新型管樁靜載反力裝置在試樁工程中的應用

許 濤

(山西省交通規(guī)劃勘察設計院有限公司，山西 太原 030032)

0 引言

混凝土管樁相較于其他樁型，有著工程造價低、樁承載力高且質量可靠、應用范圍廣等諸多優(yōu)點，在國內外的樁基工程建設中受到了越來越多的青睞。管樁豎向抗壓靜力載荷試驗的目的主要是檢驗管樁樁體在實際工程中的豎向抗壓承載力，是施工中必不可少的環(huán)節(jié)。以往的管樁靜力載荷試驗中，反力裝置通常采用壓重平臺反力裝置及錨梁反力裝置，這兩種反力裝置費時費力，也存在著不小的安全隱患，亟需進行改進和創(chuàng)新。

1 傳統(tǒng)靜載反力裝置存在的問題

傳統(tǒng)靜載反力裝置主要存在的問題如下：

1)工期長：壓重平臺反力裝置靠上部荷載提供反力，上部荷載的搭裝及拆裝過程繁瑣且過程持續(xù)時間長。錨梁反力裝置中管樁樁頭的連接涉及混凝土澆灌養(yǎng)護及焊接作業(yè)，占用大量工期。

2)便攜性差：壓重平臺反力裝置與錨梁反力裝置設備沉重，運輸和安裝都需要運用大噸位的吊車及運輸設備，安裝時間長且需動用較多的人力物力。

3)可靠性低：壓重平臺反力裝置搭設過程中危險系數高，搭裝不到位易導致試驗過程中發(fā)生坍塌事故,造成財產損失和人員傷亡。目前錨梁反力裝置連接采用插筋灌混凝土做法，由于管樁中空部分面積小，插筋后灌注質量不能得到有效控制，易導致試驗時出現鋼筋被拔出，試驗不能繼續(xù)進行的現象。采用鋼筋進行連接時，需利用鋼筋與設備進行焊接，焊口的焊接質量直接影響著試驗的安全性。

4)造價高：壓重平臺反力裝置運輸費用高昂，且搭裝需動用大型吊車，導致安裝成本高。錨梁反力裝置插筋灌注法涉及人力物力較多，上部裝置連接通常采用錨桿或鋼筋，錨桿重量較大，需動用吊車等大型機械；鋼筋作為連接手段時，重復利用率低，不可避免會造成鋼筋材料的浪費。

2 國內外研究現狀

單樁靜力載荷試驗是在工程現場進行的一種試驗，是目前應用最為廣泛的測定樁體承載力的試驗方法。試驗原理為對樁體施加一定的垂直壓力，通過測定樁體在不同的荷載作用下的沉降，獲得相應的Q—S,S—lgt曲線等數據成果。對數據成果進行分析后便可以得出所測樁體的單樁抗壓承載力特征值等相關參數。

目前國內外還沒有針對管樁樁頭的連接裝置、反力裝置及兩種裝備的連接手段開展深入的研究。

2.1 反力裝置研究現狀

在國內的管樁靜力載荷試驗中，通常采用的反力裝置包括壓重平臺反力裝置、錨樁反力梁裝置[1]。

壓重平臺反力裝置是一種使用比較廣泛的反力裝置，適合于不配筋或少配筋的樁，目前國內大多數檢測機構都配備此裝置。但是堆載反力梁裝置中堆重物的重量由支撐墩傳遞到了地面上，從而使樁周土受到了一定影響，影響深度較大，容易發(fā)生整體沉降[2]。而且一般平臺上部堆載重量較大時，對應的荷載安裝時間會變長。設備安裝過程需配備吊裝設備，直接導致試驗的準備工作成本較高。

錨樁反力梁裝置特別適用于大噸位的試樁，且相對壓重平臺反力裝置來說能夠節(jié)約成本。但是在試驗過程中會出現鋼筋崩斷或焊點開裂的突發(fā)狀況，需立即卸掉荷載，重新連接設備后再進行重新加荷。這對安裝作業(yè)人員專業(yè)性要求較高，稍有疏忽輕則耗費時間，重則導致安全事故的發(fā)生。

2.2 管樁連接研究現狀

傳統(tǒng)錨樁反力裝置中管樁樁頭的連接方法為插筋灌注法，即在管樁的中空部分插入一定數量的鋼筋并進行一定深度的混凝土灌注，待混凝土養(yǎng)護達到設計強度后進行上部反力梁和鋼筋的焊接，從而實現連接的目的。管樁樁頭[3]便攜連接裝置能夠脫離鋼筋混凝土，直接將管樁樁頭與反力裝置進行連接。省去了混凝土澆灌及養(yǎng)護環(huán)節(jié)，從而大幅度縮短工期。

2.3 反力裝置連接研究現狀

在反力裝置的連接方法上，國內外的靜力載荷試驗中通常采用錨桿及鋼筋進行連接，目前無有效的改進手段。

3 新型管樁靜載反力裝置

3.1 設計原理

新型管樁靜載反力裝置主要是借鑒傘狀反力裝置的連接方式將錨樁的抗拔力作為反力來為試樁提供壓力。管樁樁頭主要通過管樁樁頭便攜連接裝置進行連接，通過錨具和錨索將整個反力裝置連接，通過建立作用力與反作用力體系為試樁提供靜力載荷。

