百米級(jí)樁基礎(chǔ)豎向承載力自平衡靜載試驗(yàn)研究

曹學(xué)衛(wèi)

（山西交控汾石高速公司有限公司，山西 汾陽(yáng) 032200）

常規(guī)的堆載反力和錨樁反力加載法等樁基礎(chǔ)靜載試驗(yàn)方法，對(duì)于小直徑短樁較為適合，但在超長(zhǎng)樁基礎(chǔ)豎向承載力試驗(yàn)時(shí)，常常受到場(chǎng)地空間、荷載大小、堆載條件，以及試驗(yàn)成本等方面的限制而無(wú)法有效開(kāi)展，自平衡靜載試驗(yàn)正是在這一背景下應(yīng)運(yùn)而生的。通過(guò)提前埋設(shè)于樁內(nèi)的加載裝置（荷載箱），由加壓泵向荷載箱加壓產(chǎn)生上、下方向的力，利用樁體自成反力測(cè)試樁基的承載力。這種方法操作簡(jiǎn)單，試驗(yàn)周期短，成本低，且可直接得到樁基反向側(cè)摩阻力，在樁基承載力測(cè)試中被廣泛使用。文獻(xiàn)[1]較早提出了樁基礎(chǔ)豎向承載力靜載試驗(yàn)的自平衡法，介紹了該法的裝置、操作方法及適用樁型，并對(duì)若干問(wèn)題進(jìn)行了探討，為采用自平衡試驗(yàn)方法進(jìn)行樁基礎(chǔ)豎向承載力測(cè)試提供了依據(jù)。文獻(xiàn)[2]通過(guò)等效受壓樁和自平衡試樁上下樁段受力情況的對(duì)比分析，研究了負(fù)摩阻力對(duì)自平衡測(cè)試結(jié)果的影響，推導(dǎo)出樁承載力和位移的轉(zhuǎn)換公式，為采用多荷載箱進(jìn)行超長(zhǎng)樁基礎(chǔ)豎向承載力分段測(cè)試與結(jié)果判定奠定了基礎(chǔ)。文獻(xiàn)[3]通過(guò)樁基礎(chǔ)自平衡試驗(yàn)方法，對(duì)港珠澳大橋中采用四翼刮刀鉆頭和球齒滾刀鉆頭等創(chuàng)新施工工藝樁基礎(chǔ)的豎向承載力進(jìn)行了驗(yàn)證，取得了良好的效果。文獻(xiàn)[4]通過(guò)對(duì)比分析自平衡法試樁與傳統(tǒng)錨樁法的荷載分擔(dān)比例、軸力分布形態(tài)和樁側(cè)阻力-位移曲線形態(tài)等試驗(yàn)參數(shù)，表明自平衡法在驗(yàn)證基樁承載力時(shí)可以替代傳統(tǒng)方法，其精度能夠滿(mǎn)足工程應(yīng)用要求，為本文課題的開(kāi)展提供了思路。文獻(xiàn)[5]通過(guò)自平衡靜載試驗(yàn)法對(duì)深圳前海綜合交通樞紐T2基坑的6根抗拔樁基礎(chǔ)進(jìn)行了試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，自平衡法設(shè)備簡(jiǎn)單，無(wú)需地面反力裝置，測(cè)試結(jié)果可靠。文獻(xiàn)[6]通過(guò)自平衡檢測(cè)法將每根樁的上段樁在同一土層處自平衡法測(cè)得的極限側(cè)摩阻力值與堆載法測(cè)得的極限側(cè)摩阻力值進(jìn)行對(duì)比，得到了各層土自平衡轉(zhuǎn)換系數(shù)值，結(jié)果表明在黏性土中鉆孔灌注樁自平衡法與堆載法測(cè)得的上段樁極限摩阻力之比為0.7～0.8。文獻(xiàn)[7]對(duì)自平衡靜載試驗(yàn)法在建筑樁基礎(chǔ)中的試驗(yàn)條件、試驗(yàn)參數(shù)取值、加載過(guò)程控制，以及試驗(yàn)結(jié)果判定等進(jìn)行了詳細(xì)規(guī)定，為樁基礎(chǔ)自平衡靜載試驗(yàn)過(guò)程控制提供了參考。

文中結(jié)合某百米級(jí)超長(zhǎng)樁基礎(chǔ)的豎向承載力試驗(yàn)，詳細(xì)介紹了自平衡靜載試驗(yàn)法的試驗(yàn)原理、方案設(shè)計(jì)、試驗(yàn)過(guò)程控制，以及試驗(yàn)結(jié)果判定方法，可為今后類(lèi)似工程的開(kāi)展提供參考。

