橋梁基樁大噸位靜載試驗(yàn)問題探討

趙喜平

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司鄭州設(shè)計(jì)院，河南鄭州 450001)

樁基以其優(yōu)秀的性能在市政橋梁工程中被大量采用，其質(zhì)量直接關(guān)系到上部橋梁結(jié)構(gòu)和通過車輛的安全。

《建筑基樁檢測(cè)技術(shù)規(guī)范》中規(guī)定:單樁抗壓靜載試驗(yàn)是基樁豎向抗壓承載力檢測(cè)最直觀、最可靠的傳統(tǒng)方法。該規(guī)范中，對(duì)我國建筑工程中慣用的維持荷載法進(jìn)行了具體規(guī)定[1]?！督ㄖ痘夹g(shù)規(guī)范》、《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》[2-3]則規(guī)定了樁基設(shè)計(jì)、構(gòu)造、計(jì)算、驗(yàn)收等詳細(xì)內(nèi)容。

單樁抗壓靜載試驗(yàn)對(duì)樁基承載力進(jìn)行直接測(cè)定，具有直觀準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)，在承載力檢測(cè)中得到普遍應(yīng)用。

孫利偉等根據(jù)某地巖土參數(shù)，確定了試驗(yàn)荷載的傳遞參數(shù)，把所算得的荷載傳遞參數(shù)代入樁頂荷載與樁頂沉降的關(guān)系式，結(jié)合工程實(shí)際土層埋深進(jìn)行迭代計(jì)算，得到單樁的荷載沉降曲線，并與工程實(shí)際靜載荷試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果較為精確[4]；林慧常等提出了一種新的荷載傳遞函數(shù)[5]；黃誠等研究了施工條件下樁基靜載荷試驗(yàn)的防振問題，根據(jù)打樁振動(dòng)機(jī)理，分析出主要影響因素是瑞利波，根據(jù)瑞利波的特點(diǎn)，提出了相應(yīng)的防振措施[6]；楊洪提出了存在液化土情況下，樁基礎(chǔ)靜荷載試驗(yàn)最大加載值的確定方法，以保證足夠的安全系數(shù)[7]；李林等對(duì)基樁靜載試驗(yàn)的數(shù)據(jù)資料和結(jié)果判定進(jìn)行了相關(guān)研究[8]；訾平華通過代表性的試驗(yàn)實(shí)例，對(duì)Q-S曲線進(jìn)行分析，論述了各類缺陷樁在靜載試驗(yàn)中的表現(xiàn)，提出了各類型樁靜載試驗(yàn)應(yīng)關(guān)注的重點(diǎn)[9]；趙翔等研究了加載反力裝置對(duì)單樁極限承載力取值結(jié)果的影響[10]，王志廣等也從梁、錨樁各個(gè)角度對(duì)靜載荷試驗(yàn)進(jìn)行了一定的研究[11-15]。

隨著工程荷載越來越大，樁基設(shè)計(jì)承載力和靜載荷試驗(yàn)加載噸位隨之增大，對(duì)安全保障、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性等方面提出了更高的要求，如何保證大噸位靜載試驗(yàn)的質(zhì)量及安全，是急切需要研究的問題。

該試驗(yàn)項(xiàng)目依托鄭州市四環(huán)線快速通道橋梁工程，橋梁基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁，樁長65～71 m，設(shè)計(jì)承載力標(biāo)準(zhǔn)值為9 244～11 776 kN。

建筑場(chǎng)地地質(zhì)概況:場(chǎng)地地貌屬山前沖洪積緩傾斜平原，地形平緩，局部有起伏，絕對(duì)高程在110.0～125.0 m。場(chǎng)區(qū)地層主要為第四系全新統(tǒng)人工堆積層雜填土，第四系上更新統(tǒng)沖積層粉土、粉質(zhì)黏土、粉細(xì)砂，第四系上更新統(tǒng)沖洪積層粉土，第四系中更新統(tǒng)坡洪積層粉土、粉質(zhì)黏土、細(xì)砂及膠結(jié)層。

本工程中靜載試驗(yàn)加載壓力大，采用的加載反力裝置為壓重平臺(tái)。對(duì)該工程大噸位靜載荷試驗(yàn)全過程中的重難點(diǎn)問題進(jìn)行了研究，通過對(duì)多組千斤頂?shù)谋容^研究，確定了不同廠家、不同批次、同型號(hào)千斤頂之間的加荷誤差為1.3%；通過試驗(yàn)研究，確定了施工等外界干擾對(duì)靜載基準(zhǔn)樁影響深度為5 m以內(nèi)。

1 樁頭處理

樁頭處理的主要目的:

①保護(hù)基樁在試驗(yàn)過程中不被損壞，達(dá)到將荷載穩(wěn)定傳至基樁的目的；

②保證樁頭的強(qiáng)度和剛度，使靜載試驗(yàn)?zāi)茼樌M(jìn)行。

為避免樁頭處理影響基樁的實(shí)際受力條件，保證試驗(yàn)與工程完工后基樁受力條件一致，除了按照規(guī)范要求使用高標(biāo)號(hào)混凝土和設(shè)置鋼筋外，樁頭處理過程中要特別注意這幾點(diǎn):

