自平衡法在鉆孔樁極限荷載測試中的應(yīng)用

徐傳毅

（中鐵東方國際集團有限公司 MRT2，吉隆坡 43200）

0 引言

目前，國內(nèi)外對于自平衡實驗的研究越發(fā)全面，自平衡實驗在單樁上的應(yīng)用也朝著樁徑更大，樁體更長的方向發(fā)展，有水下灌注樁，也有干挖鉆孔樁。限于現(xiàn)場場地的空間大小、實驗設(shè)備的組裝難度、復(fù)雜的地質(zhì)條件，常見的靜荷載實驗方法（堆荷法、反力梁錨樁法）已難以實現(xiàn)單樁承載力實驗，下面就馬來西亞吉隆坡地區(qū)肯尼山地質(zhì)條件下的旋挖鉆孔樁自平衡實驗的應(yīng)用與研究做簡要分析。

1 肯尼山地質(zhì)與土側(cè)摩擦力的關(guān)系

肯尼山地質(zhì)，（Kenny Hill formation），具有 “一致性”特點，地層多為堅固的沙與石頭，一般情況下挖掘時不會出現(xiàn)地層本身的空洞現(xiàn)象或產(chǎn)生坍塌，所以更容易進行隧道挖掘工程，是較為常見的一種地形。在馬來西亞吉隆坡 2014 年進行捷運系統(tǒng)的地下挖掘時，從武吉免登站與人民廣場站形成了地層分割，武吉免登站方向的地質(zhì)為肯尼山地質(zhì)，較為容易挖掘。本次研究是基于馬來西亞吉隆坡捷運二期大馬城南站的結(jié)構(gòu)旋挖鉆孔樁的樁基荷載實驗進行的，也同樣處于肯尼山地質(zhì)情況。

不同的地質(zhì)情況會影響樁體本身和土層的側(cè)面摩擦力，從而影響自平衡實驗中液壓千斤頂在鋼筋籠中的位置定位，這取決于土壤數(shù)據(jù)的靜態(tài)分析。液壓千斤頂?shù)亩ㄎ粚⒈挥糜谟嬎闼鶞y試樁的預(yù)期樁體與地層表面摩擦力和端頭承載力。

理想狀態(tài)下，液壓千斤頂?shù)慕M裝位置應(yīng)位于整體樁的承載力的平衡位置（液壓千斤頂以上表面摩擦力=液壓千斤頂以下表面摩擦力+端頭承載力）。液壓千斤頂?shù)亩ㄎ唤M裝主要目的是平衡樁體的自平衡力，這樣樁體內(nèi)的自平衡受力不會在某個方向上的承載力過大或者過小而失去平衡導(dǎo)致實驗失敗。具體的定位要求根據(jù)地質(zhì)情況進行計算。

本研究是基于肯尼山地質(zhì)特點進行 BP2a 旋挖鉆孔樁的自平衡實驗應(yīng)用。采用的實驗方法是自平衡試樁法，其主要裝置是一種特備設(shè)計的可用于加載的荷載箱，荷載箱主要有兩種形式，一種是主要由千斤頂組、頂蓋、底蓋三部分組成；另一種是采用特殊的方法實現(xiàn)液壓腔體的密封，從而產(chǎn)生大截面的加壓腔體，并且通過疊加式的壓力單元結(jié)構(gòu)，可實現(xiàn)超過荷載箱原始高度的行程［1］。

2 鉆孔樁及自平衡實驗裝置的施工安裝工藝

現(xiàn)場鋼筋籠提前 2 d 加工完成，液壓千斤頂用 T16 鋼筋焊接綁扎在鉆孔樁鋼筋籠的加強筋上（在圖紙要求的鋼筋以外的鋼筋，主筋不允許焊接，會降低鋼筋強度），焊接的位置取決于計算設(shè)計值。具體流程如下：①鉆孔樁 BP2a 坐標現(xiàn)場定位；②旋挖鉆機下 40 mm 厚 1 220 mm 直徑雙壁護筒；③旋挖鉆機鉆孔，全護筒干挖施工至設(shè)計底標高；④清理孔底，監(jiān)理驗孔、鋼筋籠、巖石取芯點荷載強度檢查（要求每0.5 m 取一組 5 個巖石樣本，一組巖石點荷載強度不小于3 MPa）；⑤檢驗通過后下放鋼筋籠；⑥澆筑 C40S4 混凝土，控制澆筑標高，需超灌至少 0.6 m。

