施工技術(shù)對端承樁橋梁基礎(chǔ)承載性能的影響

摘 要：施工技術(shù)對橋梁樁基承載性狀影響較大，結(jié)合實際橋梁工程，本文采用自平衡荷載試驗，研究了不同成樁方法下端承樁的力學(xué)特性，探討了后注漿對樁承載力的影響。研究結(jié)果表明：干式旋挖鉆樁法有利于保證橋梁基礎(chǔ)嵌巖鉆孔樁的承載力，泥旋挖鉆樁法可顯著減少端承樁的樁側(cè)阻力和樁端阻力，但泥漿旋挖樁法沉淀物和頁巖軟化增加了沉降量。后注漿技術(shù)可有效增加端承樁的樁側(cè)阻力和樁端阻力，使樁沉降量比干式旋挖鉆樁和泥漿旋挖鉆樁減少約42%和100%，在各自的極限荷載下，沉降量分別減少37.5%和54.4%。

關(guān)鍵詞：端承樁；自平衡荷載試驗；后注漿技術(shù)

中圖分類號：TU 74 " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

橋梁基礎(chǔ)設(shè)計和施工質(zhì)量是橋梁建設(shè)中的根本問題，由于端承樁具有承載能力高、變形小、抗震性能好等特點，因此在橋梁基礎(chǔ)尤其是山區(qū)橋梁基礎(chǔ)中得到了廣泛應(yīng)用[1]。旋挖灌注樁施工技術(shù)是一種新型的鉆孔灌注樁施工方法，分為干式旋挖樁法和泥漿旋挖樁法，不同的成樁技術(shù)會導(dǎo)致樁孔壁粗糙度和底部沉積物厚度產(chǎn)生差異，從而影響橋梁樁基的受力性能[2]。灌注樁后注漿技術(shù)可以減少樁孔泥漿和樁底沉降物的負(fù)面影響，同時改善樁土界面狀況和樁底周圍巖體強度[3]。本文采用自平衡載荷試驗，定量分析成樁施工工藝及后注漿技術(shù)對大直徑端承樁力學(xué)行為的影響。

1 工程概況

某大橋為預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋，全長1031.86m，主跨約529.4m，該橋13號主墩采用35根長度62m、直徑2.5m的鉆孔樁進(jìn)行支撐。橋址地質(zhì)主要由第四系粉質(zhì)黏土、厚層石炭和中等風(fēng)化的富碳頁巖組成，石炭質(zhì)頁巖抗壓強度低、易崩解，吸水后軟化。中等風(fēng)化碳質(zhì)頁巖的標(biāo)準(zhǔn)飽和抗壓強度為7.34MPa，允許承載能力為500kPa，碳質(zhì)頁巖泥質(zhì)層的基本物理力學(xué)參數(shù)經(jīng)測定：含水率為18.9%，密度為19.7kN/m3，土粒密度為2.73，液限為34.55%，塑限為18.13%，黏聚力為32.17kPa，內(nèi)摩擦角為14.88°，壓縮模量為5.81MPa。

通過SZ1樁（模型樁）和15#樁（工程樁）進(jìn)行自平衡靜載試驗，研究干式旋挖和泥漿護(hù)壁旋挖對端承樁受力性能的影響，兩根試樁施工參數(shù)見表1，同時研究后注漿技術(shù)對樁承載能力的影響?？赘叱毯蜆兜赘叨鹊牟钪当砻鳎墒姐@孔樁底部沉降只有3cm，而泥漿旋挖樁的樁底沉降量高達(dá)30cm。

