自平衡法在超大超深樁基中的應用

文 鑫 林， 陸 莎

(中國水利水電第七工程局有限公司 第一分局，四川 彭山 620860)

1 概 述

隨著國內基建水平的快速發展，樁基的直徑越來越大、深度越來越深。為了給設計反饋數據，施工方往往需要做試驗用以驗證樁基的單樁豎向極限承載力，當設計單位要求單樁樁頂豎向加載荷載較大時，傳統的堆載法已經不能滿足施工要求了。堆載法不僅成本較高、效率低而且試驗過后不能作為工程樁使用，進而增加了施工方的成本。而自平衡法裝置結構簡單，不僅可以直接測到阻力，而且經過處理之后的試樁還可以作為工程樁使用，無疑縮減了工期，減少了施工方的成本，其目前已被廣泛采用。筆者介紹了自平衡法在超大直徑、超深樁基中的應用情況。

2 自平衡法在超大直徑、超深樁基中的應用

2.1 自平衡法的原理

樁基自平衡檢測靜載試驗需要使用一個特定的自平衡裝置——荷載箱，將該裝置放在先前經過自平衡計算的樁身平衡點的位置，利用荷載箱上段樁基的側向摩擦阻力并將其做為反力進行樁基底部的承載力、樁基的豎向摩擦極限阻力以及抗壓承載力的自平衡檢測，荷載箱為樁身的檢測提供了一個向上和向下的內力，從而有效地使荷載箱樁身的樁基底部承載力與荷載箱樁體側面摩擦阻力基本保持相等而有效地達到平衡狀態。在荷載箱樁基計算試驗加載過程中，根據樁基自平衡試驗法的規范要求，記錄逐級的試驗荷載并檢測相應的單根荷載箱樁身由試驗荷載產生的樁基向上和向下的內力位移量，得到試驗荷載與樁身的內力位移形成的平衡關系曲線，并將其分別用于測試荷載箱上部的樁體和荷載箱下部的樁體的極限承載力或樁體下端的極限阻力，計算試驗結果并確定單根樁基的豎向極限抗壓(拔)承載力和豎向極限承載力(圖1)[1]。

圖1 自平衡法示意圖

2.2 自平衡法的優點

與傳統的靜載試驗(檢測)方法(堆載法和錨樁法)相比，自平衡法具有以下特點：

(1) 省力：沒有堆載，也不需要笨重的反力架，檢測十分簡單、方便、安全。

(2)省時：土體穩定即可測試，并可多根樁同時測試，從而大大節省了試驗(檢測)時間。

(3)不受場地條件和加載噸位限制：每根樁只需要一臺高壓泵、一套位移測讀儀器、一根基準梁，檢測設備體積小、重量輕，任何場地(基坑、山上、地下、水中)均可進行[2]。

2.3 自平衡法需用的儀器設備

2.3.1 加載設備

試樁采用組合式荷載箱(圖2)，帶上下導流體(圖3)。荷載箱直徑同鋼筋籠外徑，高約40 cm，行程約18 cm，直徑和加載面積的設計充分兼顧了加載液壓的中低壓力和樁體試驗后的高承載能力。歐感荷載箱通過其內置的特殊增壓技術設計，以很低的油壓壓強產生很大的加載力，從而能夠極大地降低加載系統的故障率。

高壓油泵：最大加壓值為60 MPa，加壓精度為每小格0.5 MPa。

圖2 組合式荷載箱示意圖

圖3 浮漿導流原理圖

2.3.2 位移量測裝置

該荷載箱量測儀器的量程為50 mm(用戶可以選擇或調整量程)，每套樁身荷載箱大約可以同時對應5只，通過一個磁性樁身荷載箱頂部儀表座的固定使儀表座能夠牢固地安裝在一個堅固的基準鋼梁上，其中兩只主要的工作是用于同時測量樁身荷載箱頂部其向上的頂部位移量，另外兩只主要的工作是用于同時測量樁身荷載箱處其向下的底部位移量，剩下1只的主要工作是用于定時量測樁基頂部向上的位移量(圖4)。

