錘擊預應力管樁內力測試及荷載傳遞試驗研究

楊 哲 郭志廣 魏麗敏 何群 付貴海

(1.中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京 100055；2.湖南科技大學巖土工程穩定控制與健康監測省重點實驗室，湖南湘潭 411201；3.中南大學土木工程學院，長沙 410075；4.湖南城市學院土木工程學院，湖南益陽 413046)

引言

探究樁基承載性能及荷載傳遞機理，最可靠有效的方式是進行基樁內力測試，一般需要在樁身不同部位埋設應變或應力量測元件[1]。對于灌注樁，在灌注樁混凝土澆筑之前，將量測元件綁扎在鋼筋籠上即可完成量測元件的埋設工作。但對于預制管樁，其成樁工藝和施工方法對樁身內測試元件埋設提出了挑戰。由于高強預應力管樁多采用離心旋轉法，并經高溫蒸養而成[2]，蒸養溫度高達95 ℃，所以不可能在制作預制樁時預先埋設應變計。為尋求預制樁內力測試方法，國內眾多學者對預制樁樁身量測元件埋設技術進行研究。施峰通過在PHC管樁內徑中增設鋼筋籠來埋設鋼筋計[3]，王曉紅通過在PHC管樁內徑中埋設滑動測微計的獲取樁身變形值，進而換算為樁身內力[4]；冷伍明等在預制管樁成型前內置鋼板和管件，將應變片粘貼至鋼板、導線通過管件從管樁內徑中引出的方式提高了應變片成活率[5]；魏廣慶等采用開槽粘貼布纖的鋪設工藝在PHC管樁表面布設傳感光纜[6]。繆長健將Brillouin光頻分析技術(一種分布式光纖感測技術)應用于海上超長PHC管樁內力測試中[7]。

以上量測元件埋設工藝和應用案例，大多應用于靜壓預制樁中，而對錘擊法研究較少，以下針對預制管樁成樁特點和錘擊法沉樁的條件，提出一種適合預制管樁錘擊法沉樁的樁身應變測試元件埋設方法，將其應用于杭甬鐵路客運專線上虞北站路基工程中，以期研究深厚軟土地基中預制管樁的荷載傳遞特性。

1 應變計埋設工藝

1.1 元件選擇和埋設方法

目前，在預制樁中埋設元件的方法大致包括以下3種：①管樁內徑中增設鋼筋混凝土內芯，以便在內芯鋼筋籠上埋設鋼筋計或混凝土應變計，但增設的鋼筋籠內芯樁與預制樁是否同步工作值得商榷，且該方法還增加了樁身截面剛度、投入成本較高；②預先在預制管樁樁身中內置鋼板和管件，通過粘貼在內置鋼板上的應變片獲取樁身內力，但該方法對應變片的粘貼技術要求較高，且不能保證錘擊沉樁過程中應變片“不脫膠”，較適合于靜壓沉樁；③采用分布式光纖傳感技術，傳感光纖可方便地在預制樁表面粘貼和淺表埋入。

為避免測試元件“脫膠”，并保證量測元件在錘擊沉樁過程中的成活率，采用混凝土應變計作為樁身應變量測元件，先在樁身測點預留孔槽，待成樁后沉樁前再埋設應變計。

1.2 預留元件槽與穿線孔

管樁制作時，按照量測原件尺寸，預先設置元件槽和穿線孔[5]，見圖1。

圖1 元件槽與穿線孔(單位：mm)

考慮應變計的尺寸，在樁身側壁預留木塊，尺寸為100 mm×50 mm×20 mm，木塊外側與樁外壁齊平。為保證木塊長度方向與管樁主筋平行，且在樁身鋼筋籠旋轉時不偏移，可通過定位鋼筋將木塊固定在管樁主筋和箍筋上。木塊上端預留穿線孔，一般采用鍍鋅管或硬質PVC管，一端伸入木塊，另一端直通管樁內孔，穿線孔宜向上傾斜45°。另外，制樁時可用橡皮泥或膠泥填塞穿線孔，以防混凝土堵塞穿線孔。

1.3 應變計的埋設

待制樁完成后，將預制樁運到現場進行埋設。應變計埋設安裝流程和注意事項如下：① 首先將預制樁平放在試驗場地，預留元件槽一側朝上，并檢查預留槽位置和狀況是否符合要求；② 將應變計導線穿過穿線孔，確保其受力方向與管樁主筋方向一致(見圖2)；③ 將預留槽內雜物清除干凈，并用橡皮泥封堵穿線孔，以防環氧樹脂砂漿流出；④ 按照一定配合比拌制環氧樹脂砂漿，使其抗壓強度略大于樁身，每次拌量控制在1.5 kg以內，且配好的環氧樹脂砂漿應在30 min內用完；⑤ 將配好的環氧樹脂砂漿填滿預留槽，振搗密實，與樁壁平齊(見圖3)；⑥ 待一側元件全部埋完后，靜置1 d，然后繼續另一側的應變計埋設工作；⑦ 最后所有導線從管樁內徑穿出，并綁扎在每節管樁的掛線桿上(見圖4)。錘擊沉樁時需用樁帽(見圖5)保護樁頂導線，待管樁沉到設計高程，將所有導線從樁頂引出。按上述方法，完成了6根試樁(樁長43～45 m)、共188個應變計的埋設，成活率超過90%。

