某橋梁雙荷載箱自平衡法檢測樁基承載力試驗(yàn)分析

陳 洋

（貴州橋梁建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司,貴州 貴陽 550001）

0 引言

自平衡法是一種較新型的基礎(chǔ)樁靜載測試技術(shù)，它是將帶有千斤頂?shù)暮奢d箱置于樁的平衡點(diǎn)，該位置樁基上下樁體的承載力相等，并通過上樁體的側(cè)摩擦力、下樁體的側(cè)摩阻、端阻力來維持加載的試驗(yàn)過程[1]。為了解決單荷載箱體的定位誤差無法準(zhǔn)確地反映樁身的實(shí)際承載力問題，該文提出了一種利用雙荷載箱自平衡方法來測試樁承載力的方法，采用這種方法可以測量樁身上部和下部的側(cè)阻力和樁端阻力[2-3]。將兩個(gè)載荷箱置于樁的中間和下部，用以測量各個(gè)部位的阻力，由此可以判定樁的承載能力。

1 工程概況

該文以某高速公路大橋工程為背景，根據(jù)設(shè)計(jì)的試樁條件，對試樁進(jìn)行了全破壞試驗(yàn)。根據(jù)大橋初步設(shè)計(jì)方案，試樁地點(diǎn)在西引橋3-1號樁附近，場區(qū)地質(zhì)具體情況詳見圖1。

圖1 西引橋3-1號樁地質(zhì)圖

根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙及相關(guān)附件要求，西引橋3-1號試樁樁長為33 m，設(shè)計(jì)要求的單樁容許承載力為6 785 kN，該次試樁主要參數(shù)見表1。對該試驗(yàn)樁進(jìn)行檢測，檢測目的主要包括：單一樁體的豎向抗壓極限能力、樁基側(cè)面各地層的側(cè)向摩阻力、樁端阻力。

表1 自平衡試樁設(shè)計(jì)參數(shù)表（試樁編號：西引橋3-1號）

2 基樁承載力自平衡法雙荷載箱技術(shù)原理

樁基礎(chǔ)承載能力強(qiáng)、穩(wěn)定性好，在各種工程中得到了廣泛的應(yīng)用，而樁基承載能力的測試是確保樁基承載能力和工程安全性的先決條件[4-5]?；鶚冻休d力自平衡方法是在樁身中預(yù)先埋置一種特殊的載荷設(shè)備，即荷載箱，然后在灌注混凝土前與鋼筋籠一同埋于樁中對應(yīng)的部位，并將荷載容器的壓力管道和其他需要的檢測設(shè)備從樁身引至地面，其測試設(shè)備見圖2。試驗(yàn)樁灌注成型，達(dá)靜止齡期后，用壓力泵將載荷箱在地面上經(jīng)過預(yù)先埋好的管道進(jìn)行加壓和加載，從而使載荷箱產(chǎn)生上下兩個(gè)方向的作用力，并將其傳遞到樁身上。在荷載作用下，樁身的反作用力等于兩次靜載荷試驗(yàn)的結(jié)果：1）在荷載作用下，上部樁身在逆向荷載作用下的響應(yīng)參數(shù)；2）在荷載作用下，得到下層樁身在前載荷作用下的響應(yīng)參數(shù)。通過計(jì)算分析荷載與位移、應(yīng)力等的關(guān)系，得出了樁身承載力、樁端承載力、側(cè)摩阻力、摩阻轉(zhuǎn)換系數(shù)等參數(shù)。

圖2 自平衡試樁法試驗(yàn)示意圖

樁基礎(chǔ)雙荷箱承載力測試的主要設(shè)備是采用特殊的傳感器，在樁基混凝土澆筑之前，將承載箱體置于樁基鋼筋籠中。檢測階段，須確定荷載容器的埋設(shè)位置，也就是平衡點(diǎn)。所述負(fù)載容器由液壓千斤頂、頂板、底板等組成[6]。在試驗(yàn)中，為了測量樁側(cè)土的摩擦力和頂端的阻力，將高壓油泵注入負(fù)載箱內(nèi)而推動液壓千斤頂，以施加荷載于樁體，來測量樁身的摩擦力和頂端的阻力。雙向荷載箱測試承載力的過程見圖3所示。

