西安地鐵渭河橋雙荷載箱自平衡法試樁實例分析

趙關華

（陜西中盛建設科技服務有限公司，陜西 西安 710048）

0 引言

西安市地鐵 10 號線是西安城市軌道交通建設的重點項目，它橫跨渭河、涇河生態流域，規劃為公鐵兩用橋，線路建成將成為大西安城區南部至東北部區域交通的亮點線路。渭河段高架橋結構復雜、荷載大，工程地質條件、場地環境復雜，設計大直徑超長灌注樁基礎，單樁豎向極限承載力近 60 000 kN，如此高承載力的超長樁在西安市政工程中極其少見。由于工程場地條件限制及傳統靜載試驗設備能力不足、試驗成本等因素，該項目經過討論在前期試驗樁用自平衡法靜載試驗測試單樁承載力，通過樁身內力測試確定樁身范圍內各土層極限側摩阻力及樁端阻力，為樁基設計提供參考依據。

工程現場試驗能夠較真實地反映大直徑超長灌注樁受荷狀態及工作性能，已成為設計參考和有關研究的最常見手段。王衛東等［1］通過上海中心大廈現場實測數據，系統研究了大直徑超長灌注樁承載變形特征、樁側摩阻力和樁端阻力發揮性狀。任鵬等［2］、辛公鋒等［3］均在現場試驗的基礎上對大直徑超長灌注樁承載特性進行了研究。但大直徑超長灌注樁承載力高，單荷載箱自平衡法往往無法加載至極限，本文基于雙荷載箱自平衡法試驗，結合樁身鋼筋計內力測試、樁身完整性測試等綜合手段分析評價樁的施工情況、承載性能、荷載傳遞機理等問題，為工程實踐提供了有價值的參考。

1 工程概況及試樁方案

1.1 工程概況

西安市地鐵十號線一期工程，南起與八號線換乘的楊家莊站，北至高陵區水景公園站，主線全長 34.112 km，其中地下線長 11.911 km，高架線長22.201 km。渭河段高架區間起點渭河南側河堤路，終于渭河北岸防洪堤北側，渭河橋設計 9 跨共 1 412 m，主橋形式為雙層剛性懸索加勁剛桁架組合梁，上層為西閻快速路，下層為 10 號線地鐵軌道交通，兩側為地方公路交通，最外側為觀光走廊。西閻快速路設計為雙向六車道，主道設計車速 80 km/h，軌道交通設計為雙線，最高行車速度 100 km/h。

1.2 試樁方案

渭河橋樁基礎設計鋼筋混凝土灌注樁試樁 1 組（3 根試樁，樁徑 2.00 m，樁長 75.00 m，樁身混凝土 C 35），設計樁身標高、施工工藝均相同，采取反循環鉆孔泥漿護壁水下灌注混凝土，成孔傾斜度≤1/100，沉渣厚度≤100 mm，預估單樁豎向抗壓極限承載力 58 889 kN。試樁試驗目的及檢測手段：①跟蹤監測試樁施工過程中成孔質量配合施工控制并掌握試樁施工過程中的成孔數據；②采用聲波透射法測試基樁樁身質量，評價樁身完整性；③用基樁雙荷載箱自平衡靜載試驗法檢測單樁豎向抗壓極限承載力、基樁沉降變形，確定單樁豎向抗壓承載力；④利用樁身內力測試，確定樁身范圍內各土層極限側摩阻力及樁端阻力，驗證工程地質勘察報告各土層的設計參數的合理性，為設計提供參考。試樁樁身范圍上部主要地層為第四系全新統 Q4的黃土狀土和中砂，下部主要地層為第四系中更新統 Q2的粉質黏土和中砂（見圖1），樁身范圍內各地質地層巖土物理力學指標建議值匯總表如表1 所示。試樁位置布設如圖2 所示。

圖1 預埋荷載箱位置及試樁施工的地質條件

表1 各地層巖土物理力學指標建議值匯總表

圖2 試樁平面位置圖（單位：m）

1.3 樁的施工情況及荷載箱參數

依據施工方提供的試樁鉆孔記錄、灌注記錄施工資料，統計匯總了 3 根試樁的施工情況。試樁設計參數與實際施工情況比對如表2 所示，受檢樁實際荷載箱參數、荷載箱位置等內容如表3 所示。

表2 試樁設計參數與實際施工情況表

表3 受檢樁荷載箱參數及位置表

2 試驗結果分析

2.1 成孔質量檢測分析

針對該項目大直徑超長灌注樁利用超聲波成孔質量檢測儀測試鉆孔的孔徑、孔深、垂直度，測試采用MC-8342 超聲波成孔成槽質量檢測儀。測試結果為：SZ1-1 的孔深、孔徑、垂直度、一次清孔后的沉渣厚度均滿足設計要求。SZ1-2、SZ1-3 的孔深、孔徑、垂直度滿足設計要求；一次清孔后的沉渣厚度＞100mm，不滿足設計要求。檢測結果匯總表如表4 所示。