圖4 測試儀器

2.4 設備的安裝

(1)將組合式荷載箱導流體朝上，放置在平整的地面上，放置時注意保護好位移管線。

(2)將樁基樁體內的混凝土均勻地振搗并灌入樁體的導流體內，然后將導流體用一根強力的振動棒充分地振搗密實，混凝土的強度一般不得低于樁身混凝土的強度(圖5)。

圖5 荷載箱灌注混凝土示意圖

(3)混凝土灌注完成10 h內不得移動荷載箱。

(4)待一面導流體內混凝土凝固后，用汽車吊翻轉，澆筑另一面導流體。

(5)將先前已經灌注好的整個荷載箱用25 t的汽車吊從側面吊起，然后將吊起后的荷載箱與鋼筋籠的主筋進行無縫焊接，其主要的鋼筋焊接操作工藝方法如下：在組合式荷載箱的上下面各分別焊接一個箍筋，箍筋外徑一般要求應和組合式鋼筋籠的內徑一致(圖6)。

組合式荷載箱與上下兩個鋼筋籠采用的焊接方法：將上、下鋼筋籠的主筋分別與組合式荷載箱上、下兩面的箍筋焊接，焊接時上下兩個鋼筋籠與荷載箱必須同時保證其完全垂直，偏心線角度必須控制在5°以內(圖7)。

圖6 荷載箱安裝示意圖

圖7 組合式荷載箱箍筋焊接示意圖

上下喇叭鋼筋的焊接方法：將喇叭鋼筋的一端與對應荷載箱焊接導管孔邊緣的一端進行焊接；另外，將鋼筋的一端和其對應的鋼筋籠一端進行焊接。喇叭筋的焊接應保證其與對應的荷載箱的導管孔平面的夾角必須大于60°。喇叭鋼筋的焊接數量不得小于其對應鋼筋籠的焊接主筋數量，間距不得大于灌注混凝土導管的口徑(圖8)。

圖8 組合式荷載箱與上下鋼筋籠對接示意圖

布置位移管線及油管：根據荷載箱的安裝深度配套位移拉索的長度。將上下位移拉索分別固定在荷載箱的上下方鋼上，呈90°布置，分別用于測量樁體的上下位移(圖9)。

圖9 焊接上、下喇叭筋示意圖

位移桿采用內桿與外套護管的連接方式，根據孔深設計測量位移桿的長度，順著測量樁體和鋼筋籠的方向連接至地面，采用絲扣方式連接。位移桿呈90°兩個方向布置，分別用于樁體鋼筋籠和樁體上下位移的測量。

油管預先綁緊盤好在荷載箱入口處，待安裝鋼筋籠時連續盤開、綁扎固定到地面。所用高壓油管為新型高壓供油軟管(圖10)。

圖10 布置位移管線及油管示意圖

鋼筋籠盤筋橫向加密的方法：為進一步提高荷載箱上下兩面的抗壓能力和強度，需要在樁身荷載箱的上下兩面各2 m范圍內將樁身鋼筋籠橫向箍筋的間距減小,使其橫向加密箍筋間距不得大于10 cm(圖11)。

圖11 鋼筋籠盤筋加密示意圖

安裝鋼筋籠：試樁在安裝鋼筋籠的過程中，需要對試樁上荷載箱的位移管線和試樁上的荷載箱位移油管之間的線進行綁扎，位移管線每隔0.5 m用一根扎絲對位移管線進行綁扎，油管每隔1 m用扎絲對油管進行綁扎。當試樁的設計樁頂標高比實際地面低時，試樁的設計樁頂到地面的距離需安裝一個簡易的鋼筋籠，用于固定引導并保護位移管線。為保證荷載箱與樁基鋼筋籠的連接強度并便于起吊，試樁鋼筋籠必須保持足夠的強度，試樁下部的荷載箱鋼筋籠的主筋數需翻倍。

灌注樁身混凝土的具體方法：首先需要檢測荷載箱樁基設計的樁身混凝土標高和坍落度是否能夠達到荷載箱的設計高度要求，導管到達頂端通過樁身荷載箱混凝土到達樁端澆筑荷載箱混凝土,當樁身混凝土高度接近樁身荷載箱底部時,需要暫時放慢提升灌注管的速度；只有當樁身荷載箱上部樁身混凝土高度大于2.5 m時，導管的底端才能提升至高于樁身荷載箱,澆筑時可通過樁身混凝土至荷載箱設計的樁身箱頂標高;樁身荷載箱以下的混凝土的坍落度需不小于200 mm，必須減少樁底的沉渣厚度，使澆筑混凝土更順利。

