鐵路橋梁工程單樁承載力測試的自平衡法

李正祥

(中鐵二院工程集團有限責任公司土建一院,成都 610031)

1 樁基測試自平衡法的基本概念

1.1 傳統的樁基荷載試驗方法

傳統的樁基荷載試驗方法有兩種,一是堆載法,二是錨樁法。兩種方法均采用油壓千斤頂在樁頂施加荷載。采用堆載法時,千斤頂反力通過反力架上的堆重與之平衡；采用錨樁法時,千斤頂反力通過反力架傳給錨樁,與錨樁的抗拔力平衡。堆載法的主要問題是必須解決幾百噸甚至上千噸的荷載來源、堆放及運輸問題。錨樁法的主要問題是必須設置多根錨樁及反力大梁,不僅所需費用昂貴,時間較長,而且易受加載噸位和場地條件的限制。目前國內采用堆載法試樁的最大極限承載力僅達30 000 kN；錨樁法的試樁最大極限承載力也不超過40 000 t,以致山地、橋梁等特殊場地樁和許多大噸位樁的承載力往往得不到準確數據,難以合理發揮樁基的潛力,這是樁基礎領域面臨的一大難題。

1.2 自平衡試樁法的提出

為解決以上難題,20世紀80年代, 美國學者Osterberg 提出并開展了樁基承載力自平衡試驗方法的研究,將一個荷載箱預埋在樁尖處, 用以測試不同樁基的受力情況。自平衡試驗方法首先在橋梁鋼樁中成功應用,后來逐漸推廣到各種樁型,取得了一些成果。20世紀90年代,中國的一些學者引進了這種方法, 并將其發展成自平衡試樁法。該法將荷載箱置放在樁身某一稱為“自平衡點”的高度處,用壓力箱施壓, 向上一直將上段樁頂出地面,達到承載力的極限狀態。同時, 千斤頂的底座反力也將下段樁壓到其承載力的極限狀態。

該法已成功應用在水上試樁、坡地試樁等多種特殊場地試樁上。樁型有鋼樁、混凝土預制樁、鉆孔灌注樁、沉管灌注樁及人工挖孔樁。在我國,1999年6月制訂了江蘇省地方標準,2002年建設部和科技部作為重點推廣技術。該法在全國27個省市應用于房屋建筑和橋梁樁基工程檢測中,并在京滬高鐵、鄭西客運專線、襄渝鐵路二線、達成鐵路擴能等鐵路工程中廣泛應用。目前,國內試驗單樁最大承載力已高達130 000 kN,最大樁徑2.8 m,最大樁長125 m。

2 樁基試驗的主要目的

(1)了解不同地質條件下各種土類的側阻值,依據試樁成果提供樁周與各土層間的實測摩阻力；

(2)了解不同施工條件下各種土類的樁端阻力值；

(3)校核設計樁長,根據實測側阻值校核驗證試樁的承載力設計值；

(4)通過檢測結果評價成樁工藝。

3 樁基試驗的編制依據

(1)鐵路橋涵地基和基礎設計規范》(TB 10002.5—2005)；

(2)《鐵路工程基樁檢測技術規程》(TB 10218—2008)；

(3)《基樁靜載試驗自平衡法》(JT/T 738—2009)；

(4)《客貨共線鐵路橋涵工程施工技術指南》(TZ203—2008)；

(5)該橋相關地質勘察資料。

4 樁基試驗的原理及方法

4.1 試驗原理

(1)自平衡試樁法是在樁身平衡點位置安設荷載箱,沿垂直方向加載,即可同時測得荷載箱上、下部各自承載力。

(2)其主要裝置是一種經特別設計可用于加載的荷載箱。它主要由活塞、頂蓋、底蓋及箱壁四部分組成。頂、底蓋的外徑略小于樁的外徑,在頂、底蓋上布置有位移棒。將荷載箱與鋼筋籠焊接成一體放入樁體后,即可澆搗混凝土成樁。荷載箱放置部位見圖1。

圖1 荷載箱放置部位示意

(3)試驗時,在地面上通過油泵加壓,隨著壓力增加,荷載箱將同時向上、向下發生變位,促使樁側阻力及樁端阻力的發揮(圖2)。由于加載裝置簡單,多根樁可同時進行測試,并可同時對多根樁測試數據進行處理。

圖2 樁承載力自平衡試驗示意

4.2 理論分析計算

(1)由設計單位提供樁基設計承載力要求。

(2)測試單位根據地勘資料進行樁基極限承載力分析,預估最大加載值。

根據《鐵路橋涵地基和基礎設計規范》(TB10002.5—2005),在靜載荷試驗加載前,對單樁極限承載力進行推算,以保證靜載荷試驗中加載分級的合理性。

根據該規范,鉆孔灌注樁的單樁極限承載力[P]可按下式計算

式中 [P]——樁的容許承載力，kN；

U——樁身截面周長，m；

fi——各土層的極限摩阻力，kPa；

li——各土層的厚度，m；

A——樁底支承面積，m2;

