嵌巖樁與多層土質(zhì)構(gòu)造下摩擦樁的自平衡法測(cè)試

胡曉波，劉仁陽(yáng)，夏明亮，李 軍，肖柏軍

(1.中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，長(zhǎng)沙 410075；2.中鐵五局集團(tuán)海外工程公司，貴陽(yáng) 550002；3.中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 102600)

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嵌巖樁與多層土質(zhì)構(gòu)造下摩擦樁的自平衡法測(cè)試

胡曉波1，劉仁陽(yáng)2，夏明亮3，李 軍1，肖柏軍1

(1.中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，長(zhǎng)沙 410075；2.中鐵五局集團(tuán)海外工程公司，貴陽(yáng) 550002；3.中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 102600)

結(jié)合檢測(cè)工況對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)的影響，對(duì)自平衡“精確轉(zhuǎn)換法”進(jìn)行改進(jìn)，提出摩擦樁位移協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)換法和嵌巖樁的荷載協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)換法，實(shí)際應(yīng)用結(jié)果說(shuō)明兩種轉(zhuǎn)換方法合理。所得測(cè)試結(jié)果表明湄公河大橋樁基承載力符合設(shè)計(jì)要求；分析湄公河大橋試樁的側(cè)摩阻力和端承力分布，嵌巖樁和摩擦樁縱向承載均以側(cè)阻力為主。

樁基；自平衡試驗(yàn)；轉(zhuǎn)換方法；嵌巖樁；摩擦樁

基樁承載力的自平衡試驗(yàn)方法是20世紀(jì)80年代末形成的新型樁基靜載測(cè)試技術(shù)[1-2]，首先在歐美和東亞得到應(yīng)用[3-5]，此后，中國(guó)也開(kāi)始研究和應(yīng)用該項(xiàng)技術(shù)[4,6]，制訂行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[7]，并在南京長(zhǎng)江三橋等一些重大工程中應(yīng)用該測(cè)樁技術(shù)[8-11]。

在嵌巖樁應(yīng)用自平衡方法的應(yīng)用基礎(chǔ)和工程實(shí)踐的研究方面，聶如松等[15]運(yùn)用Mindlin應(yīng)力解和疊加原理求解，研究避免引進(jìn)經(jīng)驗(yàn)系數(shù)的等效轉(zhuǎn)換方法等；高平等[16]和龔成中等[17]進(jìn)行了軟巖條件下試樁自平衡檢測(cè)的研究；龔成中等[18]還分析孔壁特征對(duì)樁的承載特性的影響，Charles等[19]、符勇等[20]則就樁身參數(shù)對(duì)荷載傳遞影響，和大直徑嵌巖樁承載特性進(jìn)行研究；Williams等[21]研究了不同巖性對(duì)側(cè)摩阻力的影響；曹漢志[22]認(rèn)為一定條件下傳遞函數(shù)可采用全塑模型，龔成中嘗試將該模型用于自平衡轉(zhuǎn)換中。對(duì)于巖貌較完整、巖性良好條件下的嵌巖樁，一般設(shè)計(jì)為端承樁，較難進(jìn)行自平衡檢測(cè)，隨著對(duì)抗震和防側(cè)推等問(wèn)題的重視，設(shè)計(jì)深嵌巖樁的工程增多，進(jìn)行自平衡方法在嵌巖樁檢測(cè)中的應(yīng)用也相當(dāng)重要。

檢測(cè)工況的影響，除荷載傳遞和文獻(xiàn)[23]涉及的Q-S曲線對(duì)稱性問(wèn)題外，還有環(huán)境溫度變化及施工干擾的影響。溫度波動(dòng)和施工的影響主要在于實(shí)測(cè)位移量的偏差，及其引起的Q-S曲線的形狀及轉(zhuǎn)換后P-S關(guān)系的精度，這種影響在位移量較小的情況下不可忽略，如嵌巖樁的檢測(cè)等。

總之，按照J(rèn)T/T 738—2009進(jìn)行試樁檢測(cè)已相當(dāng)普遍，但仍有多種檢測(cè)工況影響下的檢測(cè)和轉(zhuǎn)換方法有待細(xì)化。

