基于O-cell試驗(yàn)的基樁形式優(yōu)化分析

李 闖

(黑龍江省龍建路橋第一工程有限公司，黑龍江 哈爾濱 150028)

1 緒 論

PAIRA橋采用鋼筋混凝土現(xiàn)澆鉆孔樁群作為本項(xiàng)目的基樁形式，根據(jù)經(jīng)過(guò)計(jì)算的橋梁上部結(jié)構(gòu)荷載，在不同墩位置采用不同直徑的現(xiàn)澆鉆孔樁。所有引橋墩使用1.5 m直徑的現(xiàn)澆鉆孔樁，主墩位置P17，主墩位置P18，主墩位置P19，以及過(guò)渡墩位置P16，過(guò)渡墩位置P20這五個(gè)位置分別采用3.5 m直徑和2.5 m直徑的現(xiàn)澆鉆孔樁。

2 O-cell試驗(yàn)

2.1 O-cell試驗(yàn)的應(yīng)用背景

按照原始設(shè)計(jì)要求，主橋樁和引橋樁混凝土強(qiáng)度都是C35級(jí)，對(duì)于橋梁基礎(chǔ)3.5 m直徑、2.5 m直徑、1.5 m直徑樁配備的都是高應(yīng)變鋼筋(60級(jí)/420 MPa)。不同之處在于：主河道P17，P18，P19(這3個(gè)主墩位置均涉水，其中P17&P19在岸邊，P18處在河流中央)各采用6根3.5 m直徑，130 m長(zhǎng)鋼筋混凝土現(xiàn)澆鉆孔樁，合計(jì)18根樁，且采用60 m長(zhǎng)，50 mm厚的永久鋼護(hù)筒，作為樁基沖刷防護(hù)。P16&P20(這兩個(gè)過(guò)渡墩位完全處在陸地上)每個(gè)過(guò)渡墩各有4根2.5 m直徑，110 m長(zhǎng)鋼筋混凝土樁，也采用60 m長(zhǎng)，50 mm厚的永久鋼護(hù)筒，作為樁基沖刷防護(hù)。由于在深水中設(shè)置護(hù)筒時(shí)，其定位的準(zhǔn)確性較陸地上差，施工難度亦較大，故規(guī)定其在平面位置上的偏差可適當(dāng)放寬。

在該施工區(qū)域地質(zhì)情況主要為粉質(zhì)黏沙土情況下按照設(shè)計(jì)文件進(jìn)行澆筑的基樁承載能力是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求是項(xiàng)目成敗的關(guān)在所在，經(jīng)過(guò)多方商議最后選定通過(guò)奧斯托堡法也就是O-cell盒方法對(duì)試驗(yàn)樁進(jìn)行荷載試驗(yàn)。

2.2 O-cell原理

O-cell是液壓驅(qū)動(dòng)的大容量一次性加載裝置，安裝在基樁單元內(nèi)。當(dāng)將載荷施加到O-cell時(shí)，它開(kāi)始在兩個(gè)方向上工作：向上克服上側(cè)剪切力，向下克服底部阻力和下側(cè)剪切力做工。O-cell從土壤或巖石系統(tǒng)以及基礎(chǔ)本身獲取反映信號(hào)，而不受制于懸在上部的梁和系梁作用。

通過(guò)施加荷載使O-cell盒子產(chǎn)生向上向下兩個(gè)方向的力進(jìn)而使樁本身發(fā)生位移，借助預(yù)先設(shè)置的壓力表和傳感器可以得到軸向荷載-位移傳遞曲線(t-z曲線)以及樁端荷載-位移傳遞曲線(q-z曲線)。

2.3 PAIRA橋試驗(yàn)樁O-cell測(cè)試與分析

本項(xiàng)目于2017年2月19日對(duì)直徑為3 500 mm，長(zhǎng)度為132.72 m的試驗(yàn)樁進(jìn)行了荷載試驗(yàn)。具體方法是采用4個(gè)直徑均為870 mm的O-cell盒安裝在鋼筋籠里面距離樁底16.2 m處，安裝前O-cell盒都校準(zhǔn)至35.00 mN。

通過(guò)試驗(yàn)過(guò)程中回傳的壓力數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)時(shí)間線性關(guān)系比對(duì)繪制，我們得到O-cell施加荷載與位移圖1的位移(mm)與荷載(MN)的曲線圖2。

圖1 O-cell施加荷載與位移

圖2 等效頂部荷載-位移關(guān)系

從圖1中得到可持續(xù)的雙向施加最大可持續(xù)荷載是34.41 mN，此時(shí)O-cell盒的向上位移是1.01 mm，向下位移是190.92 mm。整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中實(shí)際測(cè)得的O-cell盒與應(yīng)力表之間最大滑壁摩擦是121 KPa，在底部產(chǎn)生的位移為183.85 mm時(shí)測(cè)得最大端部承載力是1 328 KPa。此次試驗(yàn)滑壁摩擦阻力和樁端部承載力和是54.81 mN。通過(guò)等效頂部荷載-位移曲線圖2分析得出出預(yù)測(cè)性結(jié)果為當(dāng)頂部施加80 mN荷載時(shí)，將發(fā)生121.7 mm的位移。值得注意的是由于此次試驗(yàn)中未能充分調(diào)動(dòng)起樁身上部的滑壁摩擦阻力，因此通過(guò)等效頂部荷載-位移曲線得出的分析結(jié)論可靠性非常保守。在此數(shù)據(jù)上設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了分析，認(rèn)為有必要對(duì)直徑為2 500 mm，長(zhǎng)度為130.30 m的試驗(yàn)樁進(jìn)行荷載試驗(yàn)，以對(duì)該施工區(qū)域的基樁形式進(jìn)行優(yōu)化有效性驗(yàn)證。

