越南格更1號(hào)橋樁基豎向抗壓承載力檢測(cè)

繆云，謝禮飛，殷開(kāi)成，靖從英

(1.江蘇城市職業(yè)學(xué)院 建筑工程學(xué)院，江蘇 南京 210036; 2.南京東大自平衡樁基檢測(cè)有限公司;3.南京賽寶液壓設(shè)備有限公司)

1 工程概況

格更1號(hào)橋(CA CAM 1 BRIDGE)位于越南胡志明市第七郡富美興新富街，是一座全長(zhǎng)101 m的5跨斜交橋，上跨格更河(CA CAM RIVER)。

該橋基礎(chǔ)形式為鉆孔灌注樁，平面布置見(jiàn)圖1，其中：A1、A2兩橋臺(tái)處樁徑1 200 mm，樁長(zhǎng)分別為53、48 m；P1～P3墩處樁徑1 500 mm，樁長(zhǎng)53 m；P4墩處樁徑1 500 mm，樁長(zhǎng)51 m。

為了檢驗(yàn)工程樁承載力是否滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，在A(yíng)2橋臺(tái)處選取了1根試樁TP1進(jìn)行豎向抗壓靜載試驗(yàn)，其平面位置見(jiàn)圖1，主要設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 試樁TP1設(shè)計(jì)參數(shù)

2 地質(zhì)情況與方案比選

鄰近鉆孔揭示的試樁TP1處地層分布情況見(jiàn)圖2。該樁在河岸邊，地下水位接近地表。

由圖2可知：樁身上部約14 m范圍內(nèi)為流塑淤泥；中部約22 m范圍內(nèi)為硬塑黏土和中密細(xì)砂，標(biāo)貫擊數(shù)為10～20擊；下部約12 m為堅(jiān)硬黏土和中密～密實(shí)細(xì)砂，標(biāo)貫擊數(shù)有明顯波動(dòng)，平均值>30擊。

在確定靜載試驗(yàn)方案時(shí)，有堆載法、錨樁法、O-cell法(即中國(guó)自平衡法)3種方案可供選擇。若采用堆載法，因淺表土層為性質(zhì)很差的流塑淤泥(圖2)，需要對(duì)一定深度范圍內(nèi)的地基進(jìn)行加固處理，花費(fèi)代價(jià)較高；若采用錨樁法，因試樁TP1周邊沒(méi)有合適的工程樁提供反力(圖1)，需要另外打設(shè)錨樁，花費(fèi)代價(jià)也較高；綜合衡量之后，決定采用O-cell法(自平衡法)進(jìn)行檢測(cè)，以避開(kāi)場(chǎng)地方面的不利條件。

3 試驗(yàn)原理

O-cell法(自平衡法)的試驗(yàn)原理如圖3所示。

該法的加載裝置是一種特制的荷載箱，在成樁過(guò)程中已預(yù)埋在樁身平衡點(diǎn)處，故此地面上沒(méi)有反力系統(tǒng)，對(duì)場(chǎng)地條件要求不高，適合該項(xiàng)目的試樁檢測(cè)。

試驗(yàn)時(shí)，荷載箱將樁身分成上、下兩段，利用上段樁的側(cè)阻和自重、下段樁的側(cè)阻和端阻互相提供反力進(jìn)行加載；分別測(cè)得上、下段樁的承載力后，再計(jì)算得出整樁承載力。

圖1 格更1號(hào)橋樁基礎(chǔ)平面布置圖(單位：cm)

圖2 地層情況及試樁標(biāo)高(單位：m)

圖3 自平衡法示意圖

試樁TP1的設(shè)計(jì)安全余量較大，經(jīng)計(jì)算，將荷載箱置于樁底以上10 m處即可滿(mǎn)足向上、向下各3 000 kN的加載要求，荷載箱位置見(jiàn)圖2。

4 檢測(cè)方案

4.1 檢測(cè)依據(jù)

試樁TP1的豎向抗壓承載力檢測(cè)，應(yīng)遵循越南規(guī)范《Piles - Standard test method in situ for piles under axial compressive load》(TCVN 9393:2012，以下簡(jiǎn)稱(chēng)越南TCVN規(guī)范)，該規(guī)范專(zhuān)門(mén)適用于軸向受壓樁的承載力檢測(cè)。

一般情況下，越南項(xiàng)目也可參考或使用其他國(guó)家的相關(guān)規(guī)范，較為常見(jiàn)的有美國(guó)ASTM標(biāo)準(zhǔn)《Standard test methods for deep foundations under static axial compressive load》(ASTM D1143/D1143M-07，以下簡(jiǎn)稱(chēng)美國(guó)ASTM規(guī)范)。另外，中國(guó)的樁基檢測(cè)規(guī)范，如JGJ 106-2014《建筑基樁檢測(cè)技術(shù)規(guī)范》、JT/T 738-2009《基樁靜載試驗(yàn) 自平衡法》等也可用于越南的樁基檢測(cè)。