2 現(xiàn)場測試過程

2.1 自平衡荷載試驗

自平衡荷載試驗是一種新興的樁靜載試驗方法[4]，其主要設(shè)備是荷載箱（一種液壓加載裝置），通常澆筑在樁的底部或頂端上方一定距離處，當(dāng)通過試樁頂部的壓力管向荷載箱內(nèi)腔施加壓力時，會將箱蓋和箱底推開，激發(fā)樁側(cè)和樁端的阻力，直到達(dá)到最大荷載，通過樁側(cè)阻力和樁端阻力疊加確定樁的承載能力?？梢允褂脡毫Ρ慝@得荷載箱壓力，使用位移傳感器測量荷載箱的向上和向下位移，樁的上、下力及對應(yīng)的位移圖可以反映樁的承載能力、沉降量和彈性壓縮程度。由于混凝土應(yīng)變等于鋼筋應(yīng)變，因此通過嵌入樁身的鋼筋應(yīng)變片可以確定樁在各級荷載下的應(yīng)變，進(jìn)而得到樁身各部位的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系以及各荷載水平下的樁身軸力和樁側(cè)阻力。

2.2 加載過程和荷載-位移計算

采用自平衡法對SZ1樁和15#樁進(jìn)行靜載試驗，在試驗樁端上方的預(yù)置位置設(shè)置液壓加載裝置，當(dāng)液壓以階梯荷載（估計最大荷載的 10%～15%）施加到設(shè)備上時，對樁施加相同的向上和向下垂直荷載，當(dāng)施加階梯荷載時，可以采集應(yīng)變計和樁的位移數(shù)據(jù)，位移采集的時間間隔在前1h分別為5min、5min、10min、10min、15min、15min，之后依次為30min，直到樁變形相對穩(wěn)定為止。

根據(jù)中華人民共和國交通運輸行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)試驗規(guī)范中規(guī)定的等效換算方法，自平衡靜載試驗測得的荷載-位移曲線不便于計算分析，需要效轉(zhuǎn)換為傳統(tǒng)靜載試驗的荷載-位移曲線[5]，單樁豎向抗壓極限承載力的計算過程如公式（1）所示。

（1）

式中：Pu為試樁的極限承載能力；Quu為試樁截面荷載上限；Qlu為試樁截面荷載下限；W為荷載箱上方樁體質(zhì)量（荷載箱位于透水層時，取浮動質(zhì)量），SZ1樁和15#樁的取值分別為3726 kN和6000 kN；γ為試樁的修正系數(shù)，負(fù)荷箱上土層類型對應(yīng)的值為1.0。

可采用公式（2）、公式（3）計算等效樁頂荷載對應(yīng)的樁頂位移S。

S=sl+Δs （2）

（3）

式中：S為樁頂位移；sl為荷載箱向下位移；Δs為上段樁壓縮量；Δs1為上段樁在荷載箱下下部力作用下的彈性壓縮量；Δs2為上段樁在荷載箱上部力作用下的彈性壓縮量；Ql為負(fù)載箱向下荷載；Qu為負(fù)載箱向上荷載；L為上段樁長；Ep為樁體彈性模量；Ap為樁體截面積。

2.3 后注漿技術(shù)

在自平衡荷載試驗后，采用5根直徑30mm的預(yù)埋注漿管進(jìn)行樁側(cè)和樁端注漿，可以定量分析后注漿技術(shù)對端承樁承載能力的提高效果，五根預(yù)埋注漿管中，兩根用于荷載箱上方的樁側(cè)注漿，在荷載箱上方，用3根預(yù)埋注漿管對樁端進(jìn)行注漿。對樁側(cè)注漿來說，每個試樁有兩個位置，一個在距樁端15m處，另一個在距樁端30m處。該水泥漿采用普通42.5MPa無結(jié)塊硅酸鹽水泥，7天齡期強度至少為10MPa。樁端注漿壓力為4.0MPa，兩段均為3.2MPa～3.8MPa，樁端注漿量為5250kg，樁身段注漿量為2500kg。其他信息見表1。

