淤積區(qū)現(xiàn)澆連續(xù)梁橋樁基自平衡試驗(yàn)研究

劉自標(biāo)

【摘要：】文章以淤積區(qū)預(yù)應(yīng)力混凝土現(xiàn)澆連續(xù)梁橋的兩根工程樁為研究對象，通過現(xiàn)場的自平衡試驗(yàn)，獲得入海口淤積土地質(zhì)條件下樁軸力、側(cè)摩阻力、樁端阻力以及極限承載力的相關(guān)數(shù)據(jù)，研究了樁基在淤積土層的軸力和側(cè)摩阻力的發(fā)揮情況，為以后同種地質(zhì)情況下自平衡試樁提供可靠的依據(jù)。結(jié)果表明：試樁的軸力變化趨勢是平衡點(diǎn)處最大，沿著土層逐漸減小;摩阻力隨著荷載的增大而逐漸增大，淤積土層的摩阻力很小，幾乎發(fā)揮不了承載能力，僅占側(cè)摩阻力承載的3%～5%;樁端反力所能提供的承載能力很小，樁側(cè)摩阻力提供主要的承載能力。

【關(guān)鍵詞：】自平衡試驗(yàn);樁端阻力;側(cè)摩阻力;承載能力

U443.15A451494

0 引言

隨著我國交通運(yùn)輸行業(yè)的發(fā)展，樁基礎(chǔ)大量應(yīng)用在交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中。樁基礎(chǔ)與其他基礎(chǔ)相比，具有承載力高、沉降少的優(yōu)點(diǎn)。樁基礎(chǔ)應(yīng)用在橋梁工程中，不僅能夠承受水平的荷載，也可以承受豎直荷載，在橋梁設(shè)計(jì)領(lǐng)域中被廣泛應(yīng)用[1]。本文所研究的預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋地處入海口地區(qū)，地貌屬受海水沖積形成的淤積區(qū)，上層覆蓋層存在不均勻的淤積土。由于淤積區(qū)的樁基礎(chǔ)受力情況復(fù)雜，往往會影響到工程中對樁基礎(chǔ)承載力的計(jì)算，造成不必要的經(jīng)濟(jì)損失和安全事故。目前，對淤積土地區(qū)樁基礎(chǔ)受力特性研究的理論相對落后，所以分析淤積土地區(qū)的樁基承載力特性有很大的必要性[2]。本文通過現(xiàn)場試驗(yàn)，分析淤積土地質(zhì)對樁基承載能力的影響，探究樁的軸力和摩阻力在淤積土中的分布規(guī)律。

1 工程概況

該預(yù)應(yīng)力混凝土現(xiàn)澆連續(xù)梁橋全長約201.2 m。橋梁上部結(jié)構(gòu)為35 m+40 m+45 m+40 m+35 m=195 m（見圖1），采用A類預(yù)應(yīng)力混凝土現(xiàn)澆連續(xù)箱梁。下部結(jié)構(gòu)橋墩采用花瓶式橋墩接承臺樁基礎(chǔ);橋臺采用肋板式橋臺接承臺樁基礎(chǔ)。其中，橋墩樁基礎(chǔ)樁長27 m，樁徑為1.0 m，橋臺樁基礎(chǔ)樁長21 m，樁徑為1.2 m，均采用C35混凝土澆筑而成。橋址位于入海口沖積平原區(qū)，地勢平坦。橋址范圍內(nèi)土層上部主要為1.0～3.0 m厚的沖積淤積質(zhì)土，在下部主要為10.0～20.0 m厚的粉質(zhì)黏土及2.0～5.0 m厚的粉細(xì)砂。本文分別選取2-1#樁（橋墩樁）和5-2#樁（橋臺樁）進(jìn)行現(xiàn)場自平衡試驗(yàn)研究。見圖1。

橋梁樁基根據(jù)地質(zhì)資料采用摩擦樁基礎(chǔ)，成孔方式采用機(jī)械鉆孔。然而，淤積質(zhì)土對樁基的施工有很大的影響，很容易造成漏漿、塌孔等情況，影響樁基承載力。因此，在這種地質(zhì)條件下，保證樁基正常發(fā)揮承載能力十分重要。本文選取2-1#樁（橋墩樁）和5-2#樁（橋臺樁）作為試驗(yàn)樁進(jìn)行自平衡試驗(yàn)。試樁的主要技術(shù)資料見表1。試樁土層的參數(shù)情況見下頁表2。

2 自平衡試驗(yàn)

2.1 測試系統(tǒng)

