自平衡法在橋梁工程試樁中的應(yīng)用

孫 星 金 花

（1.中鐵二十局集團(tuán)第二工程有限公司，陜西 西安 710000；2.陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 渭南 714000）

1 自平衡法試樁試驗(yàn)原理

自平衡法，是通過(guò)在樁體內(nèi)部預(yù)先埋設(shè)荷載箱加載裝置，將荷載箱、鋼筋計(jì)與樁身鋼筋籠焊接在預(yù)先設(shè)計(jì)位置，位移桿加壓管和傳輸?shù)母黝愋盘?hào)線綁扎在鋼筋籠上，吊裝鋼筋籠入孔，將加壓管、位移桿和傳輸?shù)母黝愋盘?hào)線引入至地面，灌注樁身混凝土，混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的70%以上或按該強(qiáng)度算得的樁身承載力大于單向最大加載值的1.5 倍后，由高壓油泵在地面平臺(tái)對(duì)荷載箱充油加載，荷載箱將力傳遞到樁身，對(duì)樁體產(chǎn)生向上、向下的力，其上部樁側(cè)極限摩阻力及自身重力與下部樁側(cè)極限摩阻力及極限樁端阻力相平衡維持加載，從而得到樁基的承載力、樁端承載力、側(cè)摩阻力、摩阻力轉(zhuǎn)換系數(shù)等一系列數(shù)據(jù)。

圖1 荷載箱工作原理示意圖

2 試樁鉆孔

反循環(huán)回旋鉆施工鉆孔灌注樁施工流程：施工準(zhǔn)備→樁位放樣→鋼護(hù)筒埋設(shè)→鉆機(jī)安裝→泥漿制備→鉆孔→清孔→安裝鋼筋籠→二次清孔→灌注水下混凝土→混凝土養(yǎng)護(hù)→檢測(cè)。

護(hù)筒頂宜高出施工水位或地下水2.0m，并高出施工地面0.5m。護(hù)筒直徑大于樁徑20cm。護(hù)筒四周填粘土分層夯實(shí)，確保牢固、緊密、不滲漏。護(hù)筒中心應(yīng)與樁中心線重合，頂面位置偏差不大于5cm，傾斜度小于1%。鉆孔用泥漿選用選用高塑性黏土或膨潤(rùn)土，鉆孔前攪拌好，鉆孔時(shí)輸入孔內(nèi)。泥漿性能指標(biāo)泥漿比重可為1.05～1.15。入孔泥漿黏度為16s～22s，含砂率≤4%，膠體率：≥95%，pH 值：≤6.5。開(kāi)孔施工前輕壓慢進(jìn)，待鉆桿全部入孔后方可逐步加速正常鉆進(jìn)。在砂層等松散易坍塌地層中慢轉(zhuǎn)速、慢鉆進(jìn)，加大泥漿比重和黏度。在易縮徑的地層鉆進(jìn)時(shí)增加掃孔次數(shù)。

3 鋼筋工程

3.1 鋼筋籠制作

每根樁的鋼筋籠應(yīng)分節(jié)編號(hào)，同一截面內(nèi)接頭數(shù)量不得超過(guò)鋼筋總數(shù)量的50%，焊接接頭的同一連接區(qū)段長(zhǎng)度為35d（d 為縱向受力鋼筋的較大直徑） 且≥500mm。鋼筋焊接長(zhǎng)度：?jiǎn)蚊婧浮?0d，焊縫有效厚度≥0.3d，焊縫寬度≥0.8d（d 為鋼筋直徑）。

3.2 荷載箱的連接

荷載箱應(yīng)設(shè)置在平衡點(diǎn)附近，即平衡點(diǎn)以上樁側(cè)向下的摩阻力等于平衡點(diǎn)以下樁側(cè)向上的摩阻力與樁端阻力之和。荷載箱的上板與上部鋼筋籠的鋼筋焊接，荷載箱的下板與下部鋼筋籠的鋼筋焊接。在荷載箱位置處設(shè)置喇叭筋，喇叭筋的一端與樁基鋼筋籠主筋焊接一起，數(shù)量與鋼筋籠主筋數(shù)量相同；另一端焊接在荷載箱內(nèi)環(huán)邊緣處。喇叭筋與荷載箱的夾角不小于600。喇叭筋在澆筑混凝土?xí)r安裝導(dǎo)管時(shí)起到導(dǎo)向作用，避免導(dǎo)管觸碰荷載箱，在加載時(shí)，由于荷載箱位置樁身局部壓力大，喇叭筋起到加強(qiáng)作用。