3 現(xiàn)場測試結(jié)果分析

3.1 荷載-位移曲線

通過監(jiān)測得到試樁注漿前后箱體上、下位移與荷載的關(guān)系，這兩根樁幾乎都嵌在了巖層中，當(dāng)荷載較小時，樁的上下段幾乎沒有位移，樁側(cè)存在靜摩阻力，隨著荷載增加，樁與土之間產(chǎn)生相對位移，樁側(cè)摩阻力增加。15#樁由于樁底周圍碳質(zhì)頁巖的大量沉積和軟化，導(dǎo)致樁端巖體強度下降，端阻力沒有發(fā)揮正常作用，導(dǎo)致相同荷載作用下荷載箱向下位移增加，從而降低了樁的承載能力。

自平衡法較為特殊，需要采用等效變換法，將自平衡荷載試驗曲線等效轉(zhuǎn)化為傳統(tǒng)靜載試驗荷載曲線，最終的等效荷載-位移曲線如圖1所示。

端承樁幾乎全部埋入頁巖層中，因此不同圍巖類型對注漿效果的影響在本次研究中沒有得到充分研究，同時由于注漿引起的過?？紫端畨毫τ凶銐虻臅r間消散，因此注漿對此時的固結(jié)或固結(jié)速率沒有影響。如圖1所示，荷載-位移曲線在注漿后變化緩慢，但在注漿前急劇下降。在低荷載作用下，注漿前后的曲線基本重合，變化接近線性，但隨荷載增加而急劇下降，注漿后曲線變得平緩，表明后注漿對端承樁的承載能力有顯著的提高作用。SZ1樁注漿前的極限承載力為24000kN，對應(yīng)的位移約為26.3 mm，在相同荷載作用下，注漿后沉降量約為12 mm，下降了54.4%。15#樁注漿前的極限承載力為36872kN，注漿前位移為17.59 mm，而注漿后相同荷載下的位移為11 mm，下降了37.5%，后注漿在提高端承樁承載力的同時，可以明顯減少沉降，且在相同樁頂位移下，干式旋挖鉆樁法更有利于保證端承樁承載力。由于15#樁長度較大，因此理論上15#樁的極限承載力應(yīng)大于SZ1樁，但施工工藝不同，樁底沉積物較多，樁側(cè)形成泥皮，導(dǎo)致樁端阻力和樁側(cè)阻力均不同程度減少。

3.2 樁身軸力分布

在樁身不同位置對應(yīng)的鋼筋籠主筋處，對稱布置預(yù)埋振弦應(yīng)變計，在各加載步均可得到混凝土應(yīng)變計的應(yīng)變值，根據(jù)混凝土與鋼筋協(xié)調(diào)變形原理，可利用公式（4）結(jié)合測量結(jié)果得到各截面軸力。

（4）

式中：N為截面軸力；ε1、ε2為對稱排列的應(yīng)變計應(yīng)變值；ER為鋼筋彈性模量；EC為混凝土彈性模量；AR為鋼筋截面積；AC為混凝土截面積。應(yīng)變計測得的應(yīng)變值結(jié)合公式（4）得到的SZ1樁和15#樁在注漿前后的軸力分布如圖2所示。

從軸力分布來看，自平衡法得到的軸力圖與傳統(tǒng)荷載試驗得到的軸力圖不同，傳統(tǒng)的軸力曲線沿樁身近似呈梯形分布，樁頭處的最大值逐漸減少，而以荷載箱位置為界的軸力曲線在樁兩端均減少，在相同深度內(nèi)，軸力-深度曲線的陡峭度變低，表明軸力差隨荷載增加而增加。圖2顯示，在不同荷載和深度下，樁的軸力曲線近似為直線，說明土層幾乎是均勻的。對泥漿旋挖鉆樁來說，隨著注漿前荷載變化，樁端阻力幾乎沒有明顯的增加趨勢，驗證了沉淀物對樁端阻力的負(fù)面影響，通過提高樁端的剛度和強度，有效地避免了沉渣問題，從而使樁端阻力迅速增加。