①樁頭處理全過程要經(jīng)過測(cè)量控制，樁頭要與基樁連接緊密，接縫處不能有雜質(zhì)或混凝土碎塊，基樁表面要鑿毛。為了保護(hù)樁頭，原樁頭清除至距設(shè)計(jì)樁頂15 cm以上的位置即可。

②樁頭中軸線應(yīng)與樁身上部中軸線重合，樁頂用水平尺找平，保證試驗(yàn)過程中基樁處于軸心受力狀態(tài)。

③設(shè)計(jì)樁頂以上部分外圍要設(shè)置鋼護(hù)筒，將樁頭與周圍土體隔離，消除該部分側(cè)阻力對(duì)靜載試驗(yàn)結(jié)果的影響?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明，接樁4 m的情況下，樁頭與周圍土體隔離與不隔離相比，極限承載力相差800 kN左右。

樁頭處理示意如圖1。

圖1 樁頭處理示意(單位：mm)

2 反力平臺(tái)基礎(chǔ)處理問題

經(jīng)過對(duì)工程16根試驗(yàn)樁的統(tǒng)計(jì)，有6次試驗(yàn)反力平臺(tái)有不同程度的傾斜，主要由平臺(tái)基礎(chǔ)不均勻沉降引起，特別是種植土和填土地基，不均勻沉降更嚴(yán)重。

對(duì)于大噸位靜載試驗(yàn)，為了保證試驗(yàn)的安全進(jìn)行，反力平臺(tái)的穩(wěn)固平衡至關(guān)重要，采取了如下措施:

①靜載反力平臺(tái)搭建前，用全站儀在原地面上測(cè)放出開挖邊線，以樁基中心為中心，對(duì)12 m×12 m范圍內(nèi)進(jìn)行場(chǎng)地平整，畫出6 m×6 m的平臺(tái)邊線，并用白灰進(jìn)行標(biāo)識(shí)。

②對(duì)于原地面高于承臺(tái)底的區(qū)域，測(cè)出原地面高程，計(jì)算出承臺(tái)底至原地面的高差，使用CAT320反鏟進(jìn)行控制開挖，開挖至接近基底30 cm時(shí)，采用水準(zhǔn)儀布設(shè)高程控制樁，再進(jìn)行人工開挖整平。

③對(duì)于原地面低于設(shè)計(jì)樁頂高程的場(chǎng)地，應(yīng)分層進(jìn)行夯實(shí)回填。

④對(duì)于填土或種植土場(chǎng)地，挖除上部松散土層，再分層夯實(shí)回填。

⑤在平臺(tái)底部先鋪上整塊鋼板，防止不均勻沉降。

注意事項(xiàng):

①對(duì)于承載力不足的軟弱地基，要進(jìn)行旋噴樁處理或換填處理。

②對(duì)反力平臺(tái)基礎(chǔ)范圍內(nèi)的地層情況進(jìn)行確認(rèn)，保證各部位承載力、壓縮性基本一致；對(duì)于不一致的情況要進(jìn)行局部處理，防止反力平臺(tái)出現(xiàn)不均勻沉降，影響安全和質(zhì)量。

經(jīng)過上述措施處理，平臺(tái)不均勻基樁沉降數(shù)量從6根減少為1根，百分比從37.5%減少為6.3%，如圖2所示。

圖2 處理前后反力平臺(tái)不均勻沉降對(duì)比

3 并聯(lián)加載的問題

市政橋梁樁基靜載試驗(yàn)荷載大，單個(gè)千斤頂不能滿足加載需要。通常的解決方案是多個(gè)千斤頂并聯(lián)，通過一個(gè)油泵同時(shí)對(duì)千斤頂供油，多個(gè)千斤頂同時(shí)加載。

并聯(lián)加載系統(tǒng)需注意兩個(gè)問題:

①多個(gè)千斤頂協(xié)調(diào)出力時(shí)，應(yīng)選用同一廠家、同一批次的千斤頂，以保證同組千斤頂內(nèi)部油缸參數(shù)一致。通過回歸方程計(jì)算出該組千斤頂?shù)男ｒ?yàn)系數(shù)，進(jìn)行靜載儀器參數(shù)設(shè)置，保證千斤頂出力均勻，試樁受力豎直。

現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行4組(每組5個(gè)630 t)千斤頂?shù)膶?duì)比試驗(yàn)，第一組為同一廠家、同一批次的千斤頂。第二組為同一廠家、不同批次的千斤頂，第三組、第四組為不同廠家的千斤頂，對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果如表1。

表1 試驗(yàn)各組千斤頂出力情況對(duì)比統(tǒng)計(jì) kN____

②供油的問題。多個(gè)千斤頂用油量大，加上管路多、接頭多，需保證管路連接密封良好、無滲漏；現(xiàn)場(chǎng)操作人員要隨時(shí)保證供油穩(wěn)定。