1 工程概況

本文擬試驗(yàn)樁基礎(chǔ)的橋址處，大部分為第四系上更新統(tǒng)黃土覆蓋，部分溝谷底部出露中更新統(tǒng)粉質(zhì)黏土，黃河谷地為第四系全新統(tǒng)沖洪積物所覆蓋。橋位地質(zhì)勘察鉆孔深度150 m左右，100 m以下存在泥巖、砂巖，其余未見(jiàn)基巖。為了驗(yàn)證地質(zhì)勘察資料的準(zhǔn)確性，為橋梁樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)提供依據(jù)，擬通過(guò)試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證樁基礎(chǔ)的實(shí)際承載力。

2 試驗(yàn)分析

2.1 試驗(yàn)原理

基樁承載力自平衡法，是通過(guò)在樁基體內(nèi)部預(yù)先埋設(shè)一種特制的加載裝置——荷載箱，在混凝土澆筑之前和鋼筋籠一起埋入樁內(nèi)相應(yīng)的位置，當(dāng)樁身混凝土澆筑并養(yǎng)生完成后，由加壓泵在地面通過(guò)預(yù)先埋設(shè)的管路，對(duì)荷載箱進(jìn)行加載，使得荷載箱產(chǎn)生上、下大小相等、方向相反的一對(duì)相互支撐反力，并傳遞到樁身。由于上下樁體相互提供支撐反力，將得到相當(dāng)于兩個(gè)靜載試驗(yàn)的數(shù)據(jù)：荷載箱以上部分，獲得反向加載時(shí)上部樁體的相應(yīng)反應(yīng)參數(shù)；荷載箱以下部分，獲得正向加載時(shí)下部樁體的相應(yīng)反應(yīng)參數(shù)。通過(guò)對(duì)加載力與位移之間關(guān)系的計(jì)算和分析，可以獲得樁基的承載力，為設(shè)計(jì)提供依據(jù)。對(duì)于超長(zhǎng)樁基，一般采用預(yù)埋兩個(gè)荷載箱的方法進(jìn)行加載，如圖1所示。

圖1 自平衡加載試驗(yàn)原理

2.2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

為了方便與實(shí)際地質(zhì)勘察資料進(jìn)行對(duì)比分析，考慮到試驗(yàn)樣本的可比性和施工方便性，該次樁基試驗(yàn)位置選擇在河灘有代表性的鉆孔位置不超5 m范圍內(nèi)，開(kāi)展3個(gè)樁基自平衡靜載試驗(yàn)（詳見(jiàn)圖2所示）。試驗(yàn)樁幾何尺寸、材料、配筋，以及施工工藝均盡可能與設(shè)計(jì)保持一致，即設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)取100 m，計(jì)算預(yù)估臨界豎向承載力為60 000 kN。經(jīng)過(guò)對(duì)地質(zhì)勘察資料計(jì)算分析，考慮到樁底承載力的不確定性，該次試驗(yàn)采用雙荷載箱設(shè)計(jì)方案，其中下荷載箱距離樁底14 m，上荷載箱距離樁底34 m，樁身分為A、B、C三段；其中承載力分布：A＞B；A+B＞C；B+C＞A（詳見(jiàn)圖 3所示，其中A=34 m、B=20 m、C=14 m分別代表上段、中段和下段樁身，樁頂段空樁約27 m，黑色部位代表荷載箱，上荷載箱用Ⅰ表示，下荷載箱用Ⅱ表示）。試驗(yàn)所使用的原材料均提前在具有相關(guān)資質(zhì)的試驗(yàn)機(jī)構(gòu)進(jìn)行檢驗(yàn)，試驗(yàn)用傳感器均在有關(guān)計(jì)量機(jī)構(gòu)進(jìn)行標(biāo)定。

圖2 鉆孔位置

圖3 荷載箱位置

2.3 試驗(yàn)方法與加載控制

為了準(zhǔn)確測(cè)試試驗(yàn)樁基礎(chǔ)的實(shí)際豎向承載力，該次試驗(yàn)過(guò)程中，成樁滿(mǎn)足土體休止期后先加載下荷載箱Ⅱ，測(cè)出C段承載力；然后對(duì)下荷載箱Ⅱ逐級(jí)卸載后，再加載上荷載箱Ⅰ，測(cè)出B段承載力；最后將下荷載箱Ⅱ保壓，使B段和C段合成一體給A段提供反力，然后繼續(xù)加載上荷載箱Ⅰ，得到A段承載力。試驗(yàn)過(guò)程依據(jù)《建筑基樁自平衡靜載試驗(yàn)技術(shù)規(guī)程》（JGJ/T403—2017）進(jìn)行分級(jí)加載（詳見(jiàn)圖4所示）。

