大直徑鋼管樁水平靜載試驗(yàn)內(nèi)力變形測試及分析

胡興昊,王翔,蘭金平,吳佳琪

(1.中交四航工程研究院有限公司 廣州 510230;2.中交四航局第三工程有限公司 湛江 524009)

0 引言

大直徑鋼管樁以其豎向承載力大、水平抗彎性強(qiáng)和施工簡便等優(yōu)點(diǎn),一直是主要的基礎(chǔ)樁型,近年來在碼頭、海上風(fēng)電和鉆井平臺等工程中得到廣泛應(yīng)用。在這類工程中,除豎向荷載外,鋼管樁往往還因風(fēng)浪、地震和船舶撞擊等作用受到很大的水平力。因此,開展大直徑鋼管樁水平靜載試驗(yàn),探究其在水平力作用下的內(nèi)力變形規(guī)律愈發(fā)重要,相關(guān)研究也逐漸增多。勞偉康等[1]、龔維明等[2]和王其標(biāo)等[3]分別對直徑為1.2～2.8 m 的海上鋼管樁進(jìn)行水平靜載試驗(yàn);朱照清等[4]通過試驗(yàn)研究直樁和正反斜樁水平承載力的發(fā)揮特點(diǎn)及其異同;朱斌等[5]根據(jù)海上實(shí)際工況,采用循環(huán)荷載對鋼管樁進(jìn)行試驗(yàn);孫希等[6]通過實(shí)測數(shù)據(jù)對水平承載力理論及其數(shù)值模擬進(jìn)行深入研究。

在水平靜載試驗(yàn)中進(jìn)行鋼管樁樁身的內(nèi)力變形測試,往往利用預(yù)裝在鋼管樁樁身的應(yīng)變傳感器和測斜管來完成[7]。雖然已有的鋼管樁試驗(yàn)不乏內(nèi)力變形測試,但對傳感器和測斜管的安裝和保護(hù)等的具體方法鮮有說明。盡管在常規(guī)灌注樁試驗(yàn)時這類測試方法已較成熟[8],但對于鋼管樁等打入樁而言,傳感器往往因錘擊震動而大量損壞,測斜管也難以準(zhǔn)確安裝至與樁身變形相一致,這些因素都會對內(nèi)力變形測試造成不利影響。

本研究針對鋼管樁中傳感器和測斜管的安裝和保護(hù)問題,分別提出實(shí)用且可靠的具體方法,確保在錘擊數(shù)量多且能量大以及水土環(huán)境惡劣等情況下,鋼管樁的內(nèi)力變形測試能夠獲得準(zhǔn)確的結(jié)果;將該方法應(yīng)用于西非某碼頭工程中,進(jìn)行大直徑鋼管樁水平靜載試驗(yàn),并分析試驗(yàn)過程中鋼管樁的內(nèi)力變形情況,為該項目和類似項目的鋼管樁設(shè)計和施工提供參考依據(jù)。

1 工程和地質(zhì)概況

西非某新建板樁式碼頭前墻采用管板組合結(jié)構(gòu),因其受到很大的側(cè)向土壓力,須在后方設(shè)置后錨樁,通過拉桿提供水平反力。為試驗(yàn)后錨樁的水平承載力以及獲得土層的水平土抗力參數(shù),項目要求在開工前進(jìn)行后錨樁的水平靜載試驗(yàn),同時進(jìn)行樁身的內(nèi)力變形測試。試驗(yàn)樁為樁徑1.15 m、壁厚16 mm 的鋼管樁,樁長33.5 m,樁底標(biāo)高-27.5 m,由液壓錘打入。根據(jù)設(shè)計要求,試驗(yàn)前在鋼管樁內(nèi)標(biāo)高+2 m 以上樁身內(nèi)填灌C30混凝土,以模擬工程實(shí)際并加固樁頭。

根據(jù)地質(zhì)勘察資料,試驗(yàn)樁所在位置的地層由粗砂、中砂、細(xì)砂和黏土等組成,其中淺層±1～-7 m范圍存在砂土硬層,表現(xiàn)為沉樁困難。樁長范圍內(nèi)的土層分布情況如表1所示。

表1 試樁附近的地質(zhì)參數(shù)

2 測試元件的安裝和保護(hù)

2.1 傳感器和測斜管的布置

為測試鋼管樁受水平荷載時主要受力面的應(yīng)力變化情況,沿荷載方向在鋼管樁內(nèi)側(cè)對稱布置傳感器,在樁頂下每2米布置1組,共布置16組32個傳感器。同時,為減小測斜管保護(hù)角鋼對鋼管樁變形的影響,將測斜管布置在鋼管樁的中性軸位置,控制凹槽方向與水平力平行。具體布置方案如圖1和圖2所示。

