橋梁基樁大噸位靜載試驗問題探討

趙喜平

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司鄭州設計院，河南鄭州 450001)

樁基以其優秀的性能在市政橋梁工程中被大量采用，其質量直接關系到上部橋梁結構和通過車輛的安全。

《建筑基樁檢測技術規范》中規定:單樁抗壓靜載試驗是基樁豎向抗壓承載力檢測最直觀、最可靠的傳統方法。該規范中，對我國建筑工程中慣用的維持荷載法進行了具體規定[1]。《建筑樁基技術規范》、《建筑地基處理技術規范》[2-3]則規定了樁基設計、構造、計算、驗收等詳細內容。

單樁抗壓靜載試驗對樁基承載力進行直接測定，具有直觀準確等優點，在承載力檢測中得到普遍應用。

孫利偉等根據某地巖土參數，確定了試驗荷載的傳遞參數，把所算得的荷載傳遞參數代入樁頂荷載與樁頂沉降的關系式，結合工程實際土層埋深進行迭代計算，得到單樁的荷載沉降曲線，并與工程實際靜載荷試驗結果進行對比，結果較為精確[4]；林慧常等提出了一種新的荷載傳遞函數[5]；黃誠等研究了施工條件下樁基靜載荷試驗的防振問題，根據打樁振動機理，分析出主要影響因素是瑞利波，根據瑞利波的特點，提出了相應的防振措施[6]；楊洪提出了存在液化土情況下，樁基礎靜荷載試驗最大加載值的確定方法，以保證足夠的安全系數[7]；李林等對基樁靜載試驗的數據資料和結果判定進行了相關研究[8]；訾平華通過代表性的試驗實例，對Q-S曲線進行分析，論述了各類缺陷樁在靜載試驗中的表現，提出了各類型樁靜載試驗應關注的重點[9]；趙翔等研究了加載反力裝置對單樁極限承載力取值結果的影響[10]，王志廣等也從梁、錨樁各個角度對靜載荷試驗進行了一定的研究[11-15]。

隨著工程荷載越來越大，樁基設計承載力和靜載荷試驗加載噸位隨之增大，對安全保障、數據準確性等方面提出了更高的要求，如何保證大噸位靜載試驗的質量及安全，是急切需要研究的問題。

該試驗項目依托鄭州市四環線快速通道橋梁工程，橋梁基礎采用鉆孔灌注樁，樁長65～71 m，設計承載力標準值為9 244～11 776 kN。

建筑場地地質概況:場地地貌屬山前沖洪積緩傾斜平原，地形平緩，局部有起伏，絕對高程在110.0～125.0 m。場區地層主要為第四系全新統人工堆積層雜填土，第四系上更新統沖積層粉土、粉質黏土、粉細砂，第四系上更新統沖洪積層粉土，第四系中更新統坡洪積層粉土、粉質黏土、細砂及膠結層。

本工程中靜載試驗加載壓力大，采用的加載反力裝置為壓重平臺。對該工程大噸位靜載荷試驗全過程中的重難點問題進行了研究，通過對多組千斤頂的比較研究，確定了不同廠家、不同批次、同型號千斤頂之間的加荷誤差為1.3%；通過試驗研究，確定了施工等外界干擾對靜載基準樁影響深度為5 m以內。

1 樁頭處理

樁頭處理的主要目的:

①保護基樁在試驗過程中不被損壞，達到將荷載穩定傳至基樁的目的；

②保證樁頭的強度和剛度，使靜載試驗能順利進行。

為避免樁頭處理影響基樁的實際受力條件，保證試驗與工程完工后基樁受力條件一致，除了按照規范要求使用高標號混凝土和設置鋼筋外，樁頭處理過程中要特別注意這幾點:

①樁頭處理全過程要經過測量控制，樁頭要與基樁連接緊密，接縫處不能有雜質或混凝土碎塊，基樁表面要鑿毛。為了保護樁頭，原樁頭清除至距設計樁頂15 cm以上的位置即可。

②樁頭中軸線應與樁身上部中軸線重合，樁頂用水平尺找平，保證試驗過程中基樁處于軸心受力狀態。

③設計樁頂以上部分外圍要設置鋼護筒，將樁頭與周圍土體隔離，消除該部分側阻力對靜載試驗結果的影響。現場試驗表明，接樁4 m的情況下，樁頭與周圍土體隔離與不隔離相比，極限承載力相差800 kN左右。

樁頭處理示意如圖1。

圖1 樁頭處理示意(單位：mm)

2 反力平臺基礎處理問題

經過對工程16根試驗樁的統計，有6次試驗反力平臺有不同程度的傾斜，主要由平臺基礎不均勻沉降引起，特別是種植土和填土地基，不均勻沉降更嚴重。

對于大噸位靜載試驗，為了保證試驗的安全進行，反力平臺的穩固平衡至關重要，采取了如下措施:

①靜載反力平臺搭建前，用全站儀在原地面上測放出開挖邊線，以樁基中心為中心，對12 m×12 m范圍內進行場地平整，畫出6 m×6 m的平臺邊線，并用白灰進行標識。

②對于原地面高于承臺底的區域，測出原地面高程，計算出承臺底至原地面的高差，使用CAT320反鏟進行控制開挖，開挖至接近基底30 cm時，采用水準儀布設高程控制樁，再進行人工開挖整平。