在該項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中，前期方案主要基于越南TCVN規(guī)范，同時(shí)參考了美國(guó)ASTM規(guī)范；后考慮到試樁采用O-cell法(自平衡法)檢測(cè)，而中國(guó)已有此方面的專(zhuān)門(mén)規(guī)范，故修改為按中國(guó)JT/T 738-2009《基樁靜載試驗(yàn) 自平衡法》進(jìn)行。

該文仍對(duì)前期方案進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹，以增加對(duì)越南樁基檢測(cè)規(guī)范要求的了解。

4.2 基于越南規(guī)范的前期方案

試樁TP1前期方案的加/卸載要求見(jiàn)表2。

表2 試樁TP1前期方案加/卸載要求

(1) 試驗(yàn)流程

試驗(yàn)流程分為預(yù)加載、加載、卸載三部分。

越南TCVN規(guī)范對(duì)預(yù)加載有明確規(guī)定，一般可取設(shè)計(jì)荷載的5%，主要用來(lái)檢驗(yàn)儀器設(shè)備的工作狀況等。該項(xiàng)目預(yù)加載值200 kN，稍高于設(shè)計(jì)荷載的5%(150 kN)。

預(yù)加載之后正式開(kāi)始試驗(yàn)，荷載均分10級(jí)施加，其持荷時(shí)間的要求包含兩項(xiàng)內(nèi)容：① 穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)。位移變化≤0.25 mm/h時(shí)認(rèn)為已穩(wěn)定；② 持荷時(shí)長(zhǎng)。持荷時(shí)間不得小于1 h，最大荷載之前每級(jí)最多2 h，最大荷載為24 h。

前9級(jí)加載時(shí)，達(dá)到穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)和本級(jí)時(shí)長(zhǎng)中的任一項(xiàng)便可施加下一級(jí)荷載。在第10級(jí)最大荷載作用下，同時(shí)滿(mǎn)足兩項(xiàng)條件才認(rèn)為滿(mǎn)足了設(shè)計(jì)要求，可以正常卸載。

卸載均分5級(jí)進(jìn)行，每級(jí)持荷時(shí)間30 min，卸載至零后可延長(zhǎng)觀(guān)測(cè)時(shí)間至60 min。

此處，位移變化≤0.25 mm/h的穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)和最大荷載之前持荷2 h的要求，越南TCVN規(guī)范和美國(guó)ASTM規(guī)范的規(guī)定相同；最大荷載作用下持荷24 h，越南TCVN規(guī)范并無(wú)此項(xiàng)規(guī)定，美國(guó)ASTM規(guī)范則有此項(xiàng)可供選擇。

(2) 測(cè)讀時(shí)間

在每級(jí)荷載作用下，按下列間隔測(cè)讀位移：

① 0～30 min，每隔10 min測(cè)讀；② 30～60 min，每隔15 min測(cè)讀；③ 60～600 min(10 h)，每隔60 min測(cè)讀；④ >600 min(10 h)，每隔120 min測(cè)讀。

此處，位移測(cè)讀時(shí)間來(lái)自越南TCVN規(guī)范。

(3) 終止加載條件

上、下段樁的終止加載條件有如下6項(xiàng)：① 荷載不變，位移持續(xù)增大；② 經(jīng)24 h仍未滿(mǎn)足位移增量≤0.25 mm/h；③ 位移值達(dá)到樁徑的10%(120 mm)；④ 本級(jí)總位移不小于上級(jí)總位移的5倍；⑤ 加載至6 000 kN且位移穩(wěn)定；⑥ 樁身材料破壞。

此處，終止加載條件并非完全對(duì)應(yīng)越南TCVN規(guī)范或美國(guó)ASTM規(guī)范的條款，而是設(shè)計(jì)方結(jié)合該項(xiàng)目特點(diǎn)具體給出的要求。

4.3 基于中國(guó)規(guī)范的實(shí)施方案

該項(xiàng)目的正式實(shí)施，按中國(guó)JT/T 738-2009《基樁靜載試驗(yàn) 自平衡法》進(jìn)行。試驗(yàn)過(guò)程中的荷載分級(jí)、位移觀(guān)測(cè)、穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)、終止加載條件等詳見(jiàn)參考文獻(xiàn)[2]，此處不贅述。

5 試驗(yàn)過(guò)程和結(jié)果

5.1 試驗(yàn)過(guò)程

試樁TP1于2018年4月9日開(kāi)始試驗(yàn)，分級(jí)荷載2×300 kN，第一級(jí)按分級(jí)荷載的2倍施加。當(dāng)加載至試驗(yàn)要求的最大荷載2×3 000 kN時(shí)，持荷2 h達(dá)到穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)，荷載箱處向下位移19.17 mm，向上位移2.56 mm，樁頂位移0.43 mm，滿(mǎn)足加載終止條件；之后分5級(jí)卸載。

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的荷載-位移曲線(xiàn)見(jiàn)圖4。

圖4 實(shí)測(cè)荷載-位移曲線(xiàn)

5.2 結(jié)果分析

(1) 承載力發(fā)揮

由樁基承載力發(fā)揮機(jī)理可知，樁側(cè)摩阻力充分發(fā)揮所需的位移，黏性土為5～10 mm，砂土為10～20 mm；樁端承載力充分發(fā)揮所需位移約為樁徑的10%，即該試樁為120 mm左右。

