大直徑樁基承載力自平衡法試驗研究

王新山

(大連理工現(xiàn)代工程檢測有限公司 大連市 116024)

1 項目概述

某工程樁基采用鉆孔灌注樁，直徑達2.1m，設(shè)計要求單樁極限承載力不小于24000kN。檢測樁基承載力時，傳統(tǒng)的方法[1]雖然直接可靠，但對于大噸位的樁基，由于必須解決數(shù)千噸甚至上萬噸的配重堆放和運輸，以及配套的反力大梁，所需費用極高，檢測周期又長，且有一定的風險性，采用傳統(tǒng)靜載試驗法存在一定困難[2]。自平衡試樁法與傳統(tǒng)靜載試驗相比，其具有造價省、操作容易，測試數(shù)據(jù)精度高等優(yōu)點，尤其是在檢測場地受限、測試大直徑樁的極限承載力時，該法可以較好克服傳統(tǒng)靜載試驗法的不足，在國內(nèi)、國際橋梁界得到廣泛應(yīng)用[3]。

依托本工程樁基自平衡試樁法荷載試驗，介紹了自平衡試樁法的測試原理、測試系統(tǒng)和試驗程序，并通過現(xiàn)場試驗測得了樁基極限承載力，為同類地質(zhì)條件下大直徑樁基的設(shè)計、施工和檢測提供寶貴經(jīng)驗及重要參考。

本次基樁靜載試驗對象為試驗樁，試驗樁樁號為S1、S2，樁長26m，樁徑2.1m，詳見表1所示。

表1 試樁參數(shù)表

2 自平衡試樁法試驗原理

自平衡試樁法的基本出發(fā)點是利用試樁自身反力平衡的原則，在樁端附近或樁身某截面處預先埋設(shè)單層(或多層)荷載箱，試驗時，通過荷載箱對上、下段樁身施加荷載，從而迫使上段樁身上抬,使上段樁樁側(cè)摩阻力徐徐發(fā)揮，同時迫使下段樁下沉，使下段樁樁側(cè)阻力及樁端阻力徐徐發(fā)揮；此時，上下樁段的反力大小相等、方向相反，從而達到試樁自身反力平衡加載的目的；如此隨著荷載箱壓力的不斷增加，試樁破壞，試驗終止。經(jīng)過測試可獲得上下樁段2條Q～S曲線及相應(yīng)的S～lgt曲線，采用合理的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換方法和承載力判定方法，即可得到樁頂?shù)腝～S曲線，確定基樁的極限承載力、樁側(cè)及樁端阻力分布情況[4]。

圖1 自平衡法原理圖

3 試驗過程

根據(jù)初始設(shè)計參數(shù)計算得到，平衡點以上樁長Lu=21m，平衡點以下樁長Ld=5m，荷載箱布置于平衡點的位置。為設(shè)計提供依據(jù)的試樁,應(yīng)加載至破壞。最大雙向加載值可取按地質(zhì)報告計算的單樁極限承載力的1.2～1.5倍。根據(jù)設(shè)計文件要求，確定荷載箱最大雙向加載值為25000kN，荷載箱位置見圖2。

圖2 荷載箱布置圖

在樁頂位置共布置4個位移測點，對稱布置，分別為荷載箱向下位移測點2個(S1、S2)、荷載箱向上位移測點2個(X1、X2)，其中荷載箱向上、向下位移通過位移桿傳遞到樁頂測量，位移測點布置詳見圖3。

圖3 位移測點布置平面圖

共2根試驗樁，每根試驗樁設(shè)置3個應(yīng)變測試斷面，每個斷面布置4個應(yīng)變測點，全部共計12個應(yīng)變測點，應(yīng)變測點布置詳見圖4。

圖4 應(yīng)變測點布置圖(單位：m)

采用慢速維持荷載法[5]。每級加(卸)載后第1h內(nèi)應(yīng)在第5min、10min、15min、30min、60min測讀位移,以后每隔30min測讀一次,達到相對穩(wěn)定后方可加(卸)下一級荷載。卸載到零后應(yīng)至少觀測2h，測讀時間間隔同加載。每級加(卸)載的向上、向下位移量在最后30min內(nèi)均不大于0.1mm。

4 試驗結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

4.1 單樁豎向抗壓承載力

表2為試樁S1和試樁S2單樁豎向抗壓靜載試驗結(jié)果，圖5和圖6分別為其對應(yīng)的荷載-位移曲線。

圖5 試樁S1荷載-位移曲線

圖6 試樁S2荷載-位移曲線

表2 試樁單樁豎向抗壓靜載試驗荷載-位移結(jié)果匯總表

本次試驗樁所處地層多為卵石，承載力較高，總位移量小于40mm，但荷載已大于或等于設(shè)計荷載乘以規(guī)定的安全系數(shù)，取極限加載值為50000kN，并以此計算試樁的極限承載力。

試樁的抗壓極限承載力按下式計算[5]：

其中：Pu—試樁的單樁極限承載力，單位為kN；

Quu—試樁上段樁的加載極限值，單位為kN；

Qlu—試樁下段樁的加載極限值，單位為kN；

W—荷載箱上部樁自重，單位為kN，若荷載箱處于透水層，取浮自重；

γ—試樁的修正系數(shù)，根據(jù)荷載箱上部土的類型確定：粘性土、粉土γ=0.6，砂土γ=0.7，巖石γ=1.0，若上部有不同類型的圖層，γ取加權(quán)平均值。本次試驗樁所處地層基本為卵石，取γ=0.8。

根據(jù)上式和已知條件，計算試樁單樁豎向抗壓極限承載力Pu不小于54000kN。

單樁豎向極限承載力容許值Pk不小于27000kN。

4.2 樁側(cè)阻力和端阻力

樁側(cè)阻力和樁端阻力可以通過樁身軸力圖求得[5]，表3和表4分別為試樁S1和試樁S2計算得到側(cè)阻力和端阻力結(jié)果，從計算結(jié)果可以看出，在加載過程中，采用不同荷載等級計算得到側(cè)阻力和端阻力相差較大。由于規(guī)范所涉及到的側(cè)阻力和端阻力為極限狀態(tài)下力學參數(shù)，因此，本次計算取加載過程的后半部分結(jié)果進行計算(0.5～1.0倍極限荷載)。試樁S1的側(cè)阻力實測值為310kPa，端阻力實測值為3933kPa；試樁S2的側(cè)阻力實測值為284kPa，端阻力實測值為4211kPa。取兩組數(shù)據(jù)的平均值，側(cè)阻力實測值為297kPa，端阻力實測值為4072kPa。

表3 試樁S1側(cè)阻力及端阻力計算匯總表

表4 試樁S2側(cè)阻力及端阻力計算匯總表

5 結(jié)語

(1)本工程橋梁樁基直徑達2.1m，施工場地狹窄，采用傳統(tǒng)靜載試驗法檢測樁基承載力成本高、試驗不便。

(2)選用自平衡法對大直徑試樁進行了承載力檢測，測得2根試樁極限承載力測試值不小于設(shè)計值27000kN，側(cè)阻力實測值為297kPa，端阻力實測值為4072kPa。為同類地形、地質(zhì)條件下大直徑樁基的設(shè)計、施工和檢測提供了寶貴經(jīng)驗及重要參考。

(3)通過本試驗研究可以看出，自平衡試驗法試驗裝備構(gòu)造簡單，場地影響小，試驗迅速，安全性高，試驗數(shù)據(jù)準確可靠，尤其適用于大直徑、大噸位以及施工場地受限等樁基承載力檢測，在橋梁樁基檢測中具有廣闊的應(yīng)用前景。