該旋挖鉆孔樁的基本參數(shù)如下：樁號：BP2a；設(shè)計巖面標高（根據(jù)溶洞探測標高得到）：+18.14 mRL；設(shè)計入巖深度：5 m；設(shè)計底標高：+13.14 mRL。

其實際情況如下：護筒頂標高（留一節(jié)護筒高于地面標高+32.97 mRL）：+33.84 mRL，截樁標高：+24.955 mRL；巖面標高：+22.47 mRL；入巖深度：9.6 m；底標高：+12.87 mRL；千斤頂安裝位置標高：+14.37 mRL（根據(jù)計算定為實際底標高向上1.5 m）?；炷晾碚摑仓搅浚?3.22 m3，實際澆筑方量：18 m3，符合所有設(shè)計要求。7 d 后 BP2a 混凝土強度達到 40 MPa，達到實驗要求，可以開始自平衡實驗。

3 實驗過程、結(jié)論

3.1 儀器設(shè)備準備

儀器設(shè)備包括指示信號線、液壓油管、注漿管、電焊機、液壓千斤頂、壓力傳感器、線性可變位移傳感器、支撐橫梁、物理水平計量器、數(shù)據(jù)采集顯示器、液壓泵。

3.2 儀器設(shè)備安裝

液壓管、指示信號線、注漿管（用于在自平衡實驗后產(chǎn)生的樁體分隔區(qū)注漿填補空隙）和聲測管（用于檢測樁體完整性）都將安裝附著在鋼筋籠上。根據(jù)鋼筋籠總長度，鋼筋籠的加工將分成幾部分進行，在鋼筋籠的下放過程中拼接加固。液壓千斤頂放置于平整的地面上，將第一節(jié)鋼筋籠垂直吊起后與液壓千斤頂拼合并焊接加固，再連接液壓油管和信號線在液壓千斤頂上，安裝過程要小心管線。

3.3 實驗過程

試驗過程主要集中于安裝、測試 1 180 mm 樁徑的旋挖鉆孔灌注樁，客觀的實驗是為了獲得旋挖鉆孔樁的設(shè)計參數(shù)，該實驗將以單個水平標高的自平衡實驗配置來執(zhí)行在英標體系下的標準。

1）材料：C32/40-20 混凝土、鋼筋籠。

2）設(shè)計施工數(shù)據(jù)。樁號：BP 2 a，設(shè)計巖面標高：+18.14 mRL，設(shè)計入巖深度：5 m，設(shè)計底標高：+13.14 mRL。

3）實際施工數(shù)據(jù)。套筒頂標高：+33.84 mRL；地面標高：+32.97 mRL；截樁標高：+24.955 mRL；巖面標高：+22.47 mRL；入巖深度：9.6 m；底標高：+12.87 mRL；千斤頂安裝標高：底標高以上 1.5 m。

4）混凝土設(shè)計方量：13.22 m3；實際方量：18 m3。5）樁的單倍工作荷載：9 000 kN；樁的雙倍極限測試荷載：18 000 kN。

液壓千斤頂?shù)奈恢枚ㄎ蝗Q于土壤數(shù)據(jù)的靜態(tài)分析。液壓千斤頂?shù)亩ㄎ粚⒈挥糜谟嬎闼鶞y試樁的預(yù)期樁體與地層表面摩擦力和端頭承載力。