圖2 荷載箱安裝實(shí)物圖

3.3 鋼筋計(jì)安裝

將鋼筋計(jì)兩端的連接拉桿擰下，選配與鋼筋計(jì)規(guī)格相同的鋼筋與連接拉桿焊接在一起。焊接時(shí)，要在傳感器的部位澆水或用濕布包裹冷卻，以免溫度過(guò)高損壞傳感器。鋼筋計(jì)結(jié)合靜載試驗(yàn)在每個(gè)土層分界線上埋設(shè)且豎向間距不大于10m，同一個(gè)斷面設(shè)置2～4 個(gè)鋼筋計(jì)，由樁身內(nèi)力推算出各土層的抗壓或抗拔側(cè)摩阻力。

3.4 土壓力盒安裝

土壓力盒設(shè)在樁側(cè)及樁底，其樁側(cè)布置位置于土壓力變化的部位即埋設(shè)在不同土層分界線處，用于監(jiān)測(cè)界面土壓力。相鄰?fù)翂毫虚g距不大于10m，土壓力盒水平、垂直埋設(shè)間距原則上均為盒體間距的3 倍以上，埋設(shè)時(shí)土壓力盒必須埋設(shè)平整，且與測(cè)量的土體面保持垂直。

4 鋼筋籠吊裝及灌注樁身混凝土

4.1 吊裝鋼筋籠

吊裝過(guò)程中，鋼筋籠吊裝過(guò)程中應(yīng)避免鋼筋籠變形，嚴(yán)防孔壁坍塌，鋼筋籠入孔后，應(yīng)準(zhǔn)確、牢固定位，上端設(shè)置吊環(huán)或固定桿件，防止?jié)仓炷吝^(guò)程中發(fā)生變位。鋼筋籠過(guò)長(zhǎng)時(shí)宜分節(jié)吊方，孔口焊接，焊接時(shí)上下主筋位置應(yīng)對(duì)正，保持鋼筋上下軸線一致。吊裝過(guò)程中檢查位移桿、加壓管和傳輸?shù)母黝愋盘?hào)線與鋼筋籠綁扎成整體。樁徑≥2m，樁長(zhǎng)＞40m；滿足上述條件任意一種時(shí)，樁基埋設(shè)聲測(cè)管（緊靠鋼筋籠內(nèi)壁放置），樁徑d≤2.0m 的每根樁安裝3 根聲測(cè)管，聲測(cè)管等間距布置，聲測(cè)管下端封閉、上端加蓋，管內(nèi)無(wú)異物，連接處應(yīng)光滑過(guò)度，不漏水。管口高出承臺(tái)底50cm，且各聲測(cè)管管口高度宜一致。樁頂標(biāo)高低于地面時(shí)，樁頂?shù)降孛嫘璺胖煤?jiǎn)易鋼筋籠，用于引導(dǎo)保護(hù)管線。

4.2 灌注樁身混凝土

用導(dǎo)管灌注水下混凝土?xí)r，導(dǎo)管內(nèi)壁應(yīng)光滑，接口嚴(yán)密，使用前試拼試壓不得漏水，導(dǎo)管底部至孔底的距離宜為30cm～50cm。首批水下混凝土澆筑完成后，導(dǎo)管埋置深度≥1m，并≤3m。混凝土塌落度宜為180mm～220mm，澆筑過(guò)程中，導(dǎo)管埋深控制在2m～6m。澆筑混凝土面接近荷載箱位置時(shí)，提升導(dǎo)管應(yīng)放慢速度，澆筑混凝土高度在荷載箱頂面2.5m 時(shí)導(dǎo)管底端可以拔過(guò)荷載箱。

5 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)

1） 根據(jù)自平衡法基樁靜載試驗(yàn)，基準(zhǔn)梁長(zhǎng)度大于試樁樁徑的6 倍以上，基準(zhǔn)梁的一端應(yīng)固定在基準(zhǔn)樁上，另一端應(yīng)簡(jiǎn)支在基準(zhǔn)樁上，以樁中心為中心，每邊各3 倍樁徑搭設(shè)在試樁的正上方。

圖3 基準(zhǔn)梁搭設(shè)示意圖

2） 測(cè)試時(shí)須搭建蓬架，保證檢測(cè)設(shè)備在檢測(cè)過(guò)程中不受外界環(huán)境的影響。測(cè)試期間提供380V 和220V 兩種電源不間斷供電，檢測(cè)基準(zhǔn)周圍10 米范圍內(nèi)不得有較大擾動(dòng)。