③對于原地面低于設計樁頂高程的場地，應分層進行夯實回填。

④對于填土或種植土場地，挖除上部松散土層，再分層夯實回填。

⑤在平臺底部先鋪上整塊鋼板，防止不均勻沉降。

注意事項:

①對于承載力不足的軟弱地基，要進行旋噴樁處理或換填處理。

②對反力平臺基礎范圍內的地層情況進行確認，保證各部位承載力、壓縮性基本一致；對于不一致的情況要進行局部處理，防止反力平臺出現不均勻沉降，影響安全和質量。

經過上述措施處理，平臺不均勻基樁沉降數量從6根減少為1根，百分比從37.5%減少為6.3%，如圖2所示。

圖2 處理前后反力平臺不均勻沉降對比

3 并聯加載的問題

市政橋梁樁基靜載試驗荷載大，單個千斤頂不能滿足加載需要。通常的解決方案是多個千斤頂并聯，通過一個油泵同時對千斤頂供油，多個千斤頂同時加載。

并聯加載系統需注意兩個問題:

①多個千斤頂協調出力時，應選用同一廠家、同一批次的千斤頂，以保證同組千斤頂內部油缸參數一致。通過回歸方程計算出該組千斤頂的校驗系數，進行靜載儀器參數設置，保證千斤頂出力均勻，試樁受力豎直。

現場進行4組(每組5個630 t)千斤頂的對比試驗，第一組為同一廠家、同一批次的千斤頂。第二組為同一廠家、不同批次的千斤頂，第三組、第四組為不同廠家的千斤頂，對比試驗結果如表1。

表1 試驗各組千斤頂出力情況對比統計 kN____

②供油的問題。多個千斤頂用油量大，加上管路多、接頭多，需保證管路連接密封良好、無滲漏；現場操作人員要隨時保證供油穩定。

4 位移量測系統的問題

靜載試驗中位移量測是最容易受到干擾的系統，位移量測的影響因素主要有基準梁移動和周圍環境干擾。

基準梁架設的具體要求:①基準梁應具有足夠的剛度(10號以上型鋼)，一端固定在基準樁上，另一端可沿基準梁方向水平移動(簡支于基準樁上)，防止基準梁變形引起位移測量不準。②基準樁應以直徑40 mm以上的鋼管打入地面以下1.0 m以上；嚴禁使用擱置在地面的物體作為基準樁；防止下雨或者人為擾動引起基準梁產生位移。③基準樁或基準梁應與試驗樁和反力平臺基礎有一定的距離，防止其受試驗樁和反力平臺位移影響，造成試驗不準確。

避免周圍環境干擾的措施:①靜載場地周圍不能有打樁設備工作，且避免其他大型機械設備工作。②試樁設備及量測儀表應有遮擋設施。

大噸位靜載試驗量測數據及示意見表2和圖3。

表2 靜載荷試驗現場量測數據

5 試驗終止加載問題

對于終止加載的條件，規范都有很明確的規定，主要分為以下4種情況:①樁基破壞；②樁周土破壞；③樁基沉降達到標準；④樁達到設計極限承載力(未出現前三種情況)。

圖3 靜載荷試驗現場量測

前三種情況均達到了基樁極限承載力，第四種情況僅是滿足設計要求。由于工程樁正常情況下不能被破壞，且設計中留有較大的安全裕量，在收集到的各個地區試樁資料中，95%均為第四種情況。

而這一明顯造成浪費的問題未引起土木工程界足夠的重視。

眾所周知，樁基礎設計的步驟是首先確定單樁承載力，然后根據上部荷載布置樁的數量。在實際設計過程中，由于工期緊、任務重，加上一些年輕設計者經驗不足，有時會反其道而行之:即先按照經驗，根據建筑物平面尺寸條件確定樁數和布樁，算出各樁樁頂荷載，然后反過來推算樁長，最后要求工程試樁加載達到此值即可。上述情況導致樁基設計不符合極限狀態原則，會造成較嚴重的浪費，應引起有關勘察、設計與建設部門的高度重視。

綜上所述，應根據地質段落加強設計前試樁，進行破壞式靜載試驗，提供較準確的極限單樁承載力，作為設計文件的有力支撐，即減少浪費又能保證工程安全。

6 試驗過程干擾問題

實際工程基樁靜載試驗中，常遇到意外干擾的情況，如位移傳感器和壓力傳感器的松動、脫落或失靈，儀器設備受外部震動或碰撞影響等，可能導致樁的受荷沉降關系曲線出現突變異常現象。

根據黃誠等的研究，對于外界施工震動影響，將基槽開挖深度定為1～1.5 m，可有效減小水平擾動；將基準樁打入土層2～2.5 m，可以隔離大部分瑞利波對基準樁的擾動[5]。

多次試驗結果表明，基準樁打入深度越深，外界干擾影響越小(如圖4)。

圖4 干擾影響程度跟基準樁入土深度關系

在受擾動情況下，應先暫停試驗，排查反力平臺和試樁有無異常。干擾消除后，調表恢復試驗。

對于上述手段無法消除的干擾，設立基準點，測量前后試驗樁樁頂高程，對試驗數據進行修正。