嵌巖樁與多層土質構造下摩擦樁的自平衡法測試
2015-04-29 00:00:00胡曉波劉仁陽夏明亮李軍肖柏軍
土木建筑與環境工程 2015年2期
摘 要：結合檢測工況對測試數據的影響，對自平衡“精確轉換法”進行改進，提出摩擦樁位移協調轉換法和嵌巖樁的荷載協調轉換法，實際應用結果說明兩種轉換方法合理。所得測試結果表明湄公河大橋樁基承載力符合設計要求；分析湄公河大橋試樁的側摩阻力和端承力分布，嵌巖樁和摩擦樁縱向承載均以側阻力為主。
關鍵詞：樁基；自平衡試驗；轉換方法；嵌巖樁；摩擦樁
中圖分類號：TU473 文獻標志碼：A 文章編號：1674-4764（2015）02-0039-08
基樁承載力的自平衡試驗方法是20世紀80年代末形成的新型樁基靜載測試技術[1-2]，首先在歐美和東亞得到應用[3-5]，此后，中國也開始研究和應用該項技術[4，6]，制訂行業標準[7]，并在南京長江三橋等一些重大工程中應用該測樁技術[8-11]。
Q-S曲線向P-S曲線的轉換方法是樁基自平衡檢測技術應用的關鍵，也是自平衡法檢測理論研究的重點。轉換方法研究的主要問題包括：樁土（巖）關系及其計算模型的影響，上段樁Q-S曲線轉換結果與下段樁Q-S曲線的疊加關系，以及檢測工況對Q-S及轉換結果的影響等。
受檢測工況和樁土（巖）關系等因素的影響，樁基自平衡測試中荷載傳遞情況與樁實際承載時的存在一定差異；又由于實際地質條件下的巖土種類和性狀的多樣性，樁土（巖）關系及其計算模型也有所區別，需要研究有針對性的轉換方法。目前，中國圍繞土體性質和樁土間荷載傳遞以及自平衡轉換問題的研究有：齊靜靜等[12]的濕陷性黃土的濕陷性下沉及負摩阻力影響，樁承載力和位移的轉換公式研究；熊巨華等[13]根據彈性和塑性硬化特征，利用樁土側摩阻力雙折線模型和樁端土的三折線模型的轉換方法；朱向榮等[14]對土體連續性的影響及超長樁轉換方法改進的研究。多層土質地質情況下自平衡測試結果轉換方法同樣值得關注。
在嵌巖樁應用自平衡方法的應用基礎和工程實踐的研究方面，聶如松等[15]運用Mindlin應力解和疊加原理求解，研究避免引進經驗系數的等效轉換方法等；高平等[16]和龔成中等[17]進行了軟巖條件下試樁自平衡檢測的研究；龔成中等[18]還分析孔壁特征對樁的承載特性的影響，Charles等[19]、符勇等[20]則就樁身參數對荷載傳遞影響，和大直徑嵌巖樁承載特性進行研究；Williams等[21]研究了不同巖性對側摩阻力的影響；曹漢志[22]認為一定條件下傳遞函數可采用全塑模型，龔成中嘗試將該模型用于自平衡轉換中。對于巖貌較完整、巖性良好條件下的嵌巖樁，一般設計為端承樁，較難進行自平衡檢測，隨著對抗震和防側推等問題的重視，設計深嵌巖樁的工程增多，進行自平衡方法在嵌巖樁檢測中的應用也相當重要。
胡曉波，等：嵌巖樁與多層土質構造下摩擦樁的自平衡法測試
在轉換方法的疊加關系問題上有經驗法和精確轉換法。在經驗法的研究中，鮑育明等[23]針對等位移法在疊加兩段樁Q-S為P-S結果時，因荷載箱位置影響的上、下段樁Q-S曲線不對稱，引起P-S曲線不完整和判斷極限承載力困難的問題進行研究，并提出通過修正系數（λ1、λ2）實現轉化的等荷載法。文獻[6]的精確轉換法和JT/T 738—2009所給“樁身軸向力實測值”情況的轉換，則將試樁分割成n單元（樁段），逐段推算至上段樁的樁頭（樁端）位移（Si0），按Si0和下段樁樁頭（荷載箱處）的位移（Si2）協調原則和疊加方法，獲得整樁的P-S轉換結果。
檢測工況的影響，除荷載傳遞和文獻[23]涉及的Q-S曲線對稱性問題外，還有環境溫度變化及施工干擾的影響。溫度波動和施工的影響主要在于實測位移量的偏差，及其引起的Q-S曲線的形狀及轉換后P-S關系的精度，這種影響在位移量較小的情況下不可忽略，如嵌巖樁的檢測等。