4 位移量測(cè)系統(tǒng)的問題

靜載試驗(yàn)中位移量測(cè)是最容易受到干擾的系統(tǒng)，位移量測(cè)的影響因素主要有基準(zhǔn)梁移動(dòng)和周圍環(huán)境干擾。

基準(zhǔn)梁架設(shè)的具體要求:①基準(zhǔn)梁應(yīng)具有足夠的剛度(10號(hào)以上型鋼)，一端固定在基準(zhǔn)樁上，另一端可沿基準(zhǔn)梁方向水平移動(dòng)(簡(jiǎn)支于基準(zhǔn)樁上)，防止基準(zhǔn)梁變形引起位移測(cè)量不準(zhǔn)。②基準(zhǔn)樁應(yīng)以直徑40 mm以上的鋼管打入地面以下1.0 m以上；嚴(yán)禁使用擱置在地面的物體作為基準(zhǔn)樁；防止下雨或者人為擾動(dòng)引起基準(zhǔn)梁產(chǎn)生位移。③基準(zhǔn)樁或基準(zhǔn)梁應(yīng)與試驗(yàn)樁和反力平臺(tái)基礎(chǔ)有一定的距離，防止其受試驗(yàn)樁和反力平臺(tái)位移影響，造成試驗(yàn)不準(zhǔn)確。

避免周圍環(huán)境干擾的措施:①靜載場(chǎng)地周圍不能有打樁設(shè)備工作，且避免其他大型機(jī)械設(shè)備工作。②試樁設(shè)備及量測(cè)儀表應(yīng)有遮擋設(shè)施。

大噸位靜載試驗(yàn)量測(cè)數(shù)據(jù)及示意見表2和圖3。

表2 靜載荷試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)數(shù)據(jù)

5 試驗(yàn)終止加載問題

對(duì)于終止加載的條件，規(guī)范都有很明確的規(guī)定，主要分為以下4種情況:①樁基破壞；②樁周土破壞；③樁基沉降達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)；④樁達(dá)到設(shè)計(jì)極限承載力(未出現(xiàn)前三種情況)。

圖3 靜載荷試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)

前三種情況均達(dá)到了基樁極限承載力，第四種情況僅是滿足設(shè)計(jì)要求。由于工程樁正常情況下不能被破壞，且設(shè)計(jì)中留有較大的安全裕量，在收集到的各個(gè)地區(qū)試樁資料中，95%均為第四種情況。

而這一明顯造成浪費(fèi)的問題未引起土木工程界足夠的重視。

眾所周知，樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的步驟是首先確定單樁承載力，然后根據(jù)上部荷載布置樁的數(shù)量。在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，由于工期緊、任務(wù)重，加上一些年輕設(shè)計(jì)者經(jīng)驗(yàn)不足，有時(shí)會(huì)反其道而行之:即先按照經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)建筑物平面尺寸條件確定樁數(shù)和布樁，算出各樁樁頂荷載，然后反過來推算樁長，最后要求工程試樁加載達(dá)到此值即可。上述情況導(dǎo)致樁基設(shè)計(jì)不符合極限狀態(tài)原則，會(huì)造成較嚴(yán)重的浪費(fèi)，應(yīng)引起有關(guān)勘察、設(shè)計(jì)與建設(shè)部門的高度重視。

綜上所述，應(yīng)根據(jù)地質(zhì)段落加強(qiáng)設(shè)計(jì)前試樁，進(jìn)行破壞式靜載試驗(yàn)，提供較準(zhǔn)確的極限單樁承載力，作為設(shè)計(jì)文件的有力支撐，即減少浪費(fèi)又能保證工程安全。

6 試驗(yàn)過程干擾問題

實(shí)際工程基樁靜載試驗(yàn)中，常遇到意外干擾的情況，如位移傳感器和壓力傳感器的松動(dòng)、脫落或失靈，儀器設(shè)備受外部震動(dòng)或碰撞影響等，可能導(dǎo)致樁的受荷沉降關(guān)系曲線出現(xiàn)突變異?，F(xiàn)象。

根據(jù)黃誠等的研究，對(duì)于外界施工震動(dòng)影響，將基槽開挖深度定為1～1.5 m，可有效減小水平擾動(dòng)；將基準(zhǔn)樁打入土層2～2.5 m，可以隔離大部分瑞利波對(duì)基準(zhǔn)樁的擾動(dòng)[5]。

多次試驗(yàn)結(jié)果表明，基準(zhǔn)樁打入深度越深，外界干擾影響越小(如圖4)。

圖4 干擾影響程度跟基準(zhǔn)樁入土深度關(guān)系

在受擾動(dòng)情況下，應(yīng)先暫停試驗(yàn)，排查反力平臺(tái)和試樁有無異常。干擾消除后，調(diào)表恢復(fù)試驗(yàn)。

對(duì)于上述手段無法消除的干擾，設(shè)立基準(zhǔn)點(diǎn)，測(cè)量前后試驗(yàn)樁樁頂高程，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行修正。