圖4 試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 荷載箱試驗(yàn)結(jié)果分析

經(jīng)過(guò)加載試驗(yàn)，該次樁基礎(chǔ)上、下荷載箱的試驗(yàn)反力——樁基礎(chǔ)位移測(cè)試結(jié)果如圖5、圖6所示。

圖5 下荷載箱荷載-位移試驗(yàn)結(jié)果

圖6 上荷載箱荷載-位移試驗(yàn)結(jié)果

從圖5下荷載試驗(yàn)加載過(guò)程結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)：該試樁在加載到第11級(jí)荷載24 000 kN時(shí)，上位移平均累計(jì)為3.07 mm，下位移平均累計(jì)為-23.42 mm，上下位移Q-S曲線整體呈緩變型。由于已達(dá)荷載箱最大加載能力，決定終止加載，并開(kāi)始卸載。取該級(jí)荷載即第11級(jí)荷載24 000 kN為C段極限加載取值。

從圖6上荷載試驗(yàn)加載過(guò)程結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)：該試樁在加載到第7級(jí)荷載20 000 kN時(shí)，該級(jí)下位移走動(dòng)較明顯，此時(shí)上位移平均累計(jì)為3.38 mm，下位移平均累計(jì)為-10.81 mm。繼續(xù)加載至第10級(jí)荷載27 500 kN時(shí)，下位移走動(dòng)趨勢(shì)明顯放緩，此時(shí)上位移平均累計(jì)為4.92 mm，下位移平均累計(jì)為-19.1 mm，壓力維持穩(wěn)定。由于已達(dá)荷載箱最大加載能力，決定終止加載，并開(kāi)始卸載。從下位移的Q-S曲線判定在加載到第7級(jí)荷載時(shí)下位移明顯增大，繼續(xù)加載下位移明顯收斂，判定在第7級(jí)開(kāi)始后B、C段已經(jīng)連接成一整體受力，所以取第7級(jí)荷載20 000 kN為B段極限加載取值，取第10級(jí)荷載27 500 kN為A段極限加載取值。

3.2 樁基礎(chǔ)最大豎向承載力判定

根據(jù)《建筑基樁自平衡靜載試驗(yàn)技術(shù)規(guī)程》（JGJ/T 403—2017），該試驗(yàn)樁極限承載力按式（1）計(jì)算：

式中：Pui為試樁i的單樁極限承載力，kN；Quui為試樁i上段樁的加載極限值，kN；Qmui為試樁i中段樁的加載極限值，kN；Qlui為試樁i下段樁的加載極限值，kN；Wi為試樁i荷載箱上部自重，kN；γi為試樁i的修正系數(shù)，根據(jù)荷載箱上部土的類(lèi)型確定：黏性土、粉土γi可取 0.8，沙土 γi可取 0.7，巖石 γi可取 1.0，若上部有不同類(lèi)型的土層，γi取加權(quán)平均值。

由式（1）計(jì)算結(jié)果可知，該橋樁基礎(chǔ)試驗(yàn)臨界豎向承載力為75 027.15 kN，大于設(shè)計(jì)預(yù)估臨界豎向承載力60 000 kN約25%.試驗(yàn)樁基礎(chǔ)的單樁豎向抗壓承載力特征值應(yīng)按單樁豎向抗壓極限承載力的50%，為37 513.6 kN，可對(duì)該橋樁基礎(chǔ)優(yōu)化樁長(zhǎng)約25%左右。

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)自平衡靜載試驗(yàn)，對(duì)某百米級(jí)超長(zhǎng)樁基礎(chǔ)的豎向承載力進(jìn)行了詳細(xì)分析，可以得出以下結(jié)論：

a）自平衡試驗(yàn)對(duì)于驗(yàn)證超長(zhǎng)樁基礎(chǔ)的豎向荷載力具有較高的可靠性，現(xiàn)場(chǎng)無(wú)需龐大的堆載設(shè)備，可適用于各類(lèi)樁基礎(chǔ)承載力的判定。

b）該項(xiàng)目試驗(yàn)樁實(shí)測(cè)極限承載力約為預(yù)估承載力的1.22倍，表明持力土層承載條件較好，能夠滿(mǎn)足設(shè)計(jì)承載力要求，為下一步進(jìn)行樁基礎(chǔ)優(yōu)化提供了依據(jù)。

c）可參考鉆孔處試樁試驗(yàn)結(jié)果適當(dāng)優(yōu)化該橋位處地質(zhì)勘查報(bào)告中各持力土層的側(cè)摩阻力取值。