理想狀態(tài)下，液壓千斤頂?shù)慕M裝位置應(yīng)位于整體樁的承載力的中間位置（表面摩擦力+端頭承載力）。液壓千斤頂?shù)亩ㄎ唤M裝主要目的是平衡樁體的自平衡力，這樣樁體內(nèi)自平衡在某一個方向上的承載力測試失敗不會過早的發(fā)生。具體的定位要求是來自樁的設(shè)計和土質(zhì)情況。

使用校準后的刻度壓力計來檢測液壓千斤頂讀數(shù)，用這種方式來導(dǎo)出旋挖鉆孔樁在自平衡實驗過程中的承載力數(shù)值。

液壓千斤頂?shù)奈灰朴嬃坑蓚鞲芯€傳輸，分為上下兩個部分，傳感線的末端將連接在 LVDT（線性垂直位移轉(zhuǎn)換器）來檢測位移變化：樁頭頂部放置 4 個位移傳感器；液壓千斤頂上部 3 個位移傳感器；液壓千斤頂下部 3 個位移傳感器。

LVDT 的檢測范圍在 0～50 mm 之間，精度在0.01 mm。

旋挖鉆孔樁自平衡實驗將在樁的混凝土強度達到要求后進行（至少在澆筑完成的 7 d 后），以保證在試驗后能維持樁體最大強度要求。液壓千斤頂使用液壓系統(tǒng)進行內(nèi)部增壓，在鉛垂線方向向上產(chǎn)生豎向摩擦力，并且同時產(chǎn)生向下的較小豎向摩擦力和樁基承載力，總和等于向上的豎向摩擦力（見圖 1）。

圖1 樁的自平衡受力示意圖

自平衡試驗循環(huán)荷載設(shè)計值是根據(jù)規(guī)范及測試專業(yè)團隊建議進行安排，先從 0 至單倍荷載，再減壓至 0 后，提升至 2 倍，測試荷載最高達到樁體單倍荷載的 2 倍大小，并在荷載大小變化的不同階段維持不同的時間，本次試驗樁體設(shè)計標準工作荷載為 9 000 kN，試驗實際達到了 18 000 kN 的測試荷載，試驗總時長 7.67 h（見圖 2）。

圖2 自平衡實驗循環(huán)荷載設(shè)計值

液壓千斤頂在安裝之前需根據(jù)平衡受力位置進行計算，根據(jù)土體和巖石的不同摩擦受力情況計算出液壓千斤頂上部與下部的荷載值，再結(jié)合千斤頂能夠提供的壓力值，確定出千斤頂?shù)钠胶馕恢?，達到最終實驗?zāi)康模ㄒ妶D 3）。

圖3 樁的平衡受力位置估算表

實驗裝置中的定位鋼管、定滑輪、位移指示器、磁吸底座、計數(shù)器、液壓泵、標準梁、液壓油管、千斤頂?shù)仍诂F(xiàn)場根據(jù)安裝設(shè)計圖進行排布（見圖 4）。在樁體上部、千斤頂上部和千斤頂下部根據(jù)樁體直徑分別安裝不同數(shù)量的傳感器，其中本實驗中的鉆孔樁直徑為 1 180 mm，根據(jù)表格數(shù)據(jù)應(yīng)該安裝的傳感器數(shù)量分別為 4 個（樁體上部）、3 個（千斤頂上部）、3 個（千斤頂下部）。

圖4 液壓千斤頂及傳感器安裝設(shè)計圖

3.4 實驗通過分析及結(jié)論

根據(jù)試驗應(yīng)進行兩次循環(huán)達到 200 % 工作荷載（18 000 kN）后卸壓，其實驗結(jié)果應(yīng)同時滿足以下 3 點要求（英標規(guī)范要求）。

1）首次 0 % 荷載的平均糾偏值（Average corrected settlement）為 0 mm。單倍工作荷載循環(huán)的殘余沉降（residual settlement）為 1.2-0=1.2 mm＜6 mm。