圖1 傳感器和測斜管的斷面

圖2 安裝保護(hù)裝置后的樁尖

2.2 傳感器的安裝和保護(hù)方案

本試驗(yàn)采用光纖光柵應(yīng)變傳感器,其具有低溫敏、大量程和抗水壓等優(yōu)點(diǎn),能最大限度地減小安裝和試驗(yàn)過程中的高溫、大變形和高水壓對數(shù)據(jù)采集的不利影響?？紤]到鋼管樁的樁徑較大,同時防止起吊定位過程中的碰撞損壞,將傳感器安裝在樁內(nèi)側(cè),并采取先安裝傳感器后焊接保護(hù)角鋼的方式。

具體的安裝和保護(hù)流程包括9 個步驟。①定位:傳感器間所成直線應(yīng)與樁軸線平行,在鋼管樁內(nèi)壁用激光儀標(biāo)記平行線,并根據(jù)布設(shè)方案標(biāo)記傳感器的安裝位置;②打磨除塵:通過打磨有效去除鋼管樁內(nèi)壁表面的鐵銹,隨后用有機(jī)溶劑去污清洗并清掃除塵,使傳感器充分與鋼管樁內(nèi)壁相接合;③支座焊接:在鋼管樁內(nèi)壁標(biāo)記的安裝位置焊接傳感器的支座;④傳感器安裝:將傳感器安裝在支座上,再涂滿隔熱膠水以防熱并額外加固;⑤線纜保護(hù):用絕緣膠布將位于一側(cè)的所有傳輸線纜綁扎成1束,在樁身內(nèi)每隔1 m 用小號角鋼做成的環(huán)碼分段固定,并在線纜上完全包裹1～2 層鋁箔膠帶;⑥角鋼焊接:在鋼管樁入土區(qū)間內(nèi)焊5號角鋼作為樁身的傳感器保護(hù)罩,以保護(hù)線纜和傳感器,在焊接至傳感器附近時須降溫處理,避免因溫度過高影響傳感器;⑦防震措施:在焊接角鋼的過程中,將發(fā)泡劑口接上細(xì)長膠管并深入角鋼,在角鋼內(nèi)部所有空間填滿發(fā)泡劑,既起到減震作用,又限制打樁過程中的線纜甩動和土體進(jìn)入;⑧排土靴焊接:在樁尖部位滿焊斷面尺寸可完全包裹保護(hù)角鋼的三角錐形鋼結(jié)構(gòu)作為樁尖排土靴,并在三角錐內(nèi)部加焊內(nèi)壁支撐鐵塊;⑨出線處理:在角鋼端口附近將線纜通過膠管包裹引出,防止震動過程中線纜被角鋼端口磨壞,同時在距鋼管樁樁頂約2 m 處焊接1～2個掛鉤,用于放置傳感器線的接頭。

2.3 測斜管的安裝和保護(hù)方案

測斜管采用常規(guī)樣式,外徑為70 mm,每截2 m拼接。為防止碰撞損壞,將測斜管安裝在鋼管樁內(nèi)側(cè)。經(jīng)分析,與測斜管隨鋼管樁一同打入的方式相比,待鋼管樁打入后再放入測斜管有3 個優(yōu)點(diǎn)。①防止打樁過程中測斜管可能出現(xiàn)的震動損壞;②控制測斜管的方向,確保測槽方向與水平力方向平行;③即使在打樁過程中角鋼損壞,仍可保全測斜管。因此,本試驗(yàn)采取先焊接保護(hù)罩,待沉樁后再放入測斜管的方式。

具體的安裝和保護(hù)流程包括5個步驟。①定位放線:測斜管須布置在鋼管樁的中性軸位置,并在鋼管樁內(nèi)壁用激光儀標(biāo)記平行線;②角鋼焊接:在鋼管樁樁長范圍內(nèi)滿焊相應(yīng)尺寸的角鋼作為測斜管的保護(hù)罩;③排土靴焊接:在樁尖部位滿焊斷面尺寸可完全包裹保護(hù)角鋼的三角錐形鋼結(jié)構(gòu)作為樁尖排土靴,并在三角錐內(nèi)部加焊內(nèi)壁支撐鐵塊;④測斜管放置:待鋼管樁打入后,將測斜管逐根拼接放入角鋼中,并控制測斜管的測槽方向與水平力方向平行;⑤測斜管固定:在角鋼與測斜管的縫隙中由下至上注滿水泥漿,以固定測斜管。

3 水平靜載試驗(yàn)和分析

3.1 試驗(yàn)設(shè)備和步驟

試驗(yàn)采用頂推法,在試驗(yàn)樁一側(cè)設(shè)置10 根Φ700反力樁,前、后反力樁通過工字鋼焊接成整體,在反力樁與試驗(yàn)樁之間放置反力梁,并在反力梁上堆放300 t混凝土堆載塊,共同組成反力系統(tǒng)。試驗(yàn)加載系統(tǒng)為1臺500 t的大行程臥式千斤頂和電動油泵。試驗(yàn)測量系統(tǒng)由2根基準(zhǔn)樁、觀測梁和4個位移傳感器等部分組成。試驗(yàn)樁的平面布置如圖3所示。