由表4 測試結果看出，鉆孔實測孔深均大于設計深度 0.6～1.5 m，SZ 1-2 樁平均孔徑明顯大于設計孔徑，達到 2.426 m。試樁成孔質量檢測均在鉆機成孔至終孔標高拔出鉆桿的首次清孔后實施檢測的，孔底沉渣厚度是通過儀器探測的實際孔深與鉆機鉆孔深度差計算得出的，不代表下鋼筋籠后的實際沉渣；由測試結果看出鉆孔一次清孔后的沉渣厚度不一定滿足設計要求，因此該施工工藝的二次清孔（灌注前清孔）很關鍵。筆者認為該成孔工藝的鉆孔垂直度、孔底沉渣厚度是控制難點，可改進成孔鉆頭為雙環導向鉆頭并隨鉆孔跟蹤控制成孔質量，鉆孔過程中應避免鉆機底座傾斜移位，控制鉆進速度并保持連續鉆進、不得間歇。

表4 試樁成孔質量檢測結果

2.2 聲波透射法測試分析

測試采用 RS-ST06D（T）跨孔超聲檢測儀，SZ 1-1 樁在最短齡期 7 d 即進行了測試。試樁聲測曲線在樁身荷載箱部位均有明顯特征，表現為靠近荷載箱時聲時延遲，波幅微弱，通過荷載箱中心處聲測線近似直線，測試曲線反映樁身上、下荷載箱位置與設置荷載箱位置基本一致，深度偏差均在 0.5 m 范圍內。除荷載箱部位固有缺陷外，SZ 1-1 樁樁底部位有些剖面多個測點的聲速、波幅略小于臨界值，分析為樁端 0.5 m 深度范圍輕微離析或沉渣，判為Ⅱ 類樁。SZ 1-2 樁個別剖面個別測點的聲速、波幅略小于臨界值，但波形基本正常，判為 I 類樁。SZ1-3 樁有些剖面個別測點的聲速、波幅略小于臨界值，且樁身 72.30 m 深度附近區域、樁端 0.30 m 深度范圍波形輕微異常，判為Ⅱ類樁。2 根試樁判為Ⅱ類樁，分析認為鋼筋籠上串接著雙荷載箱，試樁樁身混凝土的澆筑較常規灌注增加了難度是影響灌注質量、樁身完整性的因素之一，但其缺陷部位不僅限于荷載箱附近區域，說明雙荷載箱不是影響施工質量的根本原因，大直徑超長灌注樁本身存在澆筑難點需要克服。檢測結果匯總表如表5 所示。

表5 聲波透射法檢測結果匯總表

2.3 基樁承載力自平衡法試驗

自平衡法靜載試驗是將一種特制的加載裝置—自平衡荷載箱，在混凝土澆筑之前和鋼筋籠連接并一起埋入樁內相應的位置（具體位置根據試驗的不同目的而定），將荷載箱的加壓管以及所需的其他測試裝置（位移、應變等）從樁體引到地面，然后灌注成樁。休止期及樁身強度滿足后，由加壓泵在地面向荷載箱加壓，使荷載箱產生上下兩個方向的力，并傳遞到樁身，利用樁體自成反力測試承載力。由于樁體自成反力，將得到相當于兩個靜載試驗的數據：荷載箱以上部分，獲得反向加載時上部樁體的相應反應參數；荷載箱以下部分，獲得正向加載時下部樁體的相應反應參數。通過對加載力與參數（位移、應力等）之間關系的計算和分析，可以獲得樁基承載力、樁端承載力、側摩阻力、端阻力等一系列數據［4］。

雙荷載箱自平衡法是在樁身中預先埋設上下兩個荷載箱，上荷載箱Ⅰ及下荷載箱Ⅱ，上下兩個荷載箱將樁體分為 A、B、C 三部分，設計荷載箱埋設位置時估算承載力分布符合：A＞B；A+B＞C；B+C＞A。雙荷載箱加載程序為：試樁達到檢測條件后先加載下荷載箱Ⅱ，測出 C 段承載力；下荷載箱Ⅱ逐級卸載后，再加載上荷載箱Ⅰ，測出 B 段承載力；B 段破壞后，將下荷載箱Ⅱ保壓，使 B 段和 C 段合成一體給 A 段提供反力，然后繼續加載上荷載箱Ⅰ，得到 A 段承載力。