新型管樁靜載反力裝置主要由管樁樁頭便攜連接裝置、錨索連接樞紐、豎向傳力桿、水平反力平衡構件四個構件構成，通過錨索與錨具將四個構件連接。

整個反力裝置外觀示意圖見圖1，借鑒傘狀地錨反力裝置的外形，將整個反力裝置如傘狀進行布置。通過錨具與錨索將管樁樁頭便攜連接裝置與錨樁連接，通過錨索連接樞紐裝置、豎向傳力桿、千斤頂與試樁建立傳力體系。

千斤頂作用試樁為試樁提供壓力的同時，會對豎向傳力裝置傳遞反作用力。反作用力作用在錨索連接樞紐裝置上，會對錨索產生拉力，錨索連接錨樁，通過錨樁進行克服。

拉力方向為斜向，豎直方向的力通過錨樁的抗拔力克服，水平方向的力通過水平反力平衡裝置進行克服。

3.2 管樁樁頭便攜連接裝置

管樁樁頭便攜連接裝置作用原理如下：管樁因為其特殊制作工藝會在樁頭法蘭盤上預留螺口[4](如圖2所示)，管樁樁頭便攜連接裝置便是將與樁頭相同尺寸的法蘭盤與外側錨筒相連，利用高強螺絲將連接裝置的法蘭盤與樁頭的法蘭盤固定(如圖3所示)，再利用鋼筋將管樁樁頭便攜連接裝置與靜載反力裝置連接，連接手段為鋼筋焊接(如圖4所示)。通過巧妙利用管樁樁頭預留的螺口，減去了管樁靜載試驗中必需加入的灌注混凝土環(huán)節(jié)，從而大大節(jié)省了工期及施工成本。

3.3 錨索連接樞紐裝置

傘狀反力裝置主要是通過“傘頭”部位將錨索的拉拔力集中，通過“傘頭”將力傳遞給試樁。錨索連接樞紐的作用便是將多條錨索的拉力集中，并將錨索拉力的合力轉換為對試樁的壓力。錨索連接樞紐裝置由上下兩部分構成，兩部分通過中間的球形萬向輪連接，可隨意進行角度、方位的調整。上下兩部分可由混凝土澆灌而成，中間預埋具有一定弧度的鋼管，鋼管的直徑應滿足各種直徑錨索進行穿插。鋼管的數量可考慮預期進行的最大噸位進行設計。錨索連接樞紐的示意圖見圖5。

3.4 豎向傳力桿

豎向傳力桿處在錨索連接樞紐裝置與千斤頂及試樁的中間，主要是用于傳遞豎向的壓力。豎向傳力桿需保持豎直且要求強度滿足試驗需求，以確保傳遞應力方向保持豎直方向，力的方向發(fā)生偏移將會導致力的不對中，可能會導致工程事故的發(fā)生。

3.5 水平反力平衡裝置

傘狀反力裝置會對錨樁的樁頭作用水平方向的力，該力若不克服，將會對錨樁產生水平方向的位移，過大的話甚至會產生樁頭的破裂。

如圖6所示，水平反力平衡裝置便是為了克服傘狀反力裝置對錨樁樁頭產生的水平力而設置。構件設置于試樁與錨樁之間，以試樁為中心對稱分布，從而使兩側水平力相互抵消。構件緊貼樁體布置，中間可斷開，樁間距不同時可在中間塞入墊塊進行調整。

4 工程應用

某工程地貌單元屬高原丘陵梁峁、殘塬沖溝地形，站址地處殘塬塬面上，地形較平緩開闊，略有起伏，地面標高在1 248.00 m～1 258.00 m之間。該工程擬采用預制混凝土管樁對地基進行處理，需通過試樁確定該地區(qū)適宜樁型。

根據地質剖面圖可判斷，試樁區(qū)所處地層情況為：0 m～10.50 m為①-1層黃土狀粉土，10.50 m～15.40 m為①-2層黃土，15.40 m～27.5 m為②層黃土，27.5 m～35 m為③層黃土。試樁均為預應力高強混凝土管樁,共分3組進行，每組3根,具體參數見表1。每組試樁均需進行單樁豎向抗壓靜載荷試驗及單樁豎向抗拔靜載荷試驗。

表1 試樁參數表

該項目試樁工作中，涉及樁頭和上部反力梁連接的試驗項目有豎向抗壓靜載荷試驗和豎向抗拔靜載荷試驗。應用錨梁反力裝置對管樁進行靜載試驗時[5]，管樁需采用插筋灌漿法進行試驗。進行一次靜載試驗時，前期的設備安裝時間統(tǒng)計見表2。

表2 錨梁法準備時間統(tǒng)計表 d

出于節(jié)省成本的考慮，試驗過程中部分試樁還需作為錨樁提供反力，導致樁頭的插筋混凝土灌注工作不能一次性完成，涉及樁頭混凝土灌注的次數前后需進行3次。不計入試驗時間，僅準備工作就需耗費時間近100 d。

應用新型管樁靜載反力裝置將不需進行插筋灌注混凝土工作，省去了混凝土灌注及養(yǎng)護環(huán)節(jié)，僅需考慮設備安裝時間。將使原準備時間100 d縮短至5 d～7 d，大大節(jié)省時間成本。

5 結語

通過在實際工程中的應用發(fā)現：與傳統(tǒng)反力裝置對比，應用新型管樁靜載反力裝置可以實現如下改進：1)能夠整體提高靜載試驗的安全性，便捷性，易操作性；2)能節(jié)省材料，提高材料的重復利用率，減少大型設備的投入，降低試驗成本和施工成本；3)能夠節(jié)省工期，提高工作效率和工作質量，提高工程建設效率和效益。