荷載的施加要求樁頂沉降值處于相對穩(wěn)定，樁頂沉降值連續(xù)兩次1h內(nèi)不得超過0.1mm[7]。

（2）各分級荷載施加后，樁頂沉降值分別在5min、15min、30min、45min、60min各記錄一次，為減少試驗(yàn)誤差，分級荷載趨于穩(wěn)定后每間隔30min記錄一次樁頂沉降值。

（3）卸載過程中，取2倍荷載的加載值等量卸載，分別在15min、30min、60min記錄樁頂沉降值，使荷載穩(wěn)定維持1h后方可繼續(xù)下一級荷載，直至荷載卸載為0。

3.3 鋼筋計(jì)、應(yīng)變計(jì)布置

采用振弦式鋼筋應(yīng)力計(jì)，焊接在鋼筋籠主筋上，樁身斷面在距離支或盤結(jié)構(gòu)上下各25cm處橫斷面，布置兩個(gè)鋼筋計(jì)。標(biāo)定面布置在樁頂下2m和4m處，每個(gè)斷面安裝四個(gè)應(yīng)變計(jì)，鋼筋籠底部1m處需布置兩個(gè)鋼筋計(jì)收集樁底反力，鋼筋計(jì)布置如圖2所示。

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 支盤承載能力分析

支盤結(jié)構(gòu)形狀直接影響樁體承載能力，支盤結(jié)構(gòu)均是由混凝土直接澆筑而成，屬于剛體結(jié)構(gòu)，因此支盤結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度極難控制，受到諸多外在因素影響。支盤結(jié)構(gòu)在加載過程中，六星支的支側(cè)阻力發(fā)揮顯著，如圖3和圖4所示。在極限荷載5331KN的條件下，六星支結(jié)構(gòu)承載力在細(xì)砂土層中較盤結(jié)構(gòu)提升了24.02%，六星支已滿足盤結(jié)構(gòu)的承載要求。在粉質(zhì)粘土層中，六星支的承載能力呈“波浪形”曲線，下部盤結(jié)構(gòu)在第8級荷載作用下才發(fā)生明顯變化，荷載增加支盤結(jié)構(gòu)承載力均保持在30KN范圍內(nèi)浮動(dòng)，說明在同等粉質(zhì)粘土、細(xì)砂土層的地質(zhì)情況下，一個(gè)六星支相當(dāng)于一個(gè)盤結(jié)構(gòu)的承載能力。

4.2 抗拔、抗壓特征分析

金樟路跨線橋擠擴(kuò)支盤樁現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果如表2所示，試樁與錨樁的Q-S荷載-位移變化曲線如圖5所示。

現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)表明，在深厚軟弱土的地質(zhì)條件下，使用多支型結(jié)構(gòu)的擠擴(kuò)支盤樁樁體抗拔承載能力成倍提高。在極限荷載5331KN條件下，錨樁1最終上拔量為1.81mm，錨樁2最終上拔量為2.35 mm，在卸載后回彈率均達(dá)到82%以上，擠擴(kuò)支盤樁抗拔承載能力滿足試樁要求。如圖6所示，上部支盤結(jié)構(gòu)承擔(dān)60%的樁身內(nèi)力，試樁的最大位移變形僅6mm，屬于彈性變形。根據(jù)擠擴(kuò)支盤樁的受力特點(diǎn)，試樁12-0#在極限荷載10661KN作用下，樁身周圍與樁端土體發(fā)生較大位移變形，盤體結(jié)構(gòu)與土層接觸面大，支結(jié)構(gòu)的側(cè)阻面與土層接觸面積受限，所以盤體結(jié)構(gòu)周圍土體的位移變形均大于支結(jié)構(gòu)。

4.3 荷載傳遞特性分析

各級荷載作用下試樁的各斷面軸力變化如圖7所示，試樁的上盤結(jié)構(gòu)軸力均大于下部盤結(jié)構(gòu)，盤結(jié)構(gòu)上下部軸力差值即為該盤體的承載力。支盤結(jié)構(gòu)承擔(dān)主要部分荷載，在分級荷載逐級施加中，支盤結(jié)構(gòu)承載力均穩(wěn)定增長，呈近線性關(guān)系。試樁極限荷載達(dá)10662KN時(shí)，上盤結(jié)構(gòu)端承力為2755KN，約占試樁承載力的32.88%，約占盤的總端承力的61.5%;中盤結(jié)構(gòu)端承力為1718KN，達(dá)到試樁承載力的20.5%，約占盤的總端承力的38.5%。試樁中支結(jié)構(gòu)的端承力均要小于盤結(jié)構(gòu)，支結(jié)構(gòu)承擔(dān)上、中盤傳遞下的剩余荷載，整根試樁的荷載是以遞減形式傳遞，具有時(shí)間性和順序性的特點(diǎn)。試樁的樁身軸力在支盤各斷面處能將樁體與支盤連接產(chǎn)生的集中應(yīng)力分散到土層中，從而減少樁身軸力和支盤的樁側(cè)摩阻力，如圖8所示。試樁利用支盤結(jié)構(gòu)承載部分樁身承載力，可有效降低孔底沉渣在灌注過程中對試樁承載力的影響。

5 結(jié)論

在淤泥質(zhì)土、淤泥砂土中，多支結(jié)構(gòu)的支側(cè)阻力發(fā)揮顯著，一個(gè)六星支結(jié)構(gòu)相當(dāng)一個(gè)盤結(jié)構(gòu)的承載效果，支結(jié)構(gòu)側(cè)阻面會(huì)隨支數(shù)增加，提高樁體與土體的支側(cè)阻承載力。采用多支結(jié)構(gòu)可提高樁體的抗拔承載能力，有利于對樁身抗拔、抗壓內(nèi)力優(yōu)化，能有提高灌注后混凝土的抗拉抗裂能力。設(shè)置支結(jié)構(gòu)可承載大部分承載力，在灌注過程能有效降低孔底沉渣對樁體承載力的影響。

參考文獻(xiàn)：

〔1〕黃生根，沈佳紅，李萌.鉆孔灌注樁壓漿后承載性能的可靠度分析[J].巖土力學(xué)，2019，40（05）：1977-1982.

〔2〕李蘭勇，劉廣宇.公路軟土地區(qū)擠擴(kuò)支盤樁承載性狀試驗(yàn)研究[J].交通世界，2018（13）：128-12.

〔3〕張文心，劉洪義.擠擴(kuò)支盤樁在特高壓輸電線路中的試驗(yàn)與研究[J].電力勘測設(shè)計(jì)，2018（S2）：187-192.

〔4〕席亞彬.濕陷性黃土地區(qū)擠擴(kuò)支盤樁的承載特性及數(shù)值模擬分析[D].蘭州：蘭州理工大學(xué)，2019.

〔5〕熊露.深厚軟弱土地區(qū)細(xì)長嵌巖樁豎向承載性狀研究[D].廣州：廣州大學(xué)，2019.

〔6〕鋼筋焊接及驗(yàn)收規(guī)程JGJ 18-2012[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2012.

〔7〕建筑基樁檢測技術(shù)規(guī)范JGJ 106-2014[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2014.