從地層分布情況和測(cè)試曲線(xiàn)可知，上段樁對(duì)應(yīng)土層為黏土和細(xì)砂，試驗(yàn)產(chǎn)生的最大位移僅2.56 mm，遠(yuǎn)小于側(cè)阻充分發(fā)揮所需的位移，因此上段樁側(cè)阻并未完全發(fā)揮；下段樁樁側(cè)土層為黏土和細(xì)砂，樁端持力層為細(xì)砂，試驗(yàn)產(chǎn)生的最大位移為19.17 mm，可見(jiàn)其側(cè)阻已發(fā)揮較完全，但端阻仍未充分發(fā)揮。

總體來(lái)看，此次試驗(yàn)僅按設(shè)計(jì)要求對(duì)工程樁承載力進(jìn)行了檢驗(yàn)，并未測(cè)出試樁TP1真正的極限承載力。

(2) 極限承載力

按中國(guó)自平衡標(biāo)準(zhǔn)，此種情況下可根據(jù)最大加載值給出試樁的極限承載力，所得結(jié)果是偏于安全、保守的；美國(guó)O-cell法則不是根據(jù)加載值直接計(jì)算極限承載力，而是要結(jié)合樁頂?shù)刃мD(zhuǎn)換曲線(xiàn)來(lái)判斷。

根據(jù)JT/T 738-2009《基樁靜載試驗(yàn) 自平衡法》，試樁的極限承載力Pu(kN)按式(1)計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)表3：

Pu=(Quu-W)/γ+Qlu

(1)

式中:Quu、Qlu分別為上、下段樁的加載極限值(kN);W為上段樁有效自重(kN);γ為修正系數(shù)。

表3 試樁TP1極限承載力

試樁TP1的極限承載力6 087 kN>6 000 kN，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

(3) 等效轉(zhuǎn)換曲線(xiàn)

不論是美國(guó)O-cell法還是中國(guó)自平衡法，總體上都是按照上、下段樁位移大小相等時(shí)荷載相加的原則進(jìn)行等效轉(zhuǎn)換。對(duì)試樁TP1而言，其上段樁最大位移明顯小于下段樁最大位移，因此需對(duì)數(shù)據(jù)處理后才能轉(zhuǎn)換。

按照美國(guó)O-cell法，應(yīng)先將上段樁的荷載-位移曲線(xiàn)外推至與下段樁位移量相等，然后再對(duì)荷載進(jìn)行疊加，計(jì)算樁身壓縮量等?，F(xiàn)上段樁的實(shí)測(cè)最大位移為2.56 mm，若將其外推至下段樁的最大位移19.17 mm，外推量為實(shí)測(cè)最大位移的7倍多，所得結(jié)果不一定安全可靠。同時(shí)，O-cell法基于等效轉(zhuǎn)換曲線(xiàn)給出承載力，此種情況下也不一定是安全的。

從安全保守的角度考慮，進(jìn)行等效轉(zhuǎn)換時(shí)，可假定在最大荷載作用下，試樁TP1的上段樁向上陡變破壞，此時(shí)可按式(2)、(3)計(jì)算樁頂?shù)刃Ш奢dP(kN)和樁頂沉降s(m)：

P=(Qu-W)/γ+Ql

(2)

(3)

式中:sl為荷載箱處向下位移(m);L為上段樁樁長(zhǎng)(m);Ep為樁身彈性模量(kPa);Ap為樁身橫截面面積(m2)。

由此得到的等效樁頂荷載-沉降曲線(xiàn)見(jiàn)圖5。

圖5 等效樁頂荷載-沉降曲線(xiàn)

由圖5可知：在樁頂設(shè)計(jì)荷載3 000 kN作用下，對(duì)應(yīng)樁頂沉降為3.49 mm；在2倍設(shè)計(jì)荷載6 000 kN作用下，保守估計(jì)的沉降量為22.07 mm。

6 結(jié)論

(1) 對(duì)于淺表地基軟弱，周邊又無(wú)合適的工程樁提供反力的情況，采用堆載法或錨樁法進(jìn)行試樁的代價(jià)較高，此時(shí)自平衡法具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

(2) 越南TCVN規(guī)范對(duì)預(yù)加載有明確要求，其穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)、持荷時(shí)間、位移測(cè)讀時(shí)間、終止加載條件均有別于中國(guó)規(guī)范。

(3) 中國(guó)自平衡標(biāo)準(zhǔn)可以根據(jù)加載值直接給出試樁極限承載力，美國(guó)O-cell法則需結(jié)合等效轉(zhuǎn)換曲線(xiàn)判斷。

(4) 美國(guó)O-cell法和中國(guó)自平衡法，都是按照上、下段樁位移大小相等時(shí)荷載相加的原則進(jìn)行等效轉(zhuǎn)換。當(dāng)上、下段樁最大位移明顯不等時(shí)，O-cell法先對(duì)位移較小者外推，由此得到的承載力不一定安全可靠。從保守角度考慮，可假定在最大荷載作用下位移較小者發(fā)生陡變破壞，由此得到的結(jié)果是偏安全的。