[σ]——樁底地基土的容許承載力，kPa；

m0——樁底支承力折減系數。

(3)測試單位按自平衡法試樁理論進行計算,確定平衡點及試驗荷載值。

4.3 試驗方法

(1)自平衡法測試基樁承載力

基樁自平衡法試驗是將荷載箱置放在樁身自平衡點的高度處,在向上頂樁身的同時,也向下壓樁底,使樁的端阻力和樁身摩阻力互為反力,分別得到樁身和樁底的荷載-位移曲線,分別測得樁側阻力和樁端阻力,經過換算疊加后得到樁頂的單樁承載力和荷載、位移關系的Q-S曲線。

(2)自平衡法軸向應力測試

基樁自平衡法試驗開始后,荷載箱產生的荷載沿著樁身軸線向上、向下傳遞。假設基樁受荷載后,樁身結構完好而無破損,混凝土無離析、斷裂現象,則在各級荷載作用下,混凝土產生的應變量等于鋼筋產生的應變量,通過量測預先埋置在樁體內的鋼筋計,可以實測到各鋼筋計在每級荷載作用下所得的應力-應變關系,從而求出相應樁截面微分單元內的應變量。由此便可求得在各級荷載作用下各樁截面的樁身軸力值及軸力、摩阻力隨荷載和深度變化的傳遞規律。

5 自平衡試樁法的特點

自平衡試樁法相對于傳統的堆載法和錨樁法具有以下特點：

(1)裝置較簡單,不占用場地,不需運入數百噸或數千噸物料,不需構筑笨重的反力架,試樁準備工作省時省力；

(2)該法利用樁的側阻力與端阻力互為反力,可測得樁的側阻力與端阻力和各自的荷載-位移曲線；

(3)試驗費用省。盡管壓力箱為一次性投入器件,但與傳統方法相比可節省試驗總費用的30%～60%。當然,具體比例應視樁與地質條件而定,加載噸位越大越明顯；

(4)試驗后試樁仍可作為工程樁使用,必要時可利用預埋管對荷載箱進行壓力灌漿；

(5)方便的重復試驗。可在不同的樁端深度(雙壓力箱或多壓力箱技術)和同一樁端深度的不同時間(后壓漿試樁效果對比)在同一根樁上方便的進行試驗；

(6)可得到土阻力的靜蠕變和恢復效果。試驗荷載可保留所需的任意長時間段,因此可實測樁側和樁端阻力的蠕變行為的數據；

(7)在下列情況下或當設置傳統的堆載平臺或錨樁反力架特別困難或特別花錢時,該法更顯示其優勢。例如：水上試樁、坡場試樁、基坑底試樁、狹窄場地試樁、斜樁、嵌巖樁、抗拔樁等，這些都是傳統試樁法難以做到的。

6 樁基試驗的步驟及測試內容

(1)優先在施工條件較好的橋位場地開展試驗樁施工及試驗；

(2)可以在先行施工的工程樁上開展試驗工作；

(3)主要測試內容是樁基承載力及樁身內力測試工作；同時在試驗樁中應開展成孔孔徑、沉渣、垂直度和樁身混凝土超聲等研究性測試項目；

(4)樁基承載力測試優先采用方便實施、工期又短的預埋箱法,樁身內力測試采用預埋鋼筋計、應變計形式；

(5)樁基承載力測試用預埋箱安裝位置接近下部1/3樁長以下,具體應由現場計算確定；

(6)在樁側土層厚度較為均等的場地土層界面中預埋內力測試元器件；

(7)在樁側巖土厚度較大、入巖較短的場地土層中每4～5 m一個測試截面預埋內力測試元器件；

(8)重點研究場地內多見的泥巖、砂巖、礫巖及泥質砂巖的承載力學性能。

7 自平衡試樁法的儀器設備

7.1 加載裝置

采用囊式荷載箱,由7個壓力單元N2D400裝配而成,總推力16 450 kN。壓力單元的率定曲線(公式)由計量部門標定。

荷載箱埋設于自平衡點附近。

7.2 加載動力源

荷載箱由位于地面的液壓站,通過埋設的高壓油管向荷載箱分級加載。

7.3 數據采集

試驗采用3組位移數據,分別為下位移(下部樁體位移,測量點位于荷載箱下約1 m位置)、上位移(上部樁體位移,測量點位于荷載箱上約1 m位置)和頂位移(測量點位于樁頂)。