3） 自平衡加載應(yīng)分級(jí)進(jìn)行，每級(jí)加載量為設(shè)計(jì)最大加載量的1/10～1/15。樁端為巨粒土、粗粒土或堅(jiān)硬黏質(zhì)土是，第一級(jí)可按兩倍分級(jí)荷載加載。卸載也應(yīng)分級(jí)進(jìn)行。每級(jí)卸載量為2～3 個(gè)加載極的荷載量。加卸載應(yīng)均勻連續(xù)，每級(jí)荷載在持荷中變化幅度控制在分級(jí)荷載的10%之內(nèi)。

4） 位移觀測(cè)，每根試樁應(yīng)布置兩組（每組兩個(gè)，對(duì)稱布置） 位移傳感器，分別用于測(cè)定荷載箱處的向上、向下位移。每根試樁樁頂應(yīng)布置一組位移傳感器，用來(lái)測(cè)定樁頂位移，采用慢速持荷載法。每級(jí)加（卸） 載后在第1h 內(nèi)應(yīng)在第5、10、15、30、45、60min 測(cè)讀一次位移，以后每隔30min 測(cè)讀一次,電子傳感器連接到電腦，直接有電腦控制測(cè)讀數(shù)，須達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定后加（卸） 下一級(jí)荷載，每級(jí)卸載測(cè)讀時(shí)間間隔同加載，卸載到零后，至少在3h 觀測(cè)殘余變形。

5） 穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)，每級(jí)加（卸） 載的向上、向下位移量在樁端為巨粒土、粗粒土或堅(jiān)硬黏質(zhì)土，最后30min 和樁端為半堅(jiān)硬黏質(zhì)土或細(xì)粒土，最后1h 小于0.1mm。

6） 終止加載條件，總位移量﹤40mm，但已達(dá)到樁基的極限承載力能力、總位移量≥40mm，本級(jí)荷載下的位移量等于或大于前級(jí)荷載下位移量的5 倍；或本級(jí)荷載加上后24h 未達(dá)穩(wěn)定、總位移量達(dá)到40mm，繼續(xù)增加二級(jí)或二級(jí)以上荷載仍無(wú)陡變。達(dá)到荷載箱最大行程。

6 數(shù)據(jù)分析整理

6.1 單樁豎向極限承載力確定

實(shí)測(cè)得到荷載箱上段樁的極限承載力Quui和荷載箱下段樁的極限承載力Qlui，按照相關(guān)規(guī)范中的承載力計(jì)算公式得到單樁豎向抗壓極限承載力：

抗拔：Pui=Quui

式中：Pui為試樁i 的單樁極限承載力（kN）；

Quui為試樁i 上段樁的加載極限值（kN）；

Qlui為試樁i 下段樁的加載極限值（kN）；

Wi為試樁i 荷載箱上部自重（kN）；

γi為試樁i 的修正系數(shù)，對(duì)于粘土、粉土γi可取0.8，對(duì)于砂土取0.7，當(dāng)上部有不同類型的土層時(shí)，取加權(quán)平均值。

6.2 軸力計(jì)算方法

通過(guò)鋼筋計(jì)所在斷面的混凝土應(yīng)變相等的鋼筋應(yīng)變力P鋼換算鋼筋成應(yīng)變量。

鋼筋軸力：P鋼=（F0-Fi) ×K+B

混凝土應(yīng)變量：εc=εs

在數(shù)據(jù)整理過(guò)程中，應(yīng)將測(cè)點(diǎn)變化無(wú)規(guī)則的刪除，按下列公式求出同一斷面的應(yīng)變平均值。

混凝土軸力：P混凝土=A混凝土×E混凝土×εc

樁身軸力：P樁身=P混凝土×P鋼×N

式中：Fi為各級(jí)荷載下讀取的數(shù)值、F0為初始讀數(shù)、K為標(biāo)定系數(shù)、B 為修正系數(shù)、A 為截面積（m2）、E 為彈性模量(MPa)、εc為混凝土應(yīng)變量、εs為鋼筋應(yīng)變量、N 為鋼筋主筋數(shù)、P 為軸力(kN)

7 結(jié)語(yǔ)

不需要數(shù)量巨大的堆載物，更不需要結(jié)構(gòu)笨重的反力架，一般20 天左右，設(shè)計(jì)混凝土強(qiáng)度達(dá)到70%以上即可檢測(cè)，縮短試樁檢測(cè)時(shí)間，且檢測(cè)工作省時(shí)、省力、安全環(huán)保、占地少、節(jié)省大量實(shí)驗(yàn)費(fèi)用；基樁自平衡檢測(cè)方法，利用樁的側(cè)向阻力和端部阻力互為反力，這種測(cè)試樁的極限承載力方法結(jié)果準(zhǔn)確可靠。