總之，按照JT/T 738—2009進行試樁檢測已相當普遍，但仍有多種檢測工況影響下的檢測和轉換方法有待細化。
1 嵌巖樁與多層土地質構造下摩擦樁的等效轉換方法
基于樁土荷載傳遞的彈全塑模型和軟化模型的理想塑性和軟化特征，參照文獻[6]的位移協調法和文獻[23]的等荷載法，結合摩擦樁和嵌巖樁檢測工況與實測Q-S曲線特征，在湄公河大橋樁基檢測中采用如下P-S曲線轉換處理方法。
1.1 摩擦樁位移協調法
摩擦樁位移協調法即根據自平衡結果，以加載值（Qi1/γ）作為傳統靜載的樁頂加載值Pi，并設自平衡法所測上段樁的Si1為對應的樁頂位移（Si），按自平衡加載級次i（i=1，2，…，m），逐段推算位移和軸力傳遞至上段樁的樁端位移（Si0）和軸力（Qi0），獲得Si0-Qi0關系；按位移（Si0）與下段樁樁頭位移（Si2）協調連續為條件，確定樁頂荷載傳至下段樁，通過下段樁Qi2和Si2的疊加方法，獲得整樁的P-S轉換，P-S曲線由轉換得到的（Pk，Sk）點繪得，k=1，2，…，n，m≤n≤2m。
其中，逐段推算位移（Si0）和軸力（Qi0）時，設樁土側摩阻力關系為理想塑性狀態，則推算所需的樁土側摩阻力的取值是，樁側土位移達到極限值前采用實測結果；達到極限值后，繼續取極限側摩阻力值計算。
位移（Si0）與下段樁樁頭位移（Si2）協調連續條件，即轉換為傳統靜載時上、下段樁在平衡點處的位移協調相同。協調連續方法是：若荷載箱處于實際平衡點，或略偏上情況，當i=j≤m時，Sj0≥S12，即可順利地將上、下段的承載力疊加獲得Pj；若荷載箱低于實際平衡點，當j=m時，則可能Sm0
疊加關系處理是轉換的荷載（位移）傳至下段樁時，以Si2-Qi2為基礎，疊加上段樁對應的承載力和彈性變形，獲得樁頂P和S的處理方法。疊加關系為
式中：γ為JT/T 738—2009所給修正系數；L為上段樁樁長；Ep為上段樁彈性模量；Ap為上段樁彈性截面面積；其余符號同前；上標t表示荷載傳至下段樁后，Pk的后續加載級次，j
實際檢測中不同巖土層和浸水浮力的影響、承載力確定等問題，仍按JT/T 738—2009的規定和方法處理。
以Pi、Si和Pt、St作為Pk、Sk，繪制P-S曲線
1.2 嵌巖樁荷載協調法
同摩擦樁位移協調法，以加載值（Qi1/γ）作為Pi，逐段推算上段樁的樁端軸力（Qi0）和位移（Si0），獲得Qi0-Si0關系；按軸力（Qi0）與下段樁樁頭軸力（Qi2，即荷載箱加載值）協調連續為條件，確定樁頂荷載傳至下段樁，通過疊加方法，獲得整樁的P-S轉換，同樣，P-S曲線由轉換得到的（Pk，Sk）點繪得。
其中，設樁巖側摩阻力關系為理想摩擦，則逐段推算樁頭（樁端）軸力（Qi0）時，達到極限值前，樁巖側摩阻力采用實測結果；達到極限值后，繼續取極限土-巖側摩阻力值計算。
軸力（Qi0）與下段樁樁頭軸力（Qi2）協調連續，即以Qi0和Qi2對應相等為條件，實現傳統靜載下平衡點處的Qi0-Si0和Qi2-Si2的連續。連續方法是：若荷載箱處于實際平衡點，或偏上情況，當i=j≤m時，Qj0≥Q12，即可將上、下段的承載力對應疊加獲得Pj；若荷載箱低于實際平衡點，當j=m時，則可能Qm0< Q12，若Qm0>0，仍可將上、下段的承載疊加獲得Pj；如若Qm0=0，則按Qm0和Q12線性連續，插入Q-S點使上、下段樁荷載傳遞，再疊加獲得Pj。
因巖石情況γ=1，荷載（位移）傳至下段樁時樁頂P和S的疊加計算式為
2 等效轉換方法在湄公河大橋樁基測試中的應用
2.1 橋址地質概況和試樁測試參數