1 嵌巖樁與多層土地質(zhì)構(gòu)造下摩擦樁的等效轉(zhuǎn)換方法

1.1 摩擦樁位移協(xié)調(diào)法

(1)

(2)

實(shí)際檢測(cè)中不同巖土層和浸水浮力的影響、承載力確定等問(wèn)題，仍按JT/T 738—2009的規(guī)定和方法處理。

以Pi、Si和Pt、St作為Pk、Sk，繪制P-S曲線

1.2 嵌巖樁荷載協(xié)調(diào)法

因巖石情況γ=1，荷載(位移)傳至下段樁時(shí)樁頂P和S的疊加計(jì)算式為

(3)

(4)

式中符號(hào)同前。

2 等效轉(zhuǎn)換方法在湄公河大橋樁基測(cè)試中的應(yīng)用

2.1 橋址地質(zhì)概況和試樁測(cè)試參數(shù)

湄公河大橋是昆曼公路跨越老撾會(huì)曬與泰國(guó)清孔間湄公河的關(guān)鍵工程，為五跨四墩的預(yù)應(yīng)力混凝土現(xiàn)澆連續(xù)箱梁橋。橋的起止樁號(hào)為：SAT.4+978.565 ～SAT.5+458.565，主橋全長(zhǎng)480 m，橋面標(biāo)準(zhǔn)橫斷面為主線雙向2車道。橋址處的湄公河位于山塹式?jīng)_積平原邊緣，微地貌為：左岸(老撾會(huì)曬側(cè))為山腳下覆有砂黏土的基巖斜坡；右岸(泰國(guó)清孔側(cè))為沖積平原的漫灘和河岸。主橋四墩中M7墩基礎(chǔ)位于清孔側(cè)河岸，M10墩基礎(chǔ)位于會(huì)曬側(cè)河岸；M8和M9的墩基礎(chǔ)分別位于主航道兩側(cè)。M7和M8墩的地質(zhì)情況為砂黏土、粉砂、砂礫、砂卵石夾泥和硬黏土組成的多層式地層構(gòu)造，M9和M10墩為覆有砂土的高度至中度風(fēng)化流紋凝灰?guī)r地質(zhì)條件。橋墩為群樁基礎(chǔ)，樁徑均設(shè)計(jì)為1.5 m，依據(jù)地質(zhì)情況設(shè)計(jì)有嵌巖樁和摩擦樁兩種，各樁樁長(zhǎng)不等。所測(cè)四根樁中，摩擦樁：M7-B3樁頂標(biāo)高341.1 m，樁底標(biāo)高296.1 m， M8-B2樁頂標(biāo)高341.6 m，樁底標(biāo)高286.7 m；嵌巖樁：M9-B5樁頂標(biāo)高341.6 m，樁底標(biāo)高317.5 m，M10-A4樁頂標(biāo)高341.6 m，樁底標(biāo)高 324.2 m。其中M8和M9為高樁基承臺(tái)墩，且各樁施工時(shí)均加有長(zhǎng)度不一的鋼護(hù)筒，樁的有效承載樁長(zhǎng)有所不同。施工采用沖擊鉆孔-灌注成樁工藝。各試樁的地質(zhì)情況見(jiàn)表1。

表1 試樁位置地質(zhì)情況

按JT/T 738—2009方法和JTG D63—2007所列側(cè)摩阻力參數(shù)確定平衡點(diǎn)。試樁參數(shù)和荷載箱位置見(jiàn)表2。

表2 試樁參數(shù)

注：1. M8和M9為高臺(tái)樁，M8-B2和M9-B5樁有效樁長(zhǎng)以外的部分在沖刷線以上水中；2.M10-A4的荷載箱位置受施工進(jìn)度影響而設(shè)定。

表3 各試樁應(yīng)變計(jì)位置Table 3 Locations of strain gauge in different test pile

2.2 試樁檢測(cè)情況和結(jié)果

各試樁均在混凝土灌注成樁達(dá)到齡期后檢測(cè)，采用慢速維持荷載法進(jìn)行加載測(cè)試，試樁的加載量按檢測(cè)加載設(shè)計(jì)值的1/10進(jìn)行，第1級(jí)加載為兩倍分級(jí)荷載，卸載按5級(jí)進(jìn)行。