自平衡試樁既不需要重力平臺，也不需要反力架，更不需要樁頂荷載。自平衡試樁法的基本特點(diǎn)是利用樁基礎(chǔ)內(nèi)力平衡，在樁身埋置荷載箱，利用壓力管對荷載箱進(jìn)行加壓，隨著壓力越來越大，荷載箱箱蓋和箱底分離，從而使上段樁側(cè)阻力向下，下段樁側(cè)阻力向上，兩者互為反力。當(dāng)壓力增大到樁基所能承受的極限狀態(tài)時，樁側(cè)摩阻力和樁端阻力都能發(fā)揮作用。自平衡試樁法和傳統(tǒng)靜載試驗(yàn)的加載方式和樁身受力對比如圖2所示。荷載箱的組成部分主要有頂蓋、活塞、箱壁和底蓋[3]。荷載箱直徑比樁徑略小，在頂蓋和底蓋上布置位移孔，留作插入位移棒使用。將荷載箱焊接在鋼筋籠上，澆筑成樁，就可對荷載箱加壓進(jìn)行樁基測試。加載時，油管通過荷載箱與樁頂連接，樁身的應(yīng)力首先在荷載箱的位置，在荷載箱中提供了反作用力，因此上部樁段產(chǎn)生樁側(cè)負(fù)摩擦力，下部樁段產(chǎn)生樁側(cè)正摩擦力。加壓越來越大，荷載箱逐漸被打開，樁基逐漸達(dá)到所能承受的荷載極限。由此，根據(jù)荷載與位移的獨(dú)特對應(yīng)關(guān)系，可對樁基的承載力特性進(jìn)行分析。在試驗(yàn)前可以將鋼筋傳感器埋設(shè)在土層變化處，這樣在加載時也可以得到樁軸力隨荷載增大的變化關(guān)系[4]。

2.2 加載方式

自平衡試驗(yàn)的加載方式[5]：

（1）每級荷載加載后，在初始加載1 h內(nèi)每15 min測試一次，1 h后，每30 min測試一次，直至沉降穩(wěn)定。把位移計(jì)連接到電腦上，可以直接由電腦繪制出所需要的曲線。軸力計(jì)和壓力盒數(shù)據(jù)通過綜合測試儀讀取并記錄。

（2）測試穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)判定：加載的每一級荷載在加載1 h后，每30 min讀一次數(shù)，如相鄰的讀數(shù)相差<0.1 mm時可判定本級荷載已穩(wěn)定。

（3）試驗(yàn)時如果荷載沉降值沒有達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，不可以進(jìn)行下一級荷載的加載。

2.3 終止加載條件

（1）在試驗(yàn)時，如果總位移量已經(jīng)超過了40 mm，或者本級荷載的沉降量已經(jīng)超過了上一級荷載沉降量的5倍還沒有穩(wěn)定，這時可以終止加載，取上一級荷載作為極限荷載。

（2）在試驗(yàn)時，如果總位移量已經(jīng)超過了40 mm，而且本級荷載加載過后24 h樁基沉降還沒有穩(wěn)定，這時可以終止加載，取上一級荷載作為極限荷載。

（3）如果總位移<40 mm，但是加載的荷載值已經(jīng)達(dá)到了荷載箱設(shè)計(jì)的極限荷載，可以終止加載。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 樁身軸力分析

由樁身預(yù)埋的鋼筋計(jì)測出應(yīng)變量，根據(jù)應(yīng)變量可以確定各個截面的軸力，計(jì)算公式如下[6]：

F=K（f2-f20）（1）

式中：F——鋼筋計(jì)所受的力（kN）;

K——鋼筋計(jì)標(biāo)定系數(shù);

f——鋼筋計(jì)在某級荷載下的讀數(shù)（Hz）;

f0——鋼筋計(jì)的初始頻率讀數(shù)（Hz）。

由于鋼筋的軸力和應(yīng)變是一一對應(yīng)的，知道了鋼筋的應(yīng)變，就可以求出各個截面的軸向力，具體公式如下：

εc=εs（2）

σc=εcEc（3）4B4B2C53-3603-4BBD-9438-556F2FA071AE

σs=εsEs（4）

Pz=σsAs+νσcAc（5）

式中：

εc——某級荷載下樁身截面由混凝土產(chǎn)生的應(yīng)變量;

εs——鋼筋計(jì)的應(yīng)變量;

σc——某級荷載下樁身截面由混凝土產(chǎn)生的應(yīng)力值（kN/m2）;

σs——某級荷載下由鋼筋產(chǎn)生的應(yīng)力值（kN/m2）;

ν——混凝土塑性系數(shù);

Ec——混凝土的彈性模量（kN/m2）;

Es——鋼筋的彈性模量（kN/m2）;

Ac——樁身截面上混凝土的凈面積（m2）;

As——樁身截面上縱向鋼筋的總面積（m2）;

Pz——某級荷載下樁身某截面軸向力（kN）。

由以上公式求得在每一級荷載下各土層的樁身軸力。繪制軸力沿樁長的分布曲線，如圖3、圖4所示。

從圖3和圖4可知，在同一層土中，樁身的軸力隨著荷載等級的增大而逐漸增大。在同級荷載下軸力的分布規(guī)律是在荷載箱處最大，并沿著土層逐漸減小。在圖3中標(biāo)高為0.21～1.19 m段和圖4中標(biāo)高為-0.29～1.17 m段樁身軸力增長較緩慢，說明處于淤積區(qū)的樁身摩阻力幾乎不發(fā)揮承載作用。

