橋墩樁基礎大噸位靜載大應變試驗及補強處理研究

劉國慶

（中國水電建設集團十五工程局有限公司 陜西 西安 710065）

1 工程概況

漢中市漢江城市橋閘工程位于漢中市城區的漢江河段下游，是集城市游樂景觀與城市交通、車輛過境等為一體的大型綜合性城市基礎設施工程。該工程由攔河閘和交通橋兩大部分組成。其中攔河閘由30孔升臥式閘門和174m長的溢流堰組成，閘門凈寬17.5m/16.5m，閘門中心間距20m，正常擋水高程502.50m。交通橋由五跨單跨跨徑100m鋼管混凝土拱橋及30孔20m跨徑的預應力引橋及526 m兩岸引道組成。橋長1160m，主橋橋面寬28.6m，引橋寬27m。設計荷載為城-A級。

橋墩基礎均采用Φ1.5m、Φ1.3鉆孔灌注樁基礎。主橋及引橋橋墩樁基分別長40.0m、22.0m，樁端均采用在第十層半膠結圓礫加礫砂層。全橋共完成樁基施工144根，主橋部分共完成40.0m樁基施工55個（17#-22#），引橋部分共完成樁基施工89根（1#-16#、23#-35#）。對引橋的每個橋墩樁基其中一個做超聲波檢測，另外兩個做小應變檢測（1#、35#灌注樁2個做超聲波檢測、2個做小應變檢測），共完成超聲波檢測31根，小應變檢測58根，另外對1-1、1-3進行了大應變檢測；對主橋的每根灌注樁進行了超聲波檢測，共完成超聲波檢測55根，另外對18-8、19-5進行了樁基靜載試驗，對18-8、19-5附近的地質情況進行了補堪，對18-8鉆孔取巖芯，對18-2、18-6、18-7、18-8、19-1、19-5進行了大應變試驗。

2 靜載試驗

2.1 試驗目的

為確保相關結構的安全可靠，通過靜載試驗確定單樁豎向極限承載力。

2.2 試驗概況

靜載試驗是在主橋樁基18-8、19-5上進行，靜載試驗于2005年4月26日開始，至2005年5月6日結束。19-5試驗總歷時59小時，其中加載49小時，卸載10小時。18-8試驗總歷時52小時，其中加載42小時，卸載10小時。

2.3 試驗依據

《建筑樁基檢測技術規范》JGJ106-2003

《建筑地基基礎設計規范》GB50007-2011

《公路橋涵施工技術規范》JTG/TF50-2011

2.4 試樁和錨樁的布置

2個試樁分別布置在18-8和19-5上，每個試樁用4個錨樁反力加載，其中3個用工程樁，另一個在承臺下增加，這樣對提高基礎承載力有一定的幫助，具體布置見圖1所示。

圖1 試樁和錨樁布置圖

2.5 試驗方法

試驗采用慢速荷載維持法，即逐級加載，每級加載達到相對穩定后，開始施加下一級載荷，直至達到試驗荷載。依據設計要求，本次樁基靜載試驗的試驗荷載預計施加14000kN，然后分級卸載至零。

2.6 試驗加載系統

試驗加載采用3×6300kN液壓千斤頂加載。其加載反力裝置采用錨樁主、副梁反力裝置。加載液壓系統采用0.4精度等級的高精度壓力表測定油壓，并事先對千斤頂標定曲線換算荷載。

2.7 試驗測量系統

2.7.1 基準梁

基準梁是測量試樁在加載過程中沉降的唯一參考物，確保在試驗過程中不受氣溫、振動及其它外界因素影響而發生豎向變位。基準梁在安裝時一端固支，另一端簡支且可水平移動。根據現場條件18號墩將相鄰工程樁作為基準樁。

2.7.2 百分表

百分表是為測試試樁在每級荷載下的沉降量而布設的，在試樁周對稱位置布置2個量程為50mm的百分表。安裝百分表時應注意以下問題：

（1）百分表的磁性表架在基準梁上固定牢靠。

（2）百分表導桿和支架應緊密接觸并使百分表導桿豎直，開始加載前應將百分表初讀數調整為零。

2.7.3 固定架

固定架式固定在試樁上的三角架，用L35角鋼加工制成并用膨脹螺栓對稱固定在樁頭上。固定架隨樁的沉降一起沉降，三腳架與其接觸的百分表反映出試樁的沉降數值。固定架安裝牢靠。

2.7.4錨樁監控

由于錨樁采用工程樁，在對試樁加載過程中，為了防止錨樁的上拔量超過規定值，每級加載后，對都錨樁的上拔量進行測量。同時對錨樁的混凝土進行觀察，觀察有無裂縫產生，確保錨樁在加載過程中不會造成破壞。

