基于雙荷載箱的超長樁自平衡試樁法試驗研究*

尤 田，郭佳嘉

(1.中交第二航務(wù)工程局有限公司，湖北 武漢 430040；2.長大橋梁建設(shè)施工技術(shù)交通行業(yè)重點實驗室，湖北 武漢 430040)

1 工程概況

南京仙新路過江通道上游距南京長江二橋約6.2km，下游距南京四橋約4.3km，主橋采用懸索橋方案，一跨過江，主纜跨度布置為580m+1 760m+580m，是目前國內(nèi)跨度最大的懸索橋，主橋立面布置如圖1所示。索塔基礎(chǔ)均采用66根直徑2.8m、長128～137m超長樁基礎(chǔ)。

圖1 南京仙新路過江通道主橋立面布置(單位：m)

由于本項目建設(shè)規(guī)模大，地質(zhì)條件相對復雜，為保證結(jié)構(gòu)安全可靠、樁基入土深度合理，綜合考慮主橋地質(zhì)條件及現(xiàn)場施工條件等情況，分別在南、北索塔承臺基礎(chǔ)附近各做2根試樁試驗。本項目試樁目的如下[1]。

1)通過對分級加、卸載得到的荷載-變形曲線進行分析，確定單樁豎向抗壓極限承載力，以驗證其是否滿足工程要求。

2)對各地層樁側(cè)摩阻力和樁端摩阻力等力學參數(shù)進行驗證，為本項目樁基施工圖設(shè)計提供較準確的依據(jù)。

3)分析原位鉆孔樁的成孔工效。選定合適的施工機具設(shè)備，以便項目正式施工時提高成孔效率。限于篇幅，本文僅對南索塔的試樁過程和一些關(guān)鍵成果進行闡述。

2 場地工程地質(zhì)條件

南索塔(S1號墩)位于長江南岸漫灘上，地面高程為4.000～7.000m，覆蓋層厚約62m：上部為厚約10m淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土夾粉土、粉砂，中部為厚約30m稍密～密實粉細砂，下部為厚約20m密實粉細砂夾圓礫，基巖為泥質(zhì)粉砂巖和含礫砂巖，巖面高程-54.940～-115.300m，在地層中逐層交替分布，地質(zhì)情況較復雜(見表1)。

表1 南塔墩樁基側(cè)摩阻參數(shù)

試樁在主墩原位附近分2組進行，分別為S1-1，S1-2號樁，布置于南索塔靠岸側(cè)，距離承臺11.7m，為了便于比較試樁過程中的施工工效，將二者靠近布置，間距為14.4m，孔口高程均為7.860m(見圖2)。

圖2 南索塔試樁點平面布置(單位：m)

3 試驗樁設(shè)計與施工

荷載箱自平衡法于20 世紀80 年代由Osterberg提出[2]。該方法通過對內(nèi)部荷載箱施加壓力，使其發(fā)生向上及向下變形，樁端及樁側(cè)摩阻力二者相互作用、互為反力，二者之和即為單樁承載力[3-4]。東南大學在國內(nèi)最早開始研究, 取得了很多開創(chuàng)性成果，并制定了DB32/T 291—1999《樁承載力自平衡測試技術(shù)規(guī)程》。

相對于傳統(tǒng)靜載試驗，荷載箱自平衡法具有適用范圍廣、加載能力強、測量精度高、對場地要求低等特點。采用該方法最大優(yōu)點在于能將樁側(cè)和樁端摩阻力的分析計算分開進行，能更加明確地判明樁的受力特征[5-7]。

為解決對于超長樁單荷載箱不能準確反映出樁基實際承載力的分布問題[8]，更加精確地檢測及分析樁身上、下部的側(cè)摩阻力及端部阻力，本工程采用雙荷載箱自平衡法，該試驗系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 樁承載力自平衡試驗系統(tǒng)

3.1 試驗裝置基本參數(shù)

試驗樁長均為122.5m，樁徑為2.2m，采用HRB400 級、HPB235級鋼筋，配φ32主筋，樁身軸力用振弦式應(yīng)變計量測，振弦式應(yīng)變計根據(jù)前期地質(zhì)鉆孔資料，在樁身巖土層分界面處沿樁身四周均勻布置4臺并按地層分布逐層設(shè)置?？v向鋼筋采用32根通長φ28鋼筋，螺旋箍筋為φ10，鋼筋標準段間距200mm，在樁頂、樁端1m 范圍加密為100mm，間隔2m設(shè)置φ10環(huán)形加勁箍，聲測管型號為φ57×3.5。樁身材料為C35水下混凝土。樁基采用泥漿護壁鉆孔灌注樁，采取正反循環(huán)二次清孔工藝。

