軟土地區灌注樁成孔施工與承載力特征現場試驗研究

李 浩

(廈深鐵路廣東有限公司,廣東深圳 518048)

隨著我國高速鐵路建設蓬勃發展,鐵路橋梁建設也得到了蓬勃發展,由于高鐵對線路的平順性要求很高,高鐵橋梁基礎一般采用樁基礎形式。雖然樁基礎目前已得到廣泛的應用,施工工藝類型多樣,但對樁的研究還遠遠落后于其工程應用[1],主要表現為樁的承載力難以準確計算出來。這主要因為在樁基礎施工過程中樁土間復雜的相互作用,樁側摩阻力與樁端阻力難以準確計算。現有的研究表明:樁側摩阻力的發揮與樁周土的力學性質、樁土的相對位移量[2]、樁-土接觸性質[3]、時間效應[4]、樁端持力層的強度、樁端阻力發揮程度等因素有關。此外灌注樁的施工工藝有多種,各有利弊,施工工藝的選擇與現場的地質條件關系密切,對施工進度和質量有較大的影響。結合廈深鐵路上長沙灣特大橋的樁基現場,進行了靜載試驗和施工工藝試驗。

1 工程概況

廈深鐵路為一新建時速超過200km的鐵路,該線潮汕段超過50%線路分布在軟土地區,相當部分基礎選用樁基。由于影響成樁質量和承載力因素眾多[1～5],為了確保廈深線的施工工期和工程質量,選擇合理的設計參數、提高設計可靠度、優化施工方案、進行橋梁樁基試驗具有重要的工程指導意義。為此,在廈深鐵路長沙灣特大橋內選取268號、269號、270號橋墩進行成樁工藝試驗、單樁靜載試驗和樁身應力、應變試驗,分析了樁側摩阻力傳遞規律,獲取沿線橋梁樁基礎的承載能力和樁的荷載傳遞規律,并在滿足樁基承載力的基礎上,優化了樁基施工方案,為樁基的施工和設計提供了依據。

2 現場試驗

2.1 試驗樁概況

長沙灣特大橋位于廈深鐵路DK378+830.804潮汕至惠州段新建工程,268號、269號、270號墩為該橋的3個試驗墩臺,各墩樁位布置如圖1所示。

圖1 樁分布示意

為了解不同施工方法在該工段地層條件下的適應性,并為工程樁施工工藝參數的合理選擇提供依據,對30根樁進行了成樁工藝試驗。

同時,為了分析不同工藝下樁側摩阻力傳遞規律及樁端阻力的大小,確定樁的承載力,為設計提供依據,對3個試驗墩臺的樁進行了單樁靜載試驗和樁身應力、應變試驗。各試驗樁的設計參數如表1所示。

表1 各橋墩試樁設計基本參數

2.2 工程地質概況

各橋墩地層分布情況如表2所示。

3 施工工藝試驗

3.1 施工工藝試驗簡介

灌注樁根據采用的成孔方法和手段不同,可分為回轉鉆孔灌注樁、旋挖灌注樁、沖孔灌注樁、沉管灌注樁、人工挖孔灌注樁等。其中回轉鉆孔灌注樁、旋挖灌注樁、沖孔灌注樁在橋樁施工中應用較廣泛。

本次試樁樁基均為梅花形布置,樁徑均為1.0 m,其中268號墩采用2臺沖擊鉆機成孔鉆進,269號墩采用2臺回轉鉆機成孔鉆進,270號墩以SANYSR200C型號的旋挖鉆機進行鉆進施工,其中2、3、5、8號孔仍采用沖擊鉆進行施工。

表2 各橋墩地層分布情況匯總

3.2 試驗結果分析

通過30根樁的現場施工工藝試驗,得出成樁過程中幾個重要的施工參數,見表3。

表3 各墩位的鉆孔工效分析

從表3并結合現場施工可知:旋挖鉆機成孔平均功效最大,為7.82 m/h,遠遠大于其他兩種成孔方法的功效,且在厚度較大的淤泥、沙層條件下,其擴孔現象不明顯,同時混凝土灌注的充盈系數較小,基本控制在1.14以內。綜上分析,選擇旋挖鉆機成孔,優點在于成孔周期短、孔形好,其混凝土灌注的充盈系數最能體現其優越性,所以在滿足樁的承載力要求的情況下,優先選用旋挖鉆機成孔工藝。

4 承載力性狀試驗

4.1 試驗裝置

單樁豎向抗壓靜載試驗采用錨樁橫梁反力裝置,如圖2所示。

圖2 錨樁橫梁反力裝置示意

加載采用3個5 000 kN油壓千斤頂并聯,通過電動油泵驅動加載,千斤頂的合力通過試樁中心。為了在樁基試驗過程中測量樁身的應變,以分析豎向靜載試驗過程中樁側摩阻力和樁端阻力的分布以及試驗過程中樁身應變(應力)變化情況,結合樁基所在位置地質分層情況,每根試樁設若干個測試截面,每個測試截面埋有2～4個鋼筋計,樁底埋設壓力盒以測量試樁的端阻力。

4.2 承載力試驗結果分析

采用以上裝置進行單樁靜力載荷試驗,采用分級加載方法,其中268號墩和269號墩的單樁加載至設計承載力的2倍,270號墩的單樁加載至設計承載力的1.5倍。通過現場試驗對268號墩的 5、6、7號樁,269號墩的4、5號樁,270號墩的5、6、7號樁進行靜載試驗,可以得出單樁的Q-S曲線及S-lg t曲線,鑒于268號墩、269號墩和270號墩中的各個單樁的載荷-沉降曲線性狀特征相似,在此分別給出了3個墩中典型的Q-S曲線及S-lg t曲線,如圖3、圖4所示。