3.3 樁側(cè)阻力和樁端阻力

樁側(cè)阻力受成樁工藝、土層類型、樁土相對位移、成樁后時間等多種因素的影響。在本研究中，采用公式（5）計算樁側(cè)平均摩阻力。

（5）

式中：fi為平均樁側(cè)阻力；d為樁直徑；Li為相鄰應(yīng)變計之間的距離。

在不同荷載作用下，樁側(cè)阻力均有不同程度的發(fā)展，隨著荷載增加，土側(cè)阻力逐漸達(dá)到極限。根據(jù)現(xiàn)場勘察資料，整個地層的單軸阻力預(yù)測值約為75kPa，在各自的極限荷載下，SZ1樁和15#樁的最大單軸阻力分別為96kPa和57kPa，與預(yù)期值相比，15#樁的單樁抗力降低了24%，泥漿旋挖樁周圍容易形成泥餅，顯著影響樁土相互作用，降低摩擦阻力，注漿后端承樁同端單位樁側(cè)阻力的差異縮小，表明樁側(cè)注漿可以均勻地提高樁側(cè)阻力并修正深度的影響。

可以用埋設(shè)在樁底的應(yīng)變計來測量試樁的端部阻力，將多個測量結(jié)果結(jié)合公式（5）得到平均樁側(cè)阻力，圖3為樁端阻力與位移的關(guān)系曲線。試驗結(jié)果表明，SZ1樁注漿前后樁端阻力的增幅與樁身位移之間存在近似的線性關(guān)系，由于樁端沉降量較少，樁端阻力開始發(fā)揮作用，因此樁端位移較?。?5#樁注漿前樁端有近30 cm的沉淀物，樁端阻力產(chǎn)生需要樁端發(fā)生較大的沉降。注漿后，樁端阻力隨位移呈線性增加，當(dāng)位移達(dá)到約3.83 mm時，樁端阻力增長率減少，說明樁端位移必須增至一定程度才能充分發(fā)揮樁端阻力，在相同的位移下，樁端可以對樁體提供更大的支撐。

圖4顯示了壓漿前后兩根試樁的樁側(cè)阻力和樁端阻力的荷載分擔(dān)比例，根據(jù)試驗數(shù)據(jù)，SZ1樁注漿后的承載力為52274kN，提高了42%，而15#樁的承載力增加了一倍，達(dá)到48000kN。對SZ1樁的干式旋挖樁法來說，后注漿有效地提高了樁側(cè)阻力和樁端阻力，樁側(cè)阻力和樁端阻力分別增加了約1.39和1.49倍，而樁側(cè)阻力和樁端阻力的分擔(dān)比例幾乎保持不變，約為75%和25%。但對15#樁的泥漿旋挖樁法來說，樁側(cè)阻力和樁端阻力分別約為原來的1.66倍和16倍，樁端阻力占極限承載力的比例從4.69%增至18.91%，由此可見，注漿后15#樁的承載性能有了明顯改善，樁的承載能力得到很大提高，特別是樁端阻力得到了充分發(fā)揮，成為樁的承載能力的組成部分。

4 結(jié)論

本文通過自平衡載荷試驗研究了不同成樁方式下端承樁的受力性能，同時探究了后注漿對樁承載力的影響。干旋挖樁樁端沉渣較少，無水軟化效應(yīng)，更有利于保證端承樁的承載強度；泥漿旋挖樁樁端碳質(zhì)頁巖的大量沉積和軟化會通過增加沉降量和降低樁端阻力而對承載力產(chǎn)生負(fù)面影響，旋挖泥漿樁的泥皮對樁土相互作用有較大影響，上部樁段的單位樁側(cè)阻力降低了24%以上。后注漿技術(shù)可以通過提高樁側(cè)和樁端阻力，減少沉降量，提高嵌巖鉆孔樁的承載能力。

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作者簡介 ：任若昆（1994—），男，漢族，河南新鄉(xiāng)人，畢業(yè)于河南工業(yè)大學(xué)，工程管理專業(yè)，研究方向為市政工程，城市道路與交通工程。

電子郵箱：393422088@qq.com。

作者家庭住址：河南省輝縣市高莊鄉(xiāng)火岔村。