淤積區現澆連續梁橋樁基自平衡試驗研究

劉自標

【摘要：】文章以淤積區預應力混凝土現澆連續梁橋的兩根工程樁為研究對象，通過現場的自平衡試驗，獲得入海口淤積土地質條件下樁軸力、側摩阻力、樁端阻力以及極限承載力的相關數據，研究了樁基在淤積土層的軸力和側摩阻力的發揮情況，為以后同種地質情況下自平衡試樁提供可靠的依據。結果表明：試樁的軸力變化趨勢是平衡點處最大，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，幾乎發揮不了承載能力，僅占側摩阻力承載的3%～5%;樁端反力所能提供的承載能力很小，樁側摩阻力提供主要的承載能力。

【關鍵詞：】自平衡試驗;樁端阻力;側摩阻力;承載能力

U443.15A451494

0 引言

隨著我國交通運輸行業的發展，樁基礎大量應用在交通基礎設施建設中。樁基礎與其他基礎相比，具有承載力高、沉降少的優點。樁基礎應用在橋梁工程中，不僅能夠承受水平的荷載，也可以承受豎直荷載，在橋梁設計領域中被廣泛應用[1]。本文所研究的預應力混凝土連續梁橋地處入海口地區，地貌屬受海水沖積形成的淤積區，上層覆蓋層存在不均勻的淤積土。由于淤積區的樁基礎受力情況復雜，往往會影響到工程中對樁基礎承載力的計算，造成不必要的經濟損失和安全事故。目前，對淤積土地區樁基礎受力特性研究的理論相對落后，所以分析淤積土地區的樁基承載力特性有很大的必要性[2]。本文通過現場試驗，分析淤積土地質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律。

1 工程概況

該預應力混凝土現澆連續梁橋全長約201.2 m。橋梁上部結構為35 m+40 m+45 m+40 m+35 m=195 m（見圖1），采用A類預應力混凝土現澆連續箱梁。下部結構橋墩采用花瓶式橋墩接承臺樁基礎;橋臺采用肋板式橋臺接承臺樁基礎。其中，橋墩樁基礎樁長27 m，樁徑為1.0 m，橋臺樁基礎樁長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，地勢平坦。橋址范圍內土層上部主要為1.0～3.0 m厚的沖積淤積質土，在下部主要為10.0～20.0 m厚的粉質黏土及2.0～5.0 m厚的粉細砂。本文分別選取2-1#樁（橋墩樁）和5-2#樁（橋臺樁）進行現場自平衡試驗研究。見圖1。

橋梁樁基根據地質資料采用摩擦樁基礎，成孔方式采用機械鉆孔。然而，淤積質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，在這種地質條件下，保證樁基正常發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）作為試驗樁進行自平衡試驗。試樁的主要技術資料見表1。試樁土層的參數情況見下頁表2。

2 自平衡試驗

2.1 測試系統

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是利用樁基礎內力平衡，在樁身埋置荷載箱，利用壓力管對荷載箱進行加壓，隨著壓力越來越大，荷載箱箱蓋和箱底分離，從而使上段樁側阻力向下，下段樁側阻力向上，兩者互為反力。當壓力增大到樁基所能承受的極限狀態時，樁側摩阻力和樁端阻力都能發揮作用。自平衡試樁法和傳統靜載試驗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行樁基測試。加載時，油管通過荷載箱與樁頂連接，樁身的應力首先在荷載箱的位置，在荷載箱中提供了反作用力，因此上部樁段產生樁側負摩擦力，下部樁段產生樁側正摩擦力。加壓越來越大，荷載箱逐漸被打開，樁基逐漸達到所能承受的荷載極限。由此，根據荷載與位移的獨特對應關系，可對樁基的承載力特性進行分析。在試驗前可以將鋼筋傳感器埋設在土層變化處，這樣在加載時也可以得到樁軸力隨荷載增大的變化關系[4]。