圖3 雙向荷載箱測試承載力示意

3 試樁目的及荷載箱埋設(shè)位置

為確保結(jié)構(gòu)安全可靠，樁基入土深度需合理，主橋的地質(zhì)狀況和現(xiàn)場施工條件均有必要進(jìn)行試樁試驗(yàn)。試樁的目的包括：1）通過對分級加卸載后的荷載-變形曲線進(jìn)行分析，得出單樁豎向抗壓極限承載力，以檢驗(yàn)其是否符合設(shè)計(jì)規(guī)范；2）對每一地層的樁側(cè)摩擦力、樁端阻力等力學(xué)指標(biāo)進(jìn)行校核，為該工程的樁基礎(chǔ)施工圖設(shè)計(jì)提供較為精確的數(shù)據(jù)；3）對現(xiàn)場鉆孔樁成孔工藝的優(yōu)化進(jìn)行分析，以便選擇適當(dāng)?shù)臋C(jī)械和裝備，以提高工程施工中的鉆孔效率[7]。

通過地質(zhì)勘察資料提供的地層參數(shù)及樁基參數(shù)計(jì)算確定荷載箱預(yù)埋位置：1）試樁名稱為某大橋工程西引橋3-1樁基；2）試樁設(shè)計(jì)參數(shù)為樁徑為1.2 m、設(shè)計(jì)樁長為33+0.12（m）、計(jì)算參考柱狀圖見圖1；3）計(jì)算過程及結(jié)論見表2。

表2 荷載箱預(yù)埋位置計(jì)算表

4 雙荷載箱自平衡法檢測技術(shù)要點(diǎn)

4.1 儀器、設(shè)備測試元件的安裝

（1）加載方式：1）將預(yù)制的荷載箱置于計(jì)算位置；2）將荷載箱上下外徑鋼環(huán)分別與上部鋼筋籠和下部鋼筋籠連接，并平放于樁身中央位置；3）高壓管道應(yīng)直接沿著豎向主筋定位，應(yīng)延伸出樁頂5 m以上；4）在進(jìn)行測試前，荷載箱、高壓油泵等的裝載設(shè)備，應(yīng)由省級計(jì)量標(biāo)定單位進(jìn)行系統(tǒng)地檢測和校準(zhǔn)。

（2）應(yīng)力檢測及位移監(jiān)控系統(tǒng)：1）采用鋼筋計(jì)進(jìn)行樁體應(yīng)力檢測，宜將其置于兩個(gè)不同的土質(zhì)層交界處，與樁底、樁頂、荷載箱之間的間距不得少于1倍樁徑，并在同一剖面上均勻?qū)ΨQ布置4根；2）通常使用靜態(tài)分析采集裝置進(jìn)行位移試驗(yàn)，測量裝置的另一頭與安裝在基準(zhǔn)梁上的電子測量計(jì)相連接。每根試驗(yàn)樁均應(yīng)布置兩套位移傳感器，以測量載荷箱體的上下位移；3）在每個(gè)試樁樁頂部設(shè)置一套測量樁頂位移的位移傳感器；4）位移試驗(yàn)的原件應(yīng)通過省級計(jì)量站標(biāo)定，然后置于樁頂部及基準(zhǔn)梁上，基準(zhǔn)梁與載荷箱焊接的位移桿件相連。

4.2 試樁前期現(xiàn)場工作

（1）對試樁樁頭進(jìn)行處理，將灌注在混凝土中的油管、鋼筋計(jì)傳輸線、位移桿等外露于樁體側(cè)面，通過超聲波檢測，保證樁體的完整性[8]。

（2）將油管與相應(yīng)高壓油泵相連，并對載荷箱進(jìn)行壓力測試，以確定該載荷系統(tǒng)能正常工作。

（3）在試樁的上部設(shè)置基準(zhǔn)梁，在適當(dāng)?shù)奈恢冒惭b電子測微計(jì)，使測量儀的接觸點(diǎn)剛好與位移桿件接觸，然后對各個(gè)測試儀器進(jìn)行校正、調(diào)試[9]。

