自平衡法在十二里河梁式渡槽樁基檢測中的應用

黃 芬， 楊 樺

(中國水利水電第十工程局有限公司，四川 成都 610072)

1 工程概述

南水北調中線一期工程南陽段二標段十二里河涵洞式渡槽位于十二里河進口與姚灣東南公路橋之間，與總干渠軸線正交，其設計流量為340 m3/s，最大流量410 m3/s，設計水深7.5 m。工程主要由進口漸變段、進口閘室段、進口連接段、渡槽段、出口連接段、出口閘室段、出口漸變段等七部分組成。

進口段與上游渠道和槽身相連，渡槽尺寸(寬×高×長×槽數)為13 m×7.8 m×60 m×2。渡槽槽身形式為開口箱型，2孔—13 m×7.8 m，其中槽身分為兩跨，每跨30 m。槽墩采用空心墩，壁厚0.8 m，墩頂和墩底各設1 m實體段。槽臺采用雙柱式墩身，柱徑3 m。槽墩及槽臺均為鉆孔灌注樁基礎，樁徑1.8 m，平均樁長45 m，每個墩、臺下設16根樁基,具體布置見圖1。

圖1 墩樁基布置圖

2 樁基自平衡測試原理

自平衡測樁法是在樁尖附近安設荷載箱，沿垂直方向加載，即可同時測得荷載箱上下部各自的承載力。這是利用上段樁側阻和下段樁側阻與端阻自相平衡的一種測樁法。有關測試原理見圖2、3。自平衡測樁法的主要裝置是一種經特別設計、可用于加載的荷載箱，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。荷載箱是該測試法的關鍵設備，測試前埋入樁的位置應根據設計圖和專門的規范要求經計算確定。

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。由于加載裝置簡單，多根樁可同時進行測試。

荷載箱中的壓力可用壓力表測得，荷載箱的向上、向下的位移可用位移傳感器測得。因此，可根據讀數繪出相應的“向上的力與位移圖”及“向下的力與位移圖”，根據兩條Q→S曲線及相應的s-logt、s-logQ曲線，可分別求得荷載箱上段樁及下段樁的極限承載力，將上段樁極限承載力經一定處理后與下段樁極限承載力相加，即為樁極限承載力。

3 自平衡靜載試驗的特點

自平衡靜載試驗和傳統樁基試驗相比較，具有以下特點：

(1)不受場地條件限制，不需要幾百噸甚至幾千噸重的載荷，也不需要錨樁及反力梁，對試驗場地要求低，還適用于水上樁體試驗、斜坡場地樁體試驗及狹窄場地樁體試驗。該方法還具有占地面積小，對施工干擾小，對工程進度影響小的優點。

圖2 自平衡示意圖

圖3 樁基自平衡測試系統圖

(2)能夠解決大承載力樁基試驗問題。目前國內自平衡法樁基試驗的單樁最大承載力高達130 000 kN，最大樁徑為2.8 m，最大樁長為125 m，遠遠大于傳統試驗的極限。

(3)重復試驗方便，可以在不同的樁體深度(雙荷載箱或多荷載箱)以及在同一樁體深度的不同時間(樁底壓漿處理前后)在同一根樁上方便地進行試驗。

(4)與其他測試元件相配合，能準確地確定樁側土的側阻系數和樁端土的端阻系數，與勘察設計取值相驗證，可用于指導、優化勘察設計工作。

(5)試驗后經過一定的處理，如利用預埋管對荷載箱部位進行壓力灌漿處理，試驗樁仍可作為工程樁使用。

4 測試樁的基本參數

根據設計及相關規范要求，十二里河梁式渡槽樁基試驗檢測確定在1#墩位置上選取兩根樁進行自平衡法測試。所抽取的兩根樁的有關設計參數見表1。

表1 自平衡測試的樁基設計參數表

5 測試方案及方法

5.1 試驗設備

試驗儀器設備主要有囊式荷載箱、電子位移計、電動油泵、電腦及數據自動采集儀、精密壓力表等。本工程選取的儀器設備及相關要求如下:

(1)環形囊式荷載箱加載值的率定曲線由計量部門標定。

(2)高壓油泵的最大加壓值為60 MPa，加壓精度為每小格0.5 MPa，其壓力表亦由計量部門標定。

(3)電子位移傳感器由計量部門標定，量程100 mm，每樁6只， 2只用于量測樁身荷載箱處的向上位移，2只用于量測樁身荷載箱處的向下位移，2只用于量測樁頂的向上位移。

5.2 試驗方法

(1)試驗按照《《公路橋涵施工技術規范》(JTJ041-2000)和《基樁靜載試驗自平衡法》(JT/T738-2009)進行，采用慢速維持荷載法(自平衡法)，加載裝置依靠荷載箱上部樁的摩阻力和樁重與荷載箱下部樁的端阻力相互提供反力。

(2)荷載分級：以預估極限值24 160 kN的50%為依據，即12 080 kN為試驗加載極限值，分為10級，每一級為1 208 kN。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，卸載分5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。

(3)沉降觀測：加載時每級荷載施加后按照第1 h內觀察第5、15、30、45、60 min的位移值，以后每隔30 min測讀一次，卸載時每級荷載卸載后前30 min 內每隔15 min測讀一次殘余沉降，以后隔30 min再讀一次，全部卸載后，隔3～4 h再讀一次。

(4)終止加載條件。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)。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-沉降曲線呈緩慢變形時，將加載至樁頂的總沉降量控制在60～80 mm；在特殊情況下，可根據具體要求加載至樁頂累計沉降量不超過80 mm。

(5)單樁極限承載力的確定。依據《基樁靜載試驗自平衡法》(JT/T 738-2009)，按照實測荷載箱上(Qus)、下(Qux)位移計算承載力，計算公式如下：

式中Qu為單樁豎向抗壓實測承載力；Qus為荷載箱上部樁的實測加載值，按《公路橋涵施工技術規范》(JTJ 041-2000)附錄B“試樁試驗辦法”確定；Qux為荷載箱下段樁的實測加載值，按《公路橋涵施工技術規范》(JTJ 041-2000)附錄B“試樁試驗辦法”確定；W為荷載箱上部樁的有效自重；γ為荷載箱上部樁側阻力修正系數。 對于粘性土、粉土γ=0.8；對于砂土γ=0.7；對于巖石γ=1。

針對該工程，考慮到地質情況和工程的重要性，取γ=0.8，偏于安全。

6 檢測結果分析

(1)本工程2根單樁靜載荷試驗數據見圖4、5。

(2)2根單樁靜載荷試驗最大加載量、最大位移量及殘余位移量見表2。

(3)試驗結果。

圖4 1-1#樁樁頂位移靜載荷曲線圖

圖5 1-16#樁樁頂位移靜載荷曲線圖

表2 自平衡靜載試驗數據匯總表

本工程2點靜載荷試驗結果見表3，1-1#樁的實測極限承載力的值為24 755 kN，1-16#樁的實測極限承載力的值為24 775 kN，均大于設計值24 160 kN。

7 結 語

表3 自平衡靜載試驗結果表

(1)自平衡靜載試驗結果表明：1-1#、1-16#樁的樁端承載力特征值分別為12 376 kN、12 388 kN， 兩根樁的單樁豎向抗壓承載力特征值均滿足設計要求(設計承載力特征值為12 078 kN)；在最大試驗荷載作用下，樁身質量完好。

(2)樁基自平衡靜載試驗在樁身內部尋求加載反力，不再需要外部的加載反力，因而可以在某些試驗環境困難時，完成傳統樁基堆載試驗方法不能完成或很難完成的試驗，同時也是大承載力樁基靜載試驗的一種發展方向。隨著該檢測技術的不斷成熟和發展，樁基自平衡法靜載試驗必將受到越來越多人的認可和推廣應用。