2.2.1 試樁Q-S曲線的測(cè)試結(jié)果 測(cè)試所得M7-B3、M8-B2、M9-B5和M10-A4的Q-S曲線如圖1、圖2、圖3和圖4。

圖1 M7-B3的Q -S曲線Fig.1 Q -S curve of M7-B3

圖2 M8-B2的Q -S曲線 Fig.2 Q -S curve of M8-B2

圖3 M9-B5的Q -S曲線Fig.3 Q -S curve of M9-B5

圖4 M10-A4的Q -S曲線 Fig.4 Q -S curve of M10-A4

M7-B3和M8-B2同為摩擦樁，圖1和圖2顯示兩樁的Q-S曲線為緩變型曲線，加載至設(shè)計(jì)值，兩試樁中上、下段樁的最大位移值分別為18.60 mm和20.68 mm，小于終止加載條件的要求。圖3和圖4所示M9-B5和M10-A4的Q-S曲線同樣為緩變型曲線，兩試樁對(duì)應(yīng)最大加載設(shè)計(jì)值的上、下段樁位移讀數(shù)的最大值顯示為4.29 mm。

受樁位地質(zhì)條件差異及對(duì)應(yīng)平衡點(diǎn)選擇的影響，M7-B3和M8-B2試樁的Q-S曲線上、下段不完全對(duì)稱。同樣，圖3和圖4所示M9-B5和M10-A4的Q-S曲線存在不完全對(duì)稱問(wèn)題。自平衡方法在實(shí)際測(cè)試中獲得不對(duì)稱Q-S曲線應(yīng)該是較為普遍現(xiàn)象。

圖3和圖4所示的Q-S曲線還顯示位移測(cè)讀結(jié)果的影響，表現(xiàn)為M9-B5樁和M10-A4樁的Q-S曲線出現(xiàn)不連續(xù)性。該不連續(xù)現(xiàn)象來(lái)源于位移值的波

動(dòng)偏差，位移值的偏差在樁基靜載檢測(cè)中同樣是普遍問(wèn)題，來(lái)源于位移測(cè)讀裝置和環(huán)境條件，自平衡試驗(yàn)主要是溫度變化引起基準(zhǔn)梁變形的影響。相對(duì)而言，摩擦樁的位移沉降量較大，可以忽略其影響，但嵌巖樁則不同，嵌巖樁在加載中發(fā)生的真實(shí)位移量小，位移量偏差接近樁的加載位移，所以，M9-B5和M10-A4樁Q-S曲線呈明顯的不連續(xù)性。

表4 各試樁土(巖)層摩阻力

2.3 試樁檢測(cè)結(jié)果分析與討論

圖5 M7-B3樁P-S等效轉(zhuǎn)換曲線Fig.5 Equivalent P-S curve of pile M7-B3

圖6 M8-B2樁P-S等效轉(zhuǎn)換曲線Fig.6 Equivalent P-S curve of pile M8-B2

圖7 M9-B5樁P-S等效轉(zhuǎn)換曲線Fig.7 P-S equivalent converted curve of pile M9-B5

圖8 M10-A4樁P-S等效轉(zhuǎn)換曲線 Fig.8 P-S equivalent converted of pile M10-A4

圖5～圖8所示的測(cè)點(diǎn)(Pk，Sk)偏差，引起P-S曲線的波動(dòng)連續(xù)，主要受位移測(cè)讀偏差等檢測(cè)工況因素的影響，不影響結(jié)果的合理。

表5 試樁承載特性

總之，摩擦樁通過(guò)采用位移協(xié)調(diào)法轉(zhuǎn)換可以獲得較完整的P-S曲線，嵌巖樁采用荷載協(xié)調(diào)法，減少和避免位移讀數(shù)偏差對(duì)轉(zhuǎn)換P-S曲線的影響，便于對(duì)試樁承載能力檢測(cè)和設(shè)計(jì)加載極限下試樁豎向承載特性分析。轉(zhuǎn)換所得各試樁P-S曲線與傳統(tǒng)測(cè)試結(jié)果相符合。