實驗結(jié)果，殘余沉降均未超過 6 mm，符合規(guī)范：樁頂殘余沉降，在最終釋放工作荷載后，不超過 6 mm。

圖5 為千斤頂單側(cè)荷載值在時間變化下的曲線，根據(jù)荷載循環(huán)設(shè)計的要求有不同的維持時間，使曲線呈現(xiàn)階梯式變化，可以看到第一次循環(huán)的單側(cè)壓力為 4 500 kN，第二次循環(huán)的單側(cè)壓力為 9 000 kN，滿足試驗要求。

圖5 荷載-時間曲線

2）在單倍工作荷載下，泄壓后最大樁頂沉降值為：4.0-0=4.0 mm＜12 mm。

實驗結(jié)果，最大樁頂沉降未超過 12 mm，符合規(guī)范：工作荷載時最大樁頂沉降不超過 12 mm。

圖6 為千斤頂上部與下部及樁頂位移值在單側(cè)荷載變化下的曲線，上部位移和下部位移在不同試驗荷載下的變化量之和即為總的位移量。樁頂位移變化由圖 6 可見其峰值滿足試驗要求。

圖6 荷載-位移曲線

3）在 2 倍工作荷載下，泄壓后最大樁頂沉降值為：9.38-0=9.38 mm＜38 mm。

實驗結(jié)果，最大樁頂沉降未超過 38 mm，符合規(guī)范：兩倍工作荷載的最大位移量不超過樁徑的 10 %（D＞380 mm）或不超過 38 mm（D≤380mm）。

圖7 為千斤頂上部與下部及樁頂位移值在試驗時間變化下的曲線，兩處峰值分別在單倍和雙倍工作荷載的時間范圍。

圖7 位移-時間曲線

圖8 為不同荷載下泄壓樁頂、樁底沉降的變化曲線，由該圖 8 可以得到樁頂沉降值在單倍荷載和雙倍荷載下的具體數(shù)值，可見在 18 000 kN 荷載下，樁頂沉降值達到了 9.38 mm。

圖8 極限（雙倍）荷載-沉降曲線

分析上述試驗結(jié)果，試驗區(qū)域肯尼山地質(zhì)條件下（Kenny Hill formation）的旋挖鉆孔樁阻力特征值達到18 000 kN，滿足設(shè)計要求。

3.5 實驗失敗終止標準

本次試驗屬于成功試驗示范，在結(jié)構(gòu)受力樁上取得相應(yīng)試驗結(jié)果，若在試驗中出現(xiàn)以下異常數(shù)據(jù)，應(yīng)考慮及時終止試驗，避免危險事件發(fā)生。

1）在達到極限承載力之前，已達到預(yù)先確定的設(shè)計試驗荷載并完成實驗周期。

2）在試樁上、下方向的受力均超過樁身的極限設(shè)計承載力。

3）樁體形變達到樁徑 5 % 或液壓千斤頂 120 mm 最大行程的較小值（如果需要卸載周期，液壓千斤頂最大行程應(yīng)限制在 80 mm，以便活塞在卸載過程中恢復(fù)）。

4）達到液壓千斤頂?shù)臉O限壓力。

4 結(jié)語

自平衡法以其經(jīng)濟、安全、快捷、簡便的優(yōu)點，在大直徑混凝土灌注樁的承載力檢測中發(fā)揮著極大的優(yōu)勢。工程實踐表明，應(yīng)用該試驗方法對大直徑混凝土灌注樁的承載力進行現(xiàn)場試驗的結(jié)果，可以滿足實際工程需要［2］。BP2a 旋挖鉆孔樁進行了完整的荷載實驗過程，未達到實驗失敗終止標準。實驗證明，在馬來西亞肯尼山地質(zhì)條件下，施工完成的旋挖鉆孔樁可以達到實驗規(guī)范要求的極限荷載，適宜使用自平衡法進行樁的極限荷載實驗，但是分析認為樁體的位移數(shù)據(jù)太小，不足以完全表現(xiàn)樁體的側(cè)向摩擦力，導(dǎo)致本次試驗獲得的承載力較為保守，在今后的實驗研究中需繼續(xù)積累資料數(shù)據(jù)，提高精度。Q