單樁豎向抗壓承載力計算原理是：C 段樁取值為下荷載箱加載時實測的抗壓承載力，B 段樁取值為上荷載箱加載時實測的 B 段抗壓承載力，A 段樁取值為上荷載箱加載時實測的 A 段抗拔承載力轉換為抗壓承載力，整樁單樁豎向抗壓承載力為 A、B、C 段樁抗壓承載力的疊加。現場試樁混凝土實體樁樁頂均有空樁僅簡易鋼筋籠伸長至孔口，成樁后空樁部分有塌落覆土，A 段樁頂標高以上覆土產生的附加荷載在計算時基于安全考慮用混凝土浮重度計算扣除，混凝土樁身浮重度取 15 kN/m3；荷載箱上部土層包括粉質黏土和中砂，試驗基于行業經驗和安全考慮的修正系數γ取值為 0.8。承載力計算結果如表6 所示。

表6 承載力計算結果表

由表6 結果得知，3 根試樁抗壓極限承載力實測值標準差Sn＜0.15，則單位工程單樁豎向極限承載力標準值Quk≥73 591 kN。試樁抗壓極限承載力為實際施工樁徑、樁長條件下的實測換算值，根據成孔質量檢測數據和灌注成樁記錄數據看出受檢試樁實際施工均有不同程度的樁底深鉆、樁頂超灌現象，因此不排除聲測管下端有素混凝土或沉渣，但結合 C 段樁加載取值數據看出樁端沉渣厚度對單樁承載力的影響不明顯。由圖3 看出，3 根試樁 C 段（下荷載Q-s曲線圖坐標第四象限）荷載-沉降曲線都為緩變型，總沉降均＞50 mm；限于荷載箱加載能力及上荷載箱平衡點計算偏保守，3根試樁 A 段（上荷載Q-s曲線圖坐標第一象限）都未加載至樁土抗力極限，反映出實際施工條件下的試樁單樁豎向抗壓承載力仍有潛力。由圖4 看出，3 根試樁等效Q-s曲線變化形態相似，受力變形基本一致，總沉降在 80～110 mm，表明試樁位置地質條件單一、試樁施工質量可控。

圖3 試樁自平衡法試驗 Q-s 曲線圖

圖4 試樁等效轉換 Q-s 曲線圖

2.4 樁身內力測試

樁身內力測試是依據混凝土樁中鋼筋籠主筋上的振弦式鋼筋應力計讀取頻率數據換算而來的。隨著自平衡法靜載試驗的分級加載，樁身內力即傳遞給鋼筋籠主筋的壓應力是分級變化的，讀取測試應力變化差，依據鋼筋與混凝土等應變原理結合材料彈性模量換算出不同埋設斷面、不同加載級別下的分段深度處樁身軸力。鋼筋應力計不同深度的分層埋設是隨鋼筋籠加工制作提前設計和布置的已知深度數據。

1）軸力計算方法。將鋼筋計實測頻率模數通過率定系數換算成鋼筋應力P鋼，再將鋼筋應力P鋼換算成與鋼筋計斷面處的混凝土應變相等的鋼筋應變量，見公式（1）～式（4）；在數據整理過程中，將零點漂移大、變化無規律的測點刪除，求出同一斷面有效測點的應變平均值，并按公式（5）計算該斷面處樁身軸力。

式中：Fi為各級荷載下讀取的數值；F0為初始讀數；K為標定系數；B為修正系數；A為斷面積，m2；E為彈性模量，MPa；εh為混凝土應變量；εs為鋼筋應變量；N為鋼筋主筋數；P為軸力，kN。

2）樁側土的分層極限摩阻力按公式（6）、公式（7）計算，樁極限端阻力按公式（8）計算。

式中：ΔP為相鄰斷面間的軸力差，kN；P為樁端軸力，kN；S側為相鄰斷面間的樁側面積，m2；S端為樁端面積，m2；W為自重，kN；γ為抗壓摩阻力轉換系數。

試樁的實測摩阻力極限值是根據單樁極限承載力下的樁身軸力按分層分段樁側表面積計算的，試樁側表面積、端面積計算數據按成孔質量檢測的平均孔徑計算，上部土層側摩阻力是根據上段樁抗拔側摩阻力除以轉換系數，轉換修正系數γ取值 0.8。分析試樁 SZ 1-2 成孔質量檢測顯示實際樁徑較理論樁徑有明顯增大，導致同樣加載力作用下面積側阻發揮較小。根據表2、表4 數據得知，試樁樁底有不同程度的深鉆情況，實測端阻力極限值是來自鋼筋籠底部標高處的計算值，不能確定是實際的混凝土樁端土壓力值。

