淺析樁基豎向靜載試驗

路太貴

山東大鈿蒂黃河大橋建設投資有限公司

摘要：概述了樁基豎向靜載試驗的過程，結合本項目的實際情況，講述了更適合本項目加載方式，闡述了樁體破壞機理，以及試驗數據的量測、采集。根據試驗數據進行分析，優化了樁基設計，降低工程造價，節約社會資源，更有利于社會的和諧發展。

關鍵詞：靜載試驗；優化設計

本工程位于黃河主河道上面，全長15.2公里；主橋跨越黃河的主河道，跨徑布置為（67m+7×120m+67m）+ 3×（67m+6×120m+67m）變截面連續箱梁組成，共4聯。主橋下部橋墩采用薄壁墩；基礎為承臺、混凝土鉆孔灌注樁基。

本項目在進行初步設計的批復中，有關專家提出意見中有一條是：全橋樁基類型較多，樁長普遍較長。應結合詳勘資料及抗震設計，加強長樁的有效性研究，優化樁長及樁徑尺寸等內容。為此我們多次咨詢業界專家并召開優化樁基的專題會，結合本項目的實際情況，最后專家一致認為，有必要通過對超長樁基的單樁豎向靜載試驗，確認以下幾項內容：1、通過鉆孔灌注樁單樁豎向靜載試驗，獲取各土層及樁端持力層有關參數、測定樁基沉降和變形，進一步核定鉆孔灌注樁各項設計參數和單樁豎向極限承載力，確定基樁合適的持力層，驗證單樁豎向極限承載力，為樁型、樁長的優化設計提出建議，并為主體工程基礎設計提供依據；2、通過對樁底后注漿加固后的單樁豎向靜載試驗，獲取樁底注漿加固后的單樁的豎向極限承載力，檢驗鉆孔灌注樁樁底注漿加固效果，為鉆孔灌注樁優化設計中注漿加固方案提供設計依據；3、通過對優化設計后的單樁豎向靜載試驗，核定優化設計后單樁豎向極限承載力，為主體工程基礎設計提供依據。

確定了以上的試驗目的，下面需要做的就是選擇試驗的加載系統。由于傳統的錨樁橫梁加載反力系統在大噸位下，尤其錨樁距離較大時，橫梁彎矩大，尺寸大，制作、運輸、安裝、拆卸成本費用增加，使用不便，且錨樁橫梁反力系統能夠提供的最大反力有限，不能滿足本次靜載試驗的最大加載量；壓重平臺設備笨重、堆設時間長、費用高、安全性低等缺點，一般只適用于最大加載量小于1000t的情況。而根據本項目地質勘查報告，經計算得到單樁豎向極限承載力為2800t，考慮到單樁105m的超長樁基，本次試驗擬采取最大加載量為4500t，錨樁及加載系統能提供的反力應不小于預估最大試驗荷載的1.2倍，即5400t。自平衡法雖然比較經濟，試驗周期短，適用于各種場地，但是其試驗結果數據不穩定、可靠性較差，一些學者、專家對其結果提出了質疑。

綜合考慮之后，本次試驗采用能夠提供更高反力的拉壓錨法。該加載反力系統符合國家現行基樁檢測技術規范的要求，實質為規范中規定的錨樁法，該加載反力裝置可提供大噸位加載能力，試驗方法為國家現行基樁檢測技術規范規定的慢速維持荷載法。該加載反力系統將傳統的錨樁橫梁反力裝置中受彎構件轉換為拉壓構件，受力合理，使得反力系統結構大大簡化，該加載反力系統提供的反力大，尤其解決了超大噸位單樁豎向靜載試驗的加載難題，目前試驗中的最大加載量以達到6000t。該加載反力系統對場地條件的要求低，工期快，適用范圍廣，可利用工程樁做錨樁節省造價，且不受錨樁間距限制。

明確了加載方法后，首先對樁頭加固并接高，通過樁頂上部油壓千斤頂對試樁施加反力，反力通過油壓千斤頂上部的四層承載體傳遞到四個方向的鋼絞線上，鋼絞線通過固定錨具，將反力傳遞到8根錨樁及錨樁的水平反力柱上，錨樁承受豎向的上拔力，而錨索傳遞下來的水平力完全由水平反力柱傳遞到環梁上。