湄公河大橋是昆曼公路跨越老撾會曬與泰國清孔間湄公河的關鍵工程，為五跨四墩的預應力混凝土現澆連續箱梁橋。橋的起止樁號為：SAT.4+978.565 ～SAT.5+458.565，主橋全長480 m，橋面標準橫斷面為主線雙向2車道。橋址處的湄公河位于山塹式沖積平原邊緣，微地貌為：左岸（老撾會曬側）為山腳下覆有砂黏土的基巖斜坡；右岸（泰國清孔側）為沖積平原的漫灘和河岸。主橋四墩中M7墩基礎位于清孔側河岸，M10墩基礎位于會曬側河岸；M8和M9的墩基礎分別位于主航道兩側。M7和M8墩的地質情況為砂黏土、粉砂、砂礫、砂卵石夾泥和硬黏土組成的多層式地層構造，M9和M10墩為覆有砂土的高度至中度風化流紋凝灰巖地質條件。橋墩為群樁基礎，樁徑均設計為1.5 m，依據地質情況設計有嵌巖樁和摩擦樁兩種，各樁樁長不等。所測四根樁中，摩擦樁：M7-B3樁頂標高341.1 m，樁底標高296.1 m， M8-B2樁頂標高341.6 m，樁底標高286.7 m；嵌巖樁：M9-B5樁頂標高341.6 m，樁底標高317.5 m，M10-A4樁頂標高341.6 m，樁底標高 324.2 m。其中M8和M9為高樁基承臺墩，且各樁施工時均加有長度不一的鋼護筒，樁的有效承載樁長有所不同。施工采用沖擊鉆孔-灌注成樁工藝。各試樁的地質情況見表1。
為測試試樁各段軸力及樁土（巖）的側摩阻力，在各巖土層界面設置應變計，當土（巖）層較厚或較薄時增減應變計設置，各試樁的應變計布置如表3。各截面對稱布置4個應變計，應變計為振弦式混凝土應變計。由測取的樁身應變，和樁身剛度（彈性模量）計算軸力。限于工地試驗條件，混凝土和鋼筋（鋼護筒）彈性模量參照GB 50010—2010《混凝土結構設計規范》所給對應等級的數據取值。
2.2 試樁檢測情況和結果
各試樁均在混凝土灌注成樁達到齡期后檢測，采用慢速維持荷載法進行加載測試，試樁的加載量按檢測加載設計值的1/10進行，第1級加載為兩倍分級荷載，卸載按5級進行。
2.2.1 試樁Q-S曲線的測試結果 測試所得M7-B3、M8-B2、M9-B5和M10-A4的Q-S曲線如圖1、圖2、圖3和圖4。
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，加載至設計值，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，兩試樁對應最大加載設計值的上、下段樁位移讀數的最大值顯示為4.29 mm。
受樁位地質條件差異及對應平衡點選擇的影響，M7-B3和M8-B2試樁的Q-S曲線上、下段不完全對稱。同樣，圖3和圖4所示M9-B5和M10-A4的Q-S曲線存在不完全對稱問題。自平衡方法在實際測試中獲得不對稱Q-S曲線應該是較為普遍現象。
圖3和圖4所示的Q-S曲線還顯示位移測讀結果的影響，表現為M9-B5樁和M10-A4樁的Q-S曲線出現不連續性。該不連續現象來源于位移值的波動偏差，位移值的偏差在樁基靜載檢測中同樣是普遍問題，來源于位移測讀裝置和環境條件，自平衡試驗主要是溫度變化引起基準梁變形的影響。相對而言，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，嵌巖樁在加載中發生的真實位移量小，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性。
2.2.2 試樁側摩阻力位移關系的測試結果 測試側摩阻力位移關系是樁基靜載試驗的重要內容，也是自平衡測試技術進行精確轉換的條件之一。根據測得應變和位移，并考慮各單元樁段的自重（或浮重）等構造因素，和上段樁類似抗拔樁的側摩阻力位移關系，按JT/T 738—2009所列系數和方法予以修正，獲得M7-B3、M8-B2、M9-B5和M10-A4樁在荷載作用下的各段側摩阻力位移關系。試樁各段最大側阻力與對應位移列于表4。由于溫度引起的基準梁變形對位移測試結果的影響，進而影響所得試樁各段的側摩阻力位移曲線。相對位移量較大的摩擦樁，溫度等因素引起的位移量偏差占嵌巖樁的位移量的比例較高，所得嵌巖樁各段對應摩阻力的位移量偏差較明顯，由表4中M9-B5和M10-A4樁的位移可以見得。