（4）安裝遮風(fēng)棚，為試驗(yàn)做好準(zhǔn)備。

4.3 荷載箱加、卸載要點(diǎn)

加載方式為緩慢維持載荷法，按分段等載荷方式進(jìn)行，各階段載荷應(yīng)為最大載荷的1/10，第一級載荷應(yīng)為分級載荷的2倍。在每一階段的加載（卸載）后的第1 h內(nèi)，應(yīng)在第5 min、10 min、15 min、30 min、45 min、60 min測得位移，之后每30 min測一次，直到達(dá)到相對穩(wěn)定狀態(tài)，才能進(jìn)行下一階段的加載。

卸載分級進(jìn)行，每級卸載量宜取加載時(shí)分級荷載的2倍，且應(yīng)逐級等量卸載；加、卸載時(shí)，應(yīng)使荷載傳遞均勻、連續(xù)、無沖擊，并保持荷載維持期間，各階段荷載的變動不能大于分級荷載的±10%，卸載至零后應(yīng)觀察2 h以上，測讀時(shí)間間隔要求同加載方式一致。

各階段加卸載量的穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)為：1）樁端為巨粒土、粗粒土、硬質(zhì)土，最后30 min，位移量不大于0.1 mm；2）樁端為半硬黏性土壤或細(xì)顆粒土壤，最后l h，位移量不大于0.1 mm。

上下兩個(gè)方向應(yīng)分別確定和計(jì)算，在平衡狀態(tài)下，兩個(gè)方向均應(yīng)滿足結(jié)束載荷的要求，才能結(jié)束載荷。各方向的載荷結(jié)束狀態(tài)及對應(yīng)的極限載荷數(shù)值具體規(guī)定包括：1）總位移超過40 mm，而該階段載荷的位移大于或等于前一階段載荷的5倍以上，則結(jié)束載荷，以該端部最小的一階負(fù)荷為最終載荷；2）當(dāng)總位移超過40 mm時(shí)，在該階段加載24 h內(nèi)不能達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，即可結(jié)束負(fù)載，以該端部最小的一階負(fù)荷為最終載荷；3）在巨粒土、密實(shí)砂土、黏性土中，其位移不超過40 mm，但其荷載超過或等于設(shè)計(jì)荷載乘以安全系數(shù)時(shí)，應(yīng)停止荷載，將該時(shí)刻的載荷作為其最大載荷；4）施工階段所進(jìn)行的檢驗(yàn)性試驗(yàn)，應(yīng)當(dāng)加載至2倍設(shè)計(jì)荷載為止。如果樁的總位移量不超過40 mm，則該樁可進(jìn)一步進(jìn)行試樁試驗(yàn)。

該橋梁項(xiàng)目西引橋3-1樁基荷載箱加、卸載值見表3。

表3 西引橋3-1樁基荷載箱加、卸載建議值

5 結(jié)論

綜上所述，采用雙載荷箱法對樁身進(jìn)行受力測試，并結(jié)合工程實(shí)踐，對樁基上、中、下樁軸承載力進(jìn)行精確計(jì)算。這與傳統(tǒng)單荷載箱檢測方法相比，能更精確地檢測出樁基的承載力，為后續(xù)的樁基優(yōu)化工作提供了有效依據(jù)，也能夠使工程中樁基設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)受力更加符合實(shí)際工況。

雙荷載箱較單荷載箱法更能精確地測出樁基的實(shí)際承載力，因需在樁基中埋置雙荷載箱，給樁基施工帶來了困難，也對樁基灌注提出了更高的要求：1）在鋼筋籠加工安裝、混凝土澆筑過程中，傳感器的安裝數(shù)目增加，很可能會對傳感元件產(chǎn)生損傷，需要更加小心保護(hù)；2）雙荷載箱分別位于樁基的不同位置，需要更加精確的鋼筋籠加工水平，以及在起吊安裝時(shí)對鋼筋籠進(jìn)行防變形處理，這都增大了施工難度；3）雙荷載箱的中心孔位要對齊，由于混凝土灌注導(dǎo)管的作用較大，一旦發(fā)生偏移，將會使管道無法進(jìn)入鋼筋籠的底部。