試樁樁頭擴大加固并接高4.0m，為拉壓錨法提供必要的高度。為了承受上部油壓千斤頂的局部壓力，在樁頂布置鋼筋網片。

每個油壓千斤頂承載力能夠提供的最大反力為600t，共12個，對稱布置在樁頂面，油壓千斤頂的合力中心應與樁軸線重合。油壓千斤頂通過12根液壓油管并聯到多通轉換器，多通轉換器由一根主進油管連接到電動油泵。加載時，電動油泵驅動液壓油通過主進油管進入多通轉換器，多通轉換器同時向十二個千斤頂供油，驅動油壓千斤頂上升。電動油泵由樁基靜載儀通過電壓變頻器自動控制，從而實現自動加載。

確定加載系統后，要明確樁基在外荷載作用的破壞形式。經驗算在最大加載量作用下，本項目的樁體的材料不會破壞，最終破壞的形式可能是樁基地基土強度破壞。單樁豎向極限承載力，就土對樁基的抗力而言，一般分為樁側摩阻力和樁端阻力（兩者既有區別又有相互影響）。試驗研究表明：當靜載試驗加荷、樁尖沉降>10mm時（樁頂因樁身彈塑性壓縮量的累計，其沉降比樁尖大），樁側各層土的樁-土相對位移均大于10mm，這時各層樁側摩阻力均已被充分發揮。整根樁的總樁側摩阻力達到峰值后，如繼續加載，其值將有所減小或大體保持不變。單樁豎向承載力的極限狀態（除純摩擦樁外），一般由樁端阻力所制約。要充分發揮樁端承載力所需要的樁端沉降量比樁側摩阻力要大的多。但在各部門的規程中都有明確規定，一般地規定樁頂沉降值為40～60mm時的相應荷載為樁的極限荷載。

樁在極限荷載下，其總樁側摩阻力基本已充分發揮，總端阻力則可能已充分發揮，或僅部分得到發揮。本次單樁豎向靜載試驗通過布置在樁頂的油壓千斤頂對加載反力系統施加荷載，由于力的作用是相互的，同樣大小的荷載反作用于樁頂，樁將產生位移（沉降），可得到試驗樁的Q-s曲線，它是樁破壞機理和破壞模式的宏觀反映，此外，靜載試驗過程中，還可獲得每級荷載下樁頂沉降隨時間的變化曲線，通過埋置于樁身上的鋼筋計，可以直接測得樁側各土層的極限摩阻力和端阻力，以及樁端的殘余變形等參數。從而能對樁土體系的荷載傳遞機理做較全面的了解和分析。

上面準備工作做好后，下面就是對本次試驗數據量測的布置。荷載量測采用并聯于千斤頂油路的油壓傳感器測定油壓，根據千斤頂率定曲線換算荷載，荷載在樁基靜載測試儀上換算。傳感器的測量誤差不大于1%，壓力表精度優于或等于0.4級，試驗用壓力表、油泵、油管在最大加載時的壓力不超過規定工作壓力的90%。

位移量測的布置：豎向靜載試驗過程中，試驗樁樁頂沉降量和錨樁上拔量的量測采用電子位移傳感器，電子位移傳感器通過磁性表座固定到基準梁上，基準梁采用工字鋼，應具有一定水平和豎向剛度，一端固定到基準樁上，一端簡支在基準樁上。基準樁中心與錨樁中心距離≥4D且>2.0m，基準樁采用四根鋼管，鋼管打入深度應≥5m。試樁樁頂沉降量和錨樁上拔量的量測采用電子位移傳感器，電子位移傳感器通過磁性表座固定到基準梁上，固定和支撐電子位移傳感器的夾具及基準梁應避免氣溫、振動及其他外界因素的影響。沉降觀測平面宜在樁頂200mm以下位置，測點應牢固地固定在樁身，錨樁上拔量觀測平面宜直接布置在樁頂，觀測平面應光滑平整。

試樁樁頂沉降量應在其兩個方向對稱安置4個電子位移傳感器，錨樁上拔量在錨樁樁頂安置1個電子位移傳感器。電子位移傳感器的測量誤差不大于0.1%FS，分辨力優于或等于0.01mm。

電子位移傳感器通過中繼器連接到樁基靜載測試儀，自動記錄樁頂沉降量和錨樁上拔量。