自荷載箱向上段樁和下段樁的樁端（頂）達到所測最大側阻力時，各樁段的中點位移逐漸減小，表明樁土（巖）的荷載作用具有傳遞特征，這與樁基承載的一般規律一致。側摩阻力位移關系還表明，本文的轉換方法中采用的理想塑性和理想摩擦假設，基本合理。
表4結果還表明：所測各試樁在不同巖（土）層的側摩阻力位移關系總體變化和趨勢與既有研究結果基本符合，與JTG D63—2007《公路橋涵地基與基礎設計規范》所列土層側阻力標準值，及巖層側阻力推算值（220 kPa）比較接近。
2.3 試樁檢測結果分析與討論
2.3.1 試樁Q-S曲線等效轉換為P-S曲線 依據圖1～圖4所得Q-S和樁側摩阻力位移關系，并考慮各段樁剛度、滲水浮力和轉換修正系數的差異，其中，M7-B3試樁計算中考慮了粉土和砂土層的轉換修正系數（取γ=0.8），M8-B2試樁砂土層的轉換修正系數取γ=0.7，按上述摩擦樁位移協調法和嵌巖樁荷載協調法，分別獲得M7-B3和M8-B2摩擦樁，M9-B5和M10-A4嵌巖樁的P-S曲線，如圖5、圖6、圖7和圖8所示。
確定平衡點是自平衡方法的難點和關鍵，平衡點既影響Q-S曲線的對稱性，又對等效轉換為P-S曲線產生影響，由圖1～圖8可見其影響。在摩擦樁位移協調時，按逐級加載推算的上段樁的樁端位移（Si0）與下段樁樁頭位移（Si2）的協調，得到的P-S曲線中就會出現（Pk，Sk）點非等步現象，如圖5和圖6。在平衡點選擇合適或偏下時，轉換容易進行；當平衡點偏高，下段樁的向下位移較小，如M8-B2樁（圖2），則需以Q-S測試中i級加載時相應側摩阻力位移結果，獲得上、下樁在i+1級時的（Pk，Sk），獲得完整P-S曲線（圖6中第11點）。因本文所取側摩阻力位移的值較小，所得承載力（P）較小，位移（S）略大，該結果應偏于保守，嵌巖樁荷載協調法的非等步現象不突出。
圖5～圖8所示的測點（Pk，Sk）偏差，引起P-S曲線的波動連續，主要受位移測讀偏差等檢測工況因素的影響，不影響結果的合理。
總之，摩擦樁通過采用位移協調法轉換可以獲得較完整的P-S曲線，嵌巖樁采用荷載協調法，減少和避免位移讀數偏差對轉換P-S曲線的影響，便于對試樁承載能力檢測和設計加載極限下試樁豎向承載特性分析。轉換所得各試樁P-S曲線與傳統測試結果相符合。
2.3.2 試樁豎向承載力和承載特性分析 根據前述各測試結果，按承載力公式和位移公式，進一步計算分析樁基豎向承載力和承載特性，結果列于表5。
數據結果表明：湄公河大橋主橋各試樁的承載力均達到設計要求。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性能好于預計，嵌巖樁的端承作用沒有發揮，就豎向承載力而言設計偏于保守，但對樁的抗震和抗滑坡側推有利。
3 結論
歸納摩擦樁位移協調法和嵌巖樁荷載協調法在湄公河大橋樁基承載力檢測中應用和研究，主要得到以下幾點結論：
1）對于多層土質的地質條件下，樁基靜載試驗采用的理想塑性假設，由上而下推算上段樁的荷載和位移傳遞，摩擦樁按位移協調的疊加轉換方法，合理且簡便可行。
2）受多因素的影響，樁基靜載試驗中樁的加載位移存在偏差，影響測試結果。對于加載位移較小的嵌巖樁，按理想摩擦假設，和荷載協調進行疊加轉換，可減少位移偏差影響，轉換結果可靠，方法適用。
3）湄公河大橋主橋各墩的樁承載力均達到設計要求。承載特性分析表明，摩擦樁和嵌巖段縱向承載均以側阻力為主。
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（編輯 王秀玲）