2.2 加載方式

自平衡試驗的加載方式[5]：

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

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

（3）試驗時如果荷載沉降值沒有達到穩定狀態，不可以進行下一級荷載的加載。

2.3 終止加載條件

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

（2）在試驗時，如果總位移量已經超過了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達到了荷載箱設計的極限荷載，可以終止加載。

3 試驗結果分析

3.1 樁身軸力分析

由樁身預埋的鋼筋計測出應變量，根據應變量可以確定各個截面的軸力，計算公式如下[6]：

F=K（f2-f20）（1）

式中：F——鋼筋計所受的力（kN）;

K——鋼筋計標定系數;

f——鋼筋計在某級荷載下的讀數（Hz）;

f0——鋼筋計的初始頻率讀數（Hz）。

由于鋼筋的軸力和應變是一一對應的，知道了鋼筋的應變，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生的應變量;

εs——鋼筋計的應變量;

σc——某級荷載下樁身截面由混凝土產生的應力值（kN/m2）;

σs——某級荷載下由鋼筋產生的應力值（kN/m2）;

ν——混凝土塑性系數;

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律是在荷載箱處最大，并沿著土層逐漸減小。在圖3中標高為0.21～1.19 m段和圖4中標高為-0.29～1.17 m段樁身軸力增長較緩慢，說明處于淤積區的樁身摩阻力幾乎不發揮承載作用。

3.2 樁側摩阻力分析

試樁各土層的側摩阻力可以由試樁各土層的樁身軸力實測值計算求得，根據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表面積（m2）。

按照式（6）以及上述原理求得樁身各層的側摩阻力如圖5和圖6所示。

由圖5和圖6可以得到樁身的側摩阻力分布規律：隨著荷載等級的增加，在同一層土中，側摩阻力也隨之增大。淤積土層的摩阻力很小，幾乎不發揮承載能力，僅占總側摩阻力承載的3%～5%。圖5和圖6的第二層和第四層側摩阻力較大是因為這兩層的土質相比于其他土質所能發揮的承載作用更大。

3.3 樁端阻力分析

為了獲得實測的樁端阻力值，在樁端放置兩個壓力盒，根據壓力盒的應變實測值，利用相關公式進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——計算得到的樁端豎向力（kN）;

A0——樁端的樁體面積（m2）;

K——標定系數。

樁端的阻力分布規律見下頁圖7和圖8。

由圖7和圖8可知：當剛開始加載時，樁端阻力很小，由樁側的摩阻力擔當主要的承載任務，也可以看出樁側摩阻力是先于樁端阻力發揮作用的。隨著荷載的增大，樁側摩阻力與樁端阻力開始同時發揮作用，表現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，在由樁側摩阻力承擔承載作用時，樁端阻力較小，當二者共同承擔承載作用時，樁端阻力逐漸增加。

3.4 極限承載力分析

將試樁自平衡試驗得到的結果，按照規范要求轉換為傳統靜載荷試驗的等效樁頂荷載-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，加載到荷載設計值時，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到設計要求。承載特性為：2-1#試樁和5-2#試樁的總側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 結語

通過對該橋兩根工程樁的現場測試可以得到如下結論：

（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。處于淤積區的樁段軸力變化很小，說明處于淤積區的樁身摩阻力幾乎發揮不了承載作用。

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

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

（4）該橋的兩根試樁均達到設計要求。承載特性為：2-1#試樁和5-2#試樁的總側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摩阻力提供主要的反力。

參考文獻：

[1]任國杰.西咸機場高速樁端后壓漿技術對樁基承載力影響的試驗研究[J].中外公路，2014，34（5）：210-217.

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[3]程寶輝.基樁豎向承載能力的自平衡試樁法理論研究[D].武漢：武漢理工大學，2003.

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[6]馮少君.自平衡法單樁靜載荷試驗研究及應用[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2017.

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[8]董曉明.基于黃土非均勻濕陷變形的橋梁群樁基礎承載特性研究[D].西安：長安大學，2013.4B4B2C53-3603-4BBD-9438-556F2FA071AE