圖3 樁身Q-S曲線

從圖3和圖4可以看出,各樁的Q-S曲線無明顯的陡降段或第二拐點,S-lg t曲線無明顯的下彎段。對于268號墩的單樁而言,試驗荷載加至9 000 kN時,對應的累計沉降量為26.68 mm,試樁能較快穩定,卸載后試樁的回彈變形分別為10.04 mm,回彈變形占累計變形量的37.6%。依據規范,該試樁的豎向極限承載力均大于9 000 k N;同理,對于269號墩的單樁而言,試樁的豎向極限承載力大于9 480 k N,對于270號墩的單樁而言,試樁的豎向極限承載力大于6 700 k N。從上分析可知:268號墩、269號墩和270號墩的單樁均滿足設計承載力要求。

圖4 樁身S-lg t曲線

4.3 樁側摩阻力試驗分析

4.3.1 樁身軸力分析

試驗加載前讀取鋼筋計的初讀數,待初讀數讀取完畢后即開始加載,每級荷載穩定后分別測定每個安裝截面測量元件在該級荷載下的變化量即可得出鋼筋應力隨荷載變化曲線。根據各橋墩試樁實測鋼筋應力曲線,由于樁壓縮變形中鋼筋與混凝土一般不會脫離,根據變形協調原理,可得出樁身的實測截面應變:用應變乘以彈性模量、樁截面積即可得樁身軸向力分布曲線[6],如圖5所示。

圖5 樁身軸力隨樁深變化規律

從圖5可以看出,在淤泥層軸力斜率較大,表明軸力在該層傳遞較快,隨著載荷增大,軸力斜率變化不大,表明該層側摩阻力充分發揮;在強風化英安巖中,隨著加載增大,該層中樁身斜率逐漸變大,表明該層側摩阻力逐漸增大,當載荷增大到一定的程度,斜率基本不變,表明該層側摩阻力充分發揮,其他土層如粉砂層、淤泥質粉砂、粗角礫層等與此相似;在整個加載過程中,樁端力隨著加載不斷地增大,表明樁端阻力尚未發揮到最大。

4.3.2 樁側摩阻力試驗分析

根據樁的受力平衡[6],得出樁側摩阻力的大小,各樁端阻力、總摩阻力與荷載之關系曲線如圖6、圖7所示。

圖6 各土層樁側摩阻力與荷載關系曲線

圖7 樁側摩阻力和樁端阻力與荷載關系曲線

從圖6可以看出:淤泥層的樁側摩阻力首先發揮至最大,隨后隨加載增大基本保持不變。隨后淤泥質粉砂或粉砂也逐漸發揮至最大,與淤泥層中的側摩阻力略有不同,淤泥質粉砂或粉砂隨著加載增大,其側摩阻力有一定增大,但隨著載荷水平增大,其增加的數量逐漸減少,表現在圖6上,曲線斜率逐漸減少;全風化英安巖與粗角礫土隨加載增大,其側摩阻力與粉砂相似,都有一定的強化現象,強化效應略大于粉砂;強風化英安巖中樁側摩阻力隨加載水平強化效應比較明顯,且極限側摩阻力也較大,是主要的持力層。

從圖7可以看出,在外載小于3 000 k N時,外載基本由樁側摩阻力承擔,這時樁端阻力很小,隨著載荷增大,樁端阻力開始增大,但在初期,增加量較小,表現在曲線上其斜率較小,這表明樁側摩阻力尚未完全發揮,隨著外載繼續增大,樁端阻力顯著增大,這能在圖7樁端阻力與載荷關系曲線上表現出來,而在這個過程中,樁側總摩阻力增加量較小,這表明樁側摩阻力總體上已基本完全發揮。

綜上分析,對268號墩、269號墩和270號墩而言,加載至最大載荷后,樁側摩阻力基本已經完全發揮,樁端阻力尚未充分發揮,不同地層中樁側極限摩阻力的大小如表4所示。

表4 各土層極限側摩阻力大小 kPa

表4結果表明:各橋墩試樁實測的分層側摩阻力差異較小,表明了現場試驗數據的可信性,可以取每層的均值作為今后工程樁設計樁側摩阻力的依據,相應土層樁極限側摩阻力標準值淤泥可取25 k Pa、淤泥質粉砂可取50 k Pa、粉砂可取 60 kPa、粗角礫土可取 100 k Pa、粉質黏土可取48 k Pa、全風化英安巖可取 68 k Pa、強風化英安巖可取110 k Pa。

5 結論

本文采用3種成孔工藝進行成樁,進行施工工藝試驗比較,結合載荷試驗結果可知,3種成樁方法成樁后,樁的承載力均滿足設計要求,從經濟性和工期考慮,宜選用旋挖鉆鉆進成樁;通過樁靜載試驗表明樁的承載力滿足設計要求;另外,通過現場試驗確定了樁的承載力性狀,分析了樁在土中側摩阻力傳遞規律,分析結果表明:各土層摩阻力不能同時發揮到極限,淤泥質土首先達到極限,且隨著載荷增加,摩阻力基本保持不變;其次是粉砂、粗角礫土、全風化英安巖達到極限,但隨著加載水平增大,其極限摩阻力有一定的加強;強風化英安巖最后達到極限,其極限摩阻力隨載荷增加強化比較明顯,是樁主要的持力層;而樁端阻力在加載過程中,加載初期基本為0 k N,隨著加載增大,樁端阻力逐漸增加,但是整個加載過程中,樁端阻力尚未達到極限。

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