試樁內(nèi)安設(shè)樁底位移桿和測量樁底、樁身應(yīng)力的傳感器，可分層測定樁周土側(cè)摩阻力和樁端摩阻力，并能動態(tài)測定樁頂和樁端位移。荷載箱及傳感器布設(shè)如圖4所示。

圖4 荷載傳感元件布置

3.2 傳感器安裝

1)荷載箱 針對自平衡法荷載箱位置易存在“斷樁”問題[9]，在荷載箱的上、下鋼板側(cè)面與鋼筋籠主筋焊接牢固的基礎(chǔ)上，沿橫斷面均勻布置16根光圓鋼筋，導正角度>60°，光圓鋼筋的一端與鋼筋籠主筋焊接，另一端與荷載箱內(nèi)孔邊緣焊接起導向及加固作用。4根聲測管在荷載箱上、下鋼板位置斷開，與鋼板上的預留孔焊接。

2)應(yīng)變計 樁身軸力用振弦式應(yīng)變計量測，沿樁身鋼筋籠四周均勻布置4臺并按地層分布逐層設(shè)置，單樁共布置104臺。先對應(yīng)變計埋設(shè)位置的鋼筋籠4根主筋進行標識，應(yīng)變計與主筋采用搭接焊接。下鋼筋籠上的應(yīng)變計線纜過荷載箱上的專用導線孔，線纜在孔內(nèi)預留20cm，導線孔兩端封閉。

3.3 加載順序

雙荷載箱將樁身分為3個樁段，雙層荷載箱的加載順序為：①通過對下荷載箱用油泵逐步加載，使下樁段激發(fā)出側(cè)摩阻力及樁端反力；②對下荷載箱的油路進行封閉，然后對上荷載箱逐步加載，從而測出上樁段的極限側(cè)摩阻力；③持續(xù)打開上荷載箱，逐步對下荷載箱進行第2次加載，從而得到中間樁段的極限承載力。試驗完成后對試驗樁整樁的承載力和相關(guān)參數(shù)進行分析。

采用慢速維持荷載法進行試驗加載。S1-1，S1-2號樁預估最大加載量為下荷載箱2×40 000kN，上荷載箱2×45 000kN；將其均分15級加載，其中第1級加載量取分級荷載的2倍；每級卸載量為加載時分級荷載的3倍。加、卸載需均勻連續(xù)，每級荷載的變化幅度應(yīng)控制在分級荷載的10%以內(nèi)。

4 試樁試驗數(shù)據(jù)分析

4.1 自平衡樁試驗結(jié)果分析

4.1.1樁身軸力分析

試驗分析的假定為：應(yīng)力沿截面均勻分布，樁身應(yīng)力(應(yīng)變)沿樁身線性分布并逐段疊加累積，通過平衡法獲得樁身的軸力、側(cè)摩阻力、端摩阻力等相關(guān)參數(shù)。限于篇幅，本文僅對試樁加載樁身軸力曲線和樁頂荷載-位移等效轉(zhuǎn)化曲線進行論述。

通過埋置于各地層樁身四周的應(yīng)變計監(jiān)測到S1-1號樁在各級荷載下各斷面軸力分布如圖5所示。由圖5中軸力曲線可知，荷載遵循從加載端向遠離端傳遞的規(guī)律，自平衡通過上述荷載箱的加載順序進行加載，可看出離加載點位置越近軸力越大，并向加載遠端逐漸衰減。

圖5 S1-1號樁在各級荷載下各斷面軸力分布曲線

上段樁軸力曲線整體向左側(cè)呈“凸”形，沿樁身往下軸力大幅度衰減，隨著逐級加載的進行，凸起點的位置向上移動且程度趨緩，可見上段樁的荷載作用較小時，主要由樁身的下部土層來承受荷載，上部土層承受荷載則需在施加較大荷載的情況下才能產(chǎn)生；中段樁和下段樁的軸力與荷載施加基本呈線性關(guān)系，從加載與深度的斜率看，軸力的增量與加載端位置的線性關(guān)系為正相關(guān)。

從上、中、下3段樁的線形疏密可判別三者間的軸力衰減規(guī)律，曲線越密，軸力的衰減量越小[10]，表明該部分土層承受的荷載較小，上段樁從加載點-72.94m 至-60m長度范圍曲線較疏，衰減量為32.4%～42.5%，中段樁和下段樁呈線性衰減趨勢，中段樁衰減相對較快，從加載點-72.94m至-100m長度范圍迅速衰減，下段樁衰減量最小。