2.3.2 試樁豎向承載力和承載特性分析 根據(jù)前述各測(cè)試結(jié)果，按承載力公式和位移公式，進(jìn)一步計(jì)算分析樁基豎向承載力和承載特性，結(jié)果列于表5。

數(shù)據(jù)結(jié)果表明：湄公河大橋主橋各試樁的承載力均達(dá)到設(shè)計(jì)要求。承載特性為：摩擦樁M7-B3和M8-B2的樁端阻力為樁承載力的5.4%和3.6%，嵌巖段總側(cè)阻力為樁承載力的94.6%和96.4%；嵌巖樁M9-B5和M10-A4的樁端阻力為樁承載力的8.2%和6.6%，嵌巖段總側(cè)阻力為樁承載力的91.8%和95.4%。嵌巖樁的樁端承載力偏低，因橋墩處流紋巖力學(xué)性能好于預(yù)計(jì)，嵌巖樁的端承作用沒(méi)有發(fā)揮，就豎向承載力而言設(shè)計(jì)偏于保守，但對(duì)樁的抗震和抗滑坡側(cè)推有利。

3 結(jié)論

歸納摩擦樁位移協(xié)調(diào)法和嵌巖樁荷載協(xié)調(diào)法在湄公河大橋樁基承載力檢測(cè)中應(yīng)用和研究，主要得到以下幾點(diǎn)結(jié)論：

1)對(duì)于多層土質(zhì)的地質(zhì)條件下，樁基靜載試驗(yàn)采用的理想塑性假設(shè)，由上而下推算上段樁的荷載和位移傳遞，摩擦樁按位移協(xié)調(diào)的疊加轉(zhuǎn)換方法，合理且簡(jiǎn)便可行。

2)受多因素的影響，樁基靜載試驗(yàn)中樁的加載位移存在偏差，影響測(cè)試結(jié)果。對(duì)于加載位移較小的嵌巖樁，按理想摩擦假設(shè)，和荷載協(xié)調(diào)進(jìn)行疊加轉(zhuǎn)換，可減少位移偏差影響，轉(zhuǎn)換結(jié)果可靠，方法適用。

3)湄公河大橋主橋各墩的樁承載力均達(dá)到設(shè)計(jì)要求。承載特性分析表明，摩擦樁和嵌巖段縱向承載均以側(cè)阻力為主。

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(編輯 王秀玲)

Foundation pile test by self-balanced method of rock-socketed piles and friction piles in multilayer soil geological structure

HuXiaobo1，LiuRenyang2，XiaMingliang3，LiJun1，XiaoBojun1
(1.School of Civil Engineering，Central South University，Changsha 410075，P.R.China；2.Overseas Engineering Company of China Railway No.5 Engineering Group Co.，Ltd. Guiyang 550002，P.R.China；3.China Railway Fifth Survey and Design Institute Group Co.，Ltd. Beijing 102600，P.R.China)

Based on the impact of detecting condition on testing data,the self-balanced "exact conversion method" was improved. And friction pile displacement coordinate conversion method and loads coordinate transformation method of rock-socketed piles were proposed. The results illustrated that the practical application of the two conversion methods were reasonable and Mekong Bridge pile foundation met the design requirements. Analyzing the lateral friction and end bearing force distribution of tested pile,the results show that,similar to friction piles,the main vertical bearing capacity of rock-socketed piles were the main lateral friction in the Mekong Bridge.

foundation pile；self-balanced loading test；rock-socketed piles；friction pile；conversion method

10.11835/j.issn.1674-4764.2015.02.007

2014-08-02 基金項(xiàng)目：大湄公河次區(qū)域南北經(jīng)濟(jì)走廊國(guó)際橋梁項(xiàng)目

胡曉波(1961-)，男，教授，博士，主要從事土木工程材料和工程檢測(cè)研究，(E-mail)xbhu@csu.edu.cn。

Foundation item：GMS North-South Economic Corridor International Bridge Project (Houayxay-Chiang Khong)

TU473

A

1674-4764(2015)02-0039-08

Received：2014-08-02

Author brief：Hu Xiaobo(1961-), professor, PhD,main research interests: civil engineering materials, civil engineering detection,(E-mail)xbhu@csu.edu.cn.