2.4 PAIRA橋優(yōu)化基樁的O-cell測(cè)試與分析

因此本項(xiàng)目于2017年12月21日對(duì)直徑為2 500 mm，長(zhǎng)度為130.30 m的試驗(yàn)樁進(jìn)行了荷載試驗(yàn)。具體方法是采用4個(gè)直徑均為690 mm的O-cell盒，兩個(gè)為一組分兩層安裝在鋼筋籠里，安裝前O-cell盒都校準(zhǔn)至35.00 mN，試樁布局如圖3a，O-cell布局如圖3b&3c。

圖3 試樁布局圖

試驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)壓力表和其它一起測(cè)定的壓力及相關(guān)數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)時(shí)間線性關(guān)系比對(duì)繪制，得到如下部O-cell荷載與位移圖4a，上部O-cell荷載與位移圖4b。

圖4 上下部O-cell荷載與位移圖

此次試驗(yàn)分為兩個(gè)階段進(jìn)行，第一階段向樁身下部，也就是下部O-cell盒子施加雙向荷載壓力，從圖4中得到測(cè)定的最大可持續(xù)的施加荷載是36.48 mN，此時(shí)測(cè)得安裝在下部O-cell盒的向上位移是3.16 mm，向下位移是76.76 mm。第二階段第一步，向樁身中部施加雙向荷載壓力從圖6中得到測(cè)定的最大可持續(xù)的施加荷載是52.16 mN，此時(shí)測(cè)得安裝在上部O-cell盒的向下位移是14.98 mm。第二階段第二步，向樁身上部施加雙向荷載壓力從圖7中可得到測(cè)定的最大可持續(xù)的施加荷載是44.38 mN，此時(shí)測(cè)得安裝在上部O-cell盒的向上位移是7.02 mm。整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中實(shí)際測(cè)得滑壁摩擦和樁端部承載力是和是132.70 mN。通過(guò)等效頂部荷載-位移曲線分析，如圖4我們得出預(yù)測(cè)性結(jié)果那就是當(dāng)頂部施加32 mN荷載時(shí)，將發(fā)生14.00 mm的位移，80 mN荷載時(shí)，將發(fā)生34.00 mm的位移。

圖5 等效頂部荷載-位移關(guān)系

出于此處的應(yīng)變析的目的，兩次試驗(yàn)中我們假定了O-cell組件在其膨脹力超過(guò)其上部樁身浮力后才對(duì)上下兩個(gè)相反方向施加荷載。因此，凈載荷(也就是O-cell組件總體施加的荷載減去其上部樁身浮力之后的荷載)被用來(lái)確定O-cell組件上部的滑壁摩擦阻力，并繪制等效的頂部載荷位移曲線。第一次Φ3 500 mm樁試驗(yàn)中，O-cell組件上部樁身浮力取14.01 mN；第二次Φ2 500 mm樁試驗(yàn)中，底部O-cell組件以上樁身浮力取9.80 mN，上部O-cell組件以上樁身浮力取7.78 mN。

3 結(jié) 論

根據(jù)豎向抗壓樁的分類(lèi)，按樁的承載力性狀可分為摩擦型樁和端承型樁，結(jié)合本項(xiàng)目實(shí)際情況，本橋?qū)儆谀Σ炼顺袠?。基?.5 m直徑和2.5 m直徑試驗(yàn)樁的O-cell試驗(yàn)結(jié)果分析，結(jié)合河床水文沖刷深度計(jì)算以及P17，P19位置地勘報(bào)告，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)審閱包括過(guò)渡跨在內(nèi)的主橋樁基設(shè)計(jì)后，修改了主橋基礎(chǔ)設(shè)計(jì)。在修改后的設(shè)計(jì)中使用2.5 m直徑的鋼筋混凝土現(xiàn)澆鉆孔樁代替3.5 m直徑的樁作為主橋樁基基礎(chǔ)，樁長(zhǎng)維持不變，也就是130 m。P17樁數(shù)量增至12，P18樁數(shù)量增至16，P19樁數(shù)量增至12。P18永久鋼護(hù)筒厚度維持50 mm不變，P17&P19鋼護(hù)筒厚度從50 mm減小至30 mm。過(guò)渡墩P16樁數(shù)量由4根增至6根，鋼護(hù)筒厚度由50 mm減小至30 mm；過(guò)渡墩P20樁數(shù)量由4根增至6根，鋼護(hù)筒厚度由50 mm減小至30 mm，這樣的基樁形式有利于增強(qiáng)PAIRA河粉質(zhì)黏沙土地質(zhì)條件下橋梁的穩(wěn)定性。

最終的試驗(yàn)結(jié)果滿足規(guī)范和設(shè)計(jì)要求。