限于荷載箱加載能力，3 根試樁 A 段都未加載至樁土抗力極限值，所以自平衡法試驗測得 3 根試樁樁側摩阻力、端阻力值是實測最大激發值。由圖5 樁身摩阻力分布圖看出，上荷載箱加載時的 A 段樁摩阻力分布也體現出標高 350.00 m 以上樁側摩阻力基本沒有發揮，B 段樁樁側摩阻力發揮明顯。由于雙荷載箱埋設在樁身中下部，樁身荷載是由荷載箱處施加且自平衡法試驗時 3 根試樁的中段樁抗力均已達到極限，因此樁身中段、下段土阻力激發更充分。分析試驗所得的樁側摩阻力曲線及地質勘察報告參數，試樁樁側阻力較地勘報告有明顯提高（見表7），是地勘報告建議值的 1.68 倍，實際施工條件下的試樁單樁豎向抗壓承載力仍有潛力。

表7 土層阻力計算結果匯總表

圖5 樁身摩阻力分布圖

圖6 是試樁下荷箱加載時樁身軸向力與端阻力關系曲線圖，表明 3 根試樁在軸向力 4 000～8 000 kN 時樁端阻力開始激發，樁身軸向壓力與端阻力發揮均呈正相關。3 條曲線斜率有差異，反映 SZ1-2 樁隨軸向荷載增加端阻力發揮不敏感，SZ1-3 樁隨軸向荷載增加端阻力發揮最敏感，SZ1-1 樁則介于兩者之間；最大軸向荷載下 SZ1-3 端阻力發揮最大。結合表7 土阻力結果得知，3 根樁端阻力實測平均值 2 222 kN，實測值是地勘報告取值的 1.06 倍，地勘建議值較合理。

圖6 樁端阻力發揮與荷載關系曲線圖

3 結語

本文結合西安地鐵渭河橋試樁雙荷載箱自平衡法靜載試驗，樁身內力測試、樁身完整性測試等綜合手段對大直徑超長灌注樁的豎向承載性能、荷載傳遞等進行了詳細的分析研究，得出以下幾點結論。

1）反循環鉆孔泥漿護壁的樁孔孔壁影像清晰、孔壁穩定，該成孔施工工藝鉆孔質量可控。該工藝鉆孔一次清孔后的沉渣厚度不一定滿足設計要求，因此二次清孔（灌注前清孔）很關鍵，應選用合適的清底方法二次清孔并避免塌孔。筆者建議改進成孔鉆頭為雙環導向鉆頭并隨鉆孔跟蹤監測控制成孔質量，鉆孔過程中控制鉆進速度并保持連續鉆進、不得間歇。

2）聲波透射法測試反映樁身上、下荷載箱位置與設置荷載箱位置基本一致，深度偏差均在 0.5 m 范圍內。2 根試樁完整性判定均為Ⅱ類樁，分析認為鋼筋籠上串接著雙荷載箱，試樁樁身混凝土的澆筑較常規灌注增加了難度是影響灌注質量、樁身完整性的因素之一，但不是根本原因，大直徑超長灌注樁本身存在澆筑難點需要克服。

3）雙荷載箱自平衡法靜載試驗得出本工程單樁豎向極限承載力標準值Quk≥73 591 kN。3 根試樁 A 段都未加載至樁土抗力極限，因此實際施工條件下的試樁單樁豎向承載力仍有潛力。試樁抗壓極限承載力為實際施工樁徑、樁長條件下的實測換算值，測試數據反映樁端沉渣厚度對單樁承載力的影響不明顯。

4）受檢試樁實際施工均有不同程度的樁底深鉆、樁頂超灌現象，是試樁承載力較設計預期提高的一方面原因；試樁 SZ1-2 成孔質量檢測顯示施工樁徑較理論樁徑有明顯增大，是該試樁承載力較設計預期提高的另一方面原因，也是導致同樣加載力作用下側阻發揮較小的原因。

5）本場地試樁施工用反循環鉆孔泥漿護壁水下灌注混凝土的施工工藝基本可行，試樁施工質量可控。工程樁施工，應控制好樁身混凝土的灌注質量，著重把控商混性能、澆筑速率、導管埋深和拆除。

6）限于荷載箱加載能力，自平衡法試驗測得 3 根試樁樁側摩阻力、端阻力值是實測最大激發值；綜合分析試驗所得的測試曲線及地質勘察報告參數得知，試樁樁側土摩阻力是地勘報告建議值的 1.68 倍，試樁端阻力實測值是地勘報告參考值的 1.06 倍，試樁結果對后期工程樁的設計能提供一定的參考。

7）該項目是大直徑超長灌注樁在市政重點工程的城市河灘復雜地質條件下施工，雙荷載箱自平衡法靜載試驗技術的應用亦是首次在本地區市政項目上實施，本次試樁為類似工程的實施提供了寶貴經驗。本次試樁試驗的不足之處是荷載箱加載能力儲備不夠，類似工程試驗應定制足夠加載能力的荷載箱設備，荷載箱埋設位置也應結合工程經驗做優化布置。Q