樁基頂部管線休止期的保護：由于鋼筋籠安裝完畢到現場開始檢測時有約半個月以上的休止期，故需要在現場對樁頭的管線做好休止期警示標記，以保證樁頭管線的穩定性不受到破壞[3]。

2.5 檢測步驟

(1)前期準備。樁基澆筑完成15 d后，即樁身的混凝土強度達到標準強度的70%以上時方可開始檢測。樁頭必須及時修整好并施工處理完畢。

(2)搭設基準梁與基準樁。依據基樁自平衡檢測規范，基準梁鉸接的一端與整個基準樁鉸接的一端需進行無縫鉸接，另外，將鉸接的一端與整個基準樁一端進行焊接。基準梁的長度應不小于自平衡測試樁樁徑的六倍。以樁身的幾何中心為檢測中心，每邊以各三倍的長度為基準樁徑，搭設在整個自平衡檢測基樁的上方。

(3)搭設帳篷。測試時，為盡量減少外界溫度、雨水、風等外部因素的直接影響，必須在場地內搭設防風蓬架，以確保室內的測試設備﹑基準梁構件﹑基準樁構件﹑檢測儀表及管線檢測時完全不受外界環境因素的影響。

(4)開始檢測?，F場樁基檢測期間，加載設備準備工作完成流程及其準備工作完成時間的確定應完全符合工程相關檢測技術操作規范的具體要求和國家有關的規定?，F場樁基檢測所需要準備使用的各種檢測儀器設備周期應在檢定或校準周期的有效期內。檢測前，現場工作人員應對各種儀器設備進行檢查調試?，F場檢測需要使用的各種儀器儀表及設備應具備檢測工作所需要的必須的防塵、防潮、防震等安全保護功能。

①加卸載。

a、增大壓力。所施加的荷載壓力和增大的荷載分級應按照國家有關文件明確規定的壓力分級依次順序進行。每個級別施加壓力的級別一般為最大可用加載量的 1/10～1/15。

b、減少壓力。卸載時所施加的機械壓力和其他荷載也應按照有關文件中所明確規定的壓力分級減少卸載操作程序要求進行。每個卸載級別的卸載數量為 2～3個加載級別的荷載值。

c、加卸載工作運行期間，荷載應盡量保持均勻連續 ,每一個級別的荷載在連續維持運行期間的變化和波動幅度一般不得大于或超過其中每個分級荷載的10%。

②位移觀測和穩定標準。

a、位移觀測。采用慢速維持荷載法。每級加 (卸 )載后第 1 h內 應在第5 min、10 min、15 min、30 min、45 min、60 min測讀卸載位移,以后每隔30 min測讀一次,待達到相對穩定后方可加 (卸 )下 一級并測讀維持荷載。每次測讀卸載的位移在達到零后應至少連續觀測2 h，測讀時間的間隔須與加載時間一致。

b、穩定標準。樁基每小時內的基礎樁頂平均深度沉降量不應超過0.1 mm且至少連續出現兩次(由1.5 h內的沉降觀測值計算)。

(5)試驗加載程序。

終止加載條件：

①在某級多個荷載的共同作用下，樁頂的累計沉降量大于前一級多個荷載共同作用下整個樁頂累計沉降量的2倍，而且經過24 h仍未完全達到相對穩定的沉降標準。

②已基本達到最大試驗荷載，樁頂沉降的速率已經達到相對穩定的標準。

③當施加的荷載反映出的沉降曲線比較緩時，可根據技術要求規定加載至整個樁頂累計沉降量60～80 mm；在特殊應用情況下，可根據具體的技術要求加載至整個樁底累計沉降量超過80 mm。

(6)檢測結束。檢測結束后，保存好記錄數據。將檢測設備、加測設備等擦拭干凈，裝箱放好[5]。

3 結 語

韓灘雙島特大橋樁基試樁目前已經施工完成。實踐證明：韓灘雙島特大橋項目運用新穎先進的樁基靜載試驗方法取得了一定的成果，縮短了樁基檢驗工期，減少了勞動力。可以相信：在今后其他類似工程中，自平衡法將得到更加廣泛的推廣和應用。