圖3 水平靜載試驗(yàn)的平面布置(單位:mm)

水平靜載試驗(yàn)的最大試驗(yàn)荷載為3 000 kN,采用單循環(huán)加載法。試驗(yàn)開始前,統(tǒng)一測讀初讀數(shù);試驗(yàn)開始后,按規(guī)范時間間隔測量并記錄樁頂位移,待每級加載位移穩(wěn)定后進(jìn)行內(nèi)力和深層水平測試。

3.2 樁頂荷載-位移曲線

試驗(yàn)樁的荷載-位移曲線如圖4所示。

圖4 水平靜載的荷載-位移曲線

由圖4可以看出:試驗(yàn)樁在加載至1 875 kN 之前,荷載-位移曲線基本呈直線變化,樁身彎矩和彎曲變形量均較小;由1 875 kN 加載至3 000 kN 的過程中,各級加載位移變化逐漸加快,且逐漸出現(xiàn)彎曲塑性變形,相同趨勢也發(fā)生在樁身彎矩和位移的變化過程中;當(dāng)最大荷載時,樁頂位移達(dá)到149.03 mm;當(dāng)荷載卸至0時,殘余位移較大,達(dá)到81.02 mm,可見試驗(yàn)樁已發(fā)生明顯的不可恢復(fù)的彎曲變形。

3.3 樁身彎矩和水平位移分布

根據(jù)試驗(yàn)時傳感器測試的樁身拉應(yīng)變和壓應(yīng)變,計算試驗(yàn)樁的樁身彎矩,計算公式[6]為:

式中:Mi為試驗(yàn)樁的樁身彎矩;Ei為鋼管樁計算斷面的彈性模量;Ii為鋼管樁計算斷面的全截面對中性軸的慣性矩;εi+為樁身拉應(yīng)變;εi-為樁身壓應(yīng)變;d為鋼管樁的直徑。

通過測斜儀測試得到試驗(yàn)樁樁身在各深度的水平位移。各級荷載下的樁身彎矩和水平位移分布如圖5和圖6所示(由于鋼管樁向下打入土中,為直觀反映其彎矩和水平位移,以橫軸代表地面,以縱軸代表樁身)。

由圖5和圖6可以看出:①隨著水平荷載的增加,樁身各點(diǎn)的彎矩和水平位移均逐漸增大,各級荷載下的最大彎矩都出現(xiàn)在入土深度4～6 m(標(biāo)高+1～-1 m)處即砂土硬層中,超過設(shè)計樁芯深度,而后樁身彎矩迅速減小,表明最大彎矩點(diǎn)附近土層的水平抗力較大;②隨著水平荷載的增加,樁身的彎矩零點(diǎn)和水平位移零點(diǎn)均逐漸下移,表明上部土體提供的水平抗力增長有限,水平荷載向更深處的土層傳遞,深層土體逐漸提供水平抗力;③樁身彎矩和水平位移均主要集中在樁身上部入土深度10 m的范圍內(nèi),而10 m 以下的樁身彎矩和水平位移均很小且很快趨近于0,表明提供水平抗力的土體深度僅約為10 m,若僅發(fā)揮水平承載力作用的鋼管樁不必設(shè)計過長。

圖5 樁身彎矩分布

圖6 樁身水平位移分布

4 結(jié)語

本研究針對水平靜載試驗(yàn)內(nèi)力變形測試中的傳感器和測斜管分別提出安裝和保護(hù)方案,并經(jīng)實(shí)踐證明該方法實(shí)用且可靠。本方法在鋼筋計和分布式光纖等測試元件安裝、鋼管樁打樁樁身應(yīng)力監(jiān)控、側(cè)摩阻力測試和樁身垂直度測量等方面同樣適用,主要具有2個關(guān)鍵點(diǎn)。①傳感器:傳感器支座須焊接穩(wěn)固,傳感器四周須滿涂隔熱膠和發(fā)泡劑,線纜全長須完全包裹鋁箔膠帶,在傳感器附近焊接角鋼時須采取降溫措施;②測斜管:須采用先沉樁后放測斜管的方法,保護(hù)角鋼須滿焊,放置測斜管時須控制其測槽方向與水平力方向平行,注滿角鋼縫隙時應(yīng)使用盡可能稀的水泥漿。

本方法已被成功應(yīng)用于西非某工程項目,通過進(jìn)行水平靜載試驗(yàn)內(nèi)力變形測試,不僅獲得鋼管樁水平承載力的設(shè)計參數(shù),而且證明該方法的有效性。