2.8 加、卸載方法

試樁從成樁到開始試驗的間歇時間在樁身混凝土強度等級達到設計要求的情況下，不少于28天。

試驗采用慢速荷載維持法，即逐級加載，每級加載達到相對穩定后加下一級荷載，直至試樁破壞或達到設計加載承載力，然后分級卸載至零。

測讀沉降量的時間間隔：每級加載后間隔5、10、15分鐘各測讀一次，以后每隔15分鐘測讀一次，累積一小時后每隔30分鐘測讀一次。

穩定標準：在每級荷載作用下，每小時的沉降量不超過0.1mm，并連續出現兩次（由1.5小時內連續三次觀測值計算），即認為已達到相對穩定，可加下一級荷載。

當出現下列情況之一時，即終止加載：

（1）某級荷載作用下，試樁的沉降量為前一級荷載作用下沉降量的5倍；

（2）某級荷載作用下，試樁的沉降量大于前一級荷載作用沉降量的2倍，且24小時未達到相對穩定；

（3）當荷載～沉降曲線呈緩變型時，可加載至樁頂總沉降量60mm～80mm；

（4）已達到最大試驗荷載（14000 kN）；

（5）錨樁抗拔最大位移大于等于25mm。

每級卸載值為每級加載值的2倍。每級卸載后隔15分鐘讀一次殘余沉降，讀兩次后隔30分鐘再讀一次，即可卸下一級荷載。全部卸載后，隔3～4小時再測讀一次。

2.9 數據處理

樁頂沉降由對稱布置的4只百分表讀數推算。每級荷載穩定時樁頂總沉降量Si（mm）：

式中，ao——百分表的初讀數；

ai——各級荷載穩定時百分表讀數；

各級荷載作用下的沉降量ΔSi（mm）:

樁頂沉降的計算值取4只百分表測量讀數的平均值。

2.10 試驗結論

（1）當試驗荷載達到加載最大值14000kN時，19-5樁頂最大沉降量為28.820mm。

（2）19-5試樁的極限承載力大于14000kN。

（3）19-5試樁所用的四個錨樁的上拔量均小于25mm，說明試驗過程未對錨樁造成影響，可以正常使用。

（4）當試驗荷載達到加載最大值12000kN時，18-8樁頂最大沉降量為71.365mm。

（5）根據《建筑樁基檢測技術規范》（JGJ106-2003），18-8試樁的極限承載力為11000kN。

（6）18-8試樁所用的四個錨樁的上拔量均小于25mm，說明試驗過程未對錨樁造成影響，可以正常使用。

由于18-8試樁的極限承載力為11000kN，小于設計極限承載力14000kN，為了進一步驗證單樁豎向極限承載力，又進行了大應變試驗。

3 基樁動力檢測（大應變檢測）

3.1 檢測依據

《建筑樁基檢測技術規范》JGJ106-2003 J256-2003。

3.2 檢測部位

1-1、1-3 、18-2、18-6、18-7、18-7、19-1、19-5。

3.3 儀器設備

檢測儀器為FDP-204PS基樁動測儀一套。錘擊設備為15t重錘，由吊車配合試驗。

3.4 檢測方法及原理

本次檢測，采用高應變動測法對工程樁進行現場測試，用擬合法進行分析。其試驗原理是：試驗時在樁頂以下不小于一倍樁徑處的樁側對稱安裝應變傳感器和加速度傳感器，用重錘錘擊樁頂，在錘擊過程中用FDP-204PS型基樁動測儀進行信號采集，用專用分析程序對采集信號進行分析，得出所測樁在自然含水狀態下的單樁豎向極限承載力。

在室內采用波形擬合法專用程序對現場采集到的信號進行分析。波形擬合法的基本原理是：首先把樁劃分若干分段（單元），假定各分段的樁、土參數，如樁身阻抗、土的阻力及其沿樁身分布、最大彈限及阻尼系數等。用實測的波形速度或力，作為已知邊界條件進行波動程序計算，求得力或速度波形，兩者進行比較，直到兩者吻合達到滿意為止，此時可認為對樁、土參數的假定與實際情況接近，從而得到單樁極限承載力、樁側阻力分布、計算的荷載～沉降（Q～S）關系線等結果。

3.5 檢測結果

共進行了8根試樁在自然含水量狀態下的豎向極限承載力檢測，除18-8基樁試驗資料異常外，其余七根基樁試驗均采集到了有效的信號，錘擊貫入度正常。通過現場測試資料的電算分析，得出7根試樁在自然含水量狀態下的豎向極限承載力，見表1。

18-8樁共進行三次錘擊，第一錘雖采集到加速度、實測力信號，但貫入度為負值；第二錘未采集到有效的加速度、實測力信號，貫入度為負值，且在第二次錘擊后，樁頭混凝土已開裂；第三次錘擊后，樁頭測量基點混凝土局部劈裂，仍未采集到有效的加速度、實測力信號。

表1 試樁豎向極限承載力實驗結果

由于18-8用靜載試驗的方法和大應變的方法檢測單樁豎向極限承載力不滿足設計要求。因此對該樁基需要進行補強處理。

4 樁基補強處理

18-8樁基的補強處理方案經過設計單位、業主單位和施工單位的研究，決定采取加樁的方法進行補強處理，具體見圖2。

圖2 18號樁補強處理布置圖

5 結語

作者通過在漢江城市橋閘攔河閘和交通橋工程項目成功使用橋墩樁基礎大噸位靜載試驗、大應變試驗及補強處理的施工方法，對144個樁基施工的成功應用，對施工完樁基分別進行了超聲波、小應變、大應變、鉆孔取芯及靜載試驗等項目的質量檢測，說明該方法經濟、可行，能夠保證質量、安全和進度的需要。該項目獲得了國家“魯班獎”，值得在今后橋梁施工中加以推廣和應用。※