3.2 樁側(cè)摩阻力分析

試樁各土層的側(cè)摩阻力可以由試樁各土層的樁身軸力實(shí)測值計(jì)算求得，根據(jù)各土層的靜力平衡條件，按以下公式求得[6]：

qs=ΔPZΔF（6）

式中：qs——樁周各土層的實(shí)測摩阻力（kN/ m2）;

ΔPZ——樁身各截面之間軸向力PZ的差值（kN）;

ΔF——樁身各截面之間樁段側(cè)表面積（m2）。

按照式（6）以及上述原理求得樁身各層的側(cè)摩阻力如圖5和圖6所示。

由圖5和圖6可以得到樁身的側(cè)摩阻力分布規(guī)律：隨著荷載等級的增加，在同一層土中，側(cè)摩阻力也隨之增大。淤積土層的摩阻力很小，幾乎不發(fā)揮承載能力，僅占總側(cè)摩阻力承載的3%～5%。圖5和圖6的第二層和第四層側(cè)摩阻力較大是因?yàn)檫@兩層的土質(zhì)相比于其他土質(zhì)所能發(fā)揮的承載作用更大。

3.3 樁端阻力分析

為了獲得實(shí)測的樁端阻力值，在樁端放置兩個壓力盒，根據(jù)壓力盒的應(yīng)變實(shí)測值，利用相關(guān)公式進(jìn)行換算得到樁端阻力。具體的樁端阻力換算公式如下[7]：

Pn=Kε（7）

qp=PnA0（8）

式中：qp——樁底單位面積下的樁端阻力（kN/m2）;

Pn——計(jì)算得到的樁端豎向力（kN）;

A0——樁端的樁體面積（m2）;

K——標(biāo)定系數(shù)。

樁端的阻力分布規(guī)律見下頁圖7和圖8。

由圖7和圖8可知：當(dāng)剛開始加載時，樁端阻力很小，由樁側(cè)的摩阻力擔(dān)當(dāng)主要的承載任務(wù)，也可以看出樁側(cè)摩阻力是先于樁端阻力發(fā)揮作用的。隨著荷載的增大，樁側(cè)摩阻力與樁端阻力開始同時發(fā)揮作用，表現(xiàn)出來的是隨著荷載的增大，樁端阻力也增大。從圖7～8的曲線也可以明顯地看出，在由樁側(cè)摩阻力承擔(dān)承載作用時，樁端阻力較小，當(dāng)二者共同承擔(dān)承載作用時，樁端阻力逐漸增加。

3.4 極限承載力分析

將試樁自平衡試驗(yàn)得到的結(jié)果，按照規(guī)范要求轉(zhuǎn)換為傳統(tǒng)靜載荷試驗(yàn)的等效樁頂荷載-沉降曲線，得到試樁等效樁頂荷載-沉降曲線[8]。2-1#樁的P-S曲線如圖9所示，5-2#樁的P-S曲線如圖10所示。

總體上來看，兩根樁的P-S曲線都是緩變型曲線，加載到荷載設(shè)計(jì)值時，2-1#試樁的最大位移值為15.45 mm，5-2#試樁的最大位移值為17.32 mm，均滿足終止加載條件。

試樁的承載特性見表3。

由圖9～10和表3可知該橋的兩根試樁均達(dá)到設(shè)計(jì)要求。承載特性為：2-1#試樁和5-2#試樁的總側(cè)摩阻力分別為樁承載力的85.3%和83.8%，樁端阻力分別為總承載力的14.7%和16.2%。

4 結(jié)語

通過對該橋兩根工程樁的現(xiàn)場測試可以得到如下結(jié)論：

（1）在同一層土中，隨著荷載等級的逐級增大，樁身的軸力也隨著增大。而在同一級荷載中，軸力最大是在荷載箱的位置，而且沿著土層分別向上向下逐漸減小。處于淤積區(qū)的樁段軸力變化很小，說明處于淤積區(qū)的樁身摩阻力幾乎發(fā)揮不了承載作用。

（2）現(xiàn)場實(shí)測得到的樁身側(cè)摩阻力的分布規(guī)律是隨著荷載的逐漸增大，在同一層土中，側(cè)摩阻力也隨著增大。淤積土層的側(cè)摩阻力很小，幾乎發(fā)揮不了承載能力，僅占總側(cè)摩阻力承載的3%～5%。

（3）當(dāng)施加的荷載較小時，荷載全部由樁基的側(cè)摩阻力承擔(dān)，當(dāng)荷載增大到一定程度時，樁基的側(cè)摩阻力和樁端阻力共同發(fā)揮作用，說明樁側(cè)摩阻力先于樁端阻力發(fā)揮承載作用。

（4）該橋的兩根試樁均達(dá)到設(shè)計(jì)要求。承載特性為：2-1#試樁和5-2#試樁的總側(cè)摩阻力分別為樁承載力的85.3%和83.8%，樁端阻力分別為樁承載力的14.7%和16.2%，說明在整個過程中樁側(cè)摩阻力提供主要的反力。

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