4.1.2樁頂?shù)刃Ш奢d-等效位移分析

樁頂?shù)刃Ш奢d-等效位移等效轉(zhuǎn)化曲線如圖6所示。由圖6可知，隨著荷載施加，上述2根試樁的等效位移曲線趨勢相同，S1-1號樁在樁頂?shù)刃Ш奢d<76MN 時樁頂?shù)刃灰票萐1-2號樁稍大，在>112.707MN 時樁頂?shù)刃灰票萐1-2號樁稍小，二者均存在明顯突變點，呈突發(fā)性破壞；在112.255MN時出現(xiàn)明顯下降，表明樁側(cè)摩阻力已逼近極限。

圖6 樁頂?shù)刃Ш奢d-等效位移等效轉(zhuǎn)化曲線

4.2 樁端摩阻力-樁頂?shù)刃灰品治?/h3>

樁端摩阻力-樁頂?shù)刃灰魄€如圖7所示，試樁承載力構(gòu)成如表2所示。

表2 試樁承載力構(gòu)成

圖7 樁端摩阻力-樁頂?shù)刃灰魄€

由圖7可知，隨著摩阻力的增加，上述2根試樁的樁頂?shù)刃灰频陌l(fā)展趨勢一致，S1-2號樁在樁頂位移比S1-1號樁稍大，相對于S1-2號樁，S1-1號樁存在較明顯的突變趨勢，在7 200kN附近，二者的樁端承載力均出現(xiàn)明顯下降，表明樁端承載力已逼近極限。

由表2可看出，2根試樁的承載力、側(cè)摩阻力均占90%以上，樁端摩阻力只提供很小一部分，因此可判明所在場地的樁型均為摩擦樁。由表1可看出，試樁實測側(cè)摩阻力比地勘值大，特別是位于樁身中下部的砂巖和礫巖，實測側(cè)摩阻力比地勘值最大可提高80%。

5 鉆頭改進措施及效果分析

S1-2號樁自2018年12月29日開鉆，2019年1月22日終孔，用時25d；S1-1號樁自2019年1月11日開鉆，2019年1月22日終孔，用時12d(見圖8)。由圖8可看出，S1-2號樁鉆頭初始選擇刮刀鉆頭，地表至地下約111.76m范圍采用刮刀鉆頭，當鉆至底標高-64.080m(中風化泥質(zhì)粉砂巖)時，鉆進進尺緩慢，刮刀鉆頭施工工效較低且鉆頭磨損嚴重，改為滾刀鉆頭。

圖8 試樁鉆孔進度曲線

S1-1號樁通過修改鉆頭方案，增加整體式配重(35t)，并將配重一次增加到位，避免多次提鉆加配重，鉆進施工總時間比S1-2號樁縮短13d。

6 結(jié)語

本文對南京仙新路過江通道南主墩樁基進行雙荷載箱自平衡試樁工藝試驗，對樁基施工全過程進行了預演，驗證了成樁工藝的適用性，并為后續(xù)樁基的優(yōu)化設(shè)計提供了有力佐證，得出如下結(jié)論。

1)所采用的原位試樁施工能反映現(xiàn)場實際情況，通過對鉆頭、配重等優(yōu)化配置能大幅度提高施工工效，有效縮短成孔時間，施工過程質(zhì)量可控，能指導該項目正式工程的樁基施工。

2)本工程的大直徑超長樁在試樁達到極限承載力的情況下，樁側(cè)摩阻力占比達到極限承載力的90%以上，樁長設(shè)計應(yīng)按摩擦樁考慮。

3)試樁實測側(cè)摩阻力要大于地勘值，特別是位于樁身中下部的砂巖和礫巖，實測側(cè)摩阻力比地勘值最大可提高80%。

4)通過S1-1，S1-2號樁的軸力曲線分析得出現(xiàn)場地質(zhì)情況下樁基荷載傳遞規(guī)律，通過樁端摩阻力-樁頂?shù)刃灰魄€分析和樁頂?shù)刃Ш奢d-等效位移轉(zhuǎn)化曲線分析可獲得場地原位單樁豎向抗壓極限承載力和豎向極限側(cè)摩阻力，單樁豎向抗壓極限承載力的實測值為11 916kN，為仙新路過江通道主墩樁基的優(yōu)化設(shè)計提供了依據(jù)。截至目前，仙新路過江通道已完成施工圖設(shè)計，進入正式工程施工階段，主墩樁長已優(yōu)化至101m。