7.4 位移傳遞

(1)上位移和下位移各采用2條位移桿(絲)對稱布置,傳 遞位移。位移絲(桿)一端與測量點固定,另一端上延至地面。頂位移測量與傳統試驗方法相同。

(2)每條位移絲(桿)皆采用保護管實施保護,用于隔離位移桿與樁體混凝土,保證位移桿與測量點同步順暢移動。

7.5 位移數據讀取、記錄

位移數據采用電子傳感器采集,在位移絲(桿)地面端讀取,數據自動傳輸至電腦測量儀進行顯示、記錄、處理。

8 試驗程序及荷載判定方法

8.1 試驗前的準備

(1)試驗準備工作,如樁頭處理,樁頂位移桿制作安裝,電源準備,試驗帳篷搭建,基準梁安裝,測試設備安裝、調試,測試環境等,與傳統靜載試驗要求一致。

(2)所有試驗設備安裝完后,進行一次系統檢測,方法是對樁施加一較小的荷載進行預壓,目的是消除整個試驗系統和被測樁本身由于安裝等人為因素造成的影響,排除荷載箱及管路中的空氣,檢測管路接頭、閥門等是否漏油等。如一切正常,卸載至零,待位移計顯示讀數穩定后,并記錄初始讀數,即可開始正式加載。加載方式可采用慢速維持荷載法或快速維持荷載法。

8.2 加載方案

(1)加載分級：以預估極限值的50%為依據,作為試驗加載極限值,分為10級進行。

(2)加載方法：加載分級采用逐級等量加載；其中第一級取分級荷載的2倍。當樁頂沉降速率達到相對穩定標準時,再施加下一級荷載。

(3)相對穩定標準：樁頂位移量不超過0.1 mm/h,并連續出現2次(從每級荷載施加后第30 min開始,由3次或3次以上每30 min的沉降觀測值計算)。

(4)卸載：卸載分級進行,每級卸載量取加載時分級荷載的2倍,逐級等量卸載。

(5)加載數據記錄：每級加載后在第1 h內觀察第5、15、30、45、60 min的位移值,以后每隔30 min觀察一次,以判斷穩定狀態。同時電腦監控系統自動同步進行位移記錄。

(6)卸載數據記錄：卸載時,每級卸載值為每級加載值的2倍。每級荷載維持1 h,卸載后隔15 min測讀1次殘余沉降,讀2次后,隔30 min再讀1次,即可卸下一級荷載,全部卸載后,隔3～4 h再讀1次。電腦監控系統同步記錄參與位移值。

(7)終止加載條件：當上、下段樁任一段達到下述情況即破壞。

①某級荷載作用下,樁頂沉降量大于前一級荷載作用下沉降量的5倍(注：當樁頂沉降能穩定且總沉降量小于40 mm時,宜加載至樁頂總沉降量超過40 mm)。

②某級荷載作用下,樁頂沉降量大于前一級荷載作用下沉降量的2倍,且經24 h尚未達到穩定標準。

③已達加載裝置的最大加載量。

④當荷載-沉降曲線呈緩變形時,可加載至樁頂總沉降量60 mm。

8.3 位移測量

(1)同時監控并記錄3層位移數據：荷載箱下位移、上位移和頂位移。每層位移測量點為3個均布。

(2)位移測量基準以不受樁側土變形影響為準。

8.4 應力測量

應力計采用鋼筋計,根據地質資料,在樁側土厚度較為均等的場地土層界面中預埋,每層對稱均布3個測量點。

8.5 數據監控記錄

(1)按照規定時間頻率,同時監控并記錄時間、載荷、位移、應力數據。

(2)數據監控和記錄由電腦自動完成。

8.6 試驗結論得出

(1)根據試驗數據,分別繪制試樁上、下部分的Q-s曲線和s-logt曲線。

(2)根據上述曲線進行分析,分別得出上、下部分的樁基極限承載能力。

(3)根據試驗數據,繪制各監測層應力的Q-σ分布變化曲線,并通過計算,進而繪制各監測土層摩阻力的Q-Qsk分布變化曲線。

9 結論

自平衡試樁法相對于傳統的堆載法和錨樁法具有裝置較簡單,不占用場地,試樁準備工作省時省力,測試速度快,試驗費用省的優勢。還可進行方便的重復試驗,又可得到土阻力的靜蠕變和恢復效果，樁基承載力實測值與計算值誤差在10%以內。該法已在襄渝鐵路二線、達成鐵路擴能、廈深線及鄭西客運專線等鐵路項目上應用。目前,已在湘桂線、柳南客運專線和京滬高速鐵路上全面推廣。

但是,由于在計算樁基極限承載能力的公式中, 無法確定自平衡點。荷載箱的放置位置都是按經驗確定的,還存在一定的隨意性，還需通過進一步的研究解決。

[1]TB10002.5—2005，鐵路橋涵地基和基礎設計規范[S].

[2]TZ203—2008，客貨共線鐵路橋涵工程施工技術指南[S].

[3]王伯惠.評樁基測試自平衡法[J].公路，2005(7)．

[4]龔維明，戴國亮.樁承載力自平衡測試技術及工程應用[M].北京：中國建筑工業出版社，2006.