圖2 預留槽中埋置應變計

圖3 環氧樹脂砂漿密封預留槽

圖4 固定應變計導線

圖5 錘擊管樁所用樁帽

2 單樁靜載試驗

2.1 工程概況

杭甬高鐵上虞北站地處苗圃區，地形地貌為濱海相沖積平原，路基下地基采用“預應力管樁+C30鋼筋混凝土筏板”加固。基樁采用φ500 mm預制管樁，壁厚100 mm，樁長43～45 m，采用D62柴油錘沉樁。為了解預制管樁在樁頂荷載作用下的荷載傳遞機理及各分層土層的側阻力，在試驗斷面10號樁樁身根據不同土層布置了15層應變計，每層2個，共計30個。10號樁測試元件布置及穿越地層情況見圖6。

圖6 10號預制管樁應變計布置及地層剖面

2.2 試驗方法

設計文件規定，樁長43～45 m的單樁承載力設計值為1 200 kN。沉樁完成后，靜置26 d進行靜載試驗，試驗按照JGJ106—2014《建筑樁基技術規范》，采用堆重平臺反力裝置，試驗最大荷載為單樁承載力設計值的2倍，即試驗最大荷載為2 400 kN。試驗方法如下。

(1)加載分級：480，720，960，1 200，1 440，1 680，1 920，2 160，2 400 kN。

(2)沉降及樁身應變觀測：每級加載后，(按第5，15，30，45，60 min)，測讀樁頂沉降及樁身應變，以后每隔30 min測讀1次；

(3)穩定標準：樁頂沉降不超過0.1 mm/h，并連續出現2次，可施加下一級荷載。

(4)卸載分級：1 920，1 440，960，480，0 kN。

(5)卸載維持：每級荷載維持1 h，按第15，30，60 min測讀樁頂沉降及樁身應變。全部卸載后，測讀試樁樁頂殘余沉降量，維持3 h，測讀時間為第15 min、30 min，以后每隔30 min測讀1次。

2.3 試驗結果整理

(1)樁頂荷載沉降曲線

單樁靜載試驗的P～S曲線宏觀反映了樁的破壞機理和破壞模式。從圖7可以看出，當樁頂荷載為1 200 kN時，樁頂沉降為3.89 mm，沉降速率為0.005 4 mm/kN；當加載到2 400 kN時，樁頂沉降為14.6 mm，沉降速率為0.008 9 mm/kN；達到最大加載時，P-S曲線沒有出現明顯的向下轉折段；卸載后殘余沉降為2.95 mm，回彈率為79.79%，表明樁頂沉降主要為彈性壓縮變形，樁長范圍內樁側土沒有全部達到極限狀態。

圖7 樁頂荷載沉降曲線(P-S曲線)

(2)樁身軸力和樁側摩阻力

參照文獻[7]，通過實測樁身應變按Ni=E·εi·A求得樁身各截面軸力N，進而求得樁側阻力F和單位面積側摩阻力f。其中，Ni為第i截面軸力；E為樁身混凝土彈性模量；εi為第i截面實測應變；Fi和fi分別為第i-1與i截面間的側阻力和單位面積側摩阻力；A和U分別為樁截面積和周長；li為第i-1與i截面間的長度。

根據實測樁身應變，繪制出各級荷載下樁身軸力和單位面積側摩阻力隨深度變化曲線(見圖8、圖9)。

圖8 樁身軸力隨深度變化曲線

圖9 單位面積側摩阻力隨深度變化曲線

2.4 試驗結果分析

(1)樁身荷載傳遞規律

各土層側阻力見表1。

表1 各土層側阻力

由圖8、表1可知，樁身軸力上部大于下部，沿深度方面逐步衰減，樁側阻力逐漸得到發揮。在樁頂荷載作用下，0～26.4 m范圍內，為粉土和淤泥質粉質黏土層，各級荷載作用下樁身軸力衰減較快，圖8中樁身軸力隨深度變化斜率較大，表1中，該2層土各級荷載作用下單位長度樁側阻力較大。26.4～31.4 m范圍內，樁頂荷載小于1 440 kN時，樁身軸力衰減較慢，隨著荷載增大，樁身軸力衰減較快。31.4 m以下，樁身軸力變化不大。

樁頂受豎向荷載后，樁身上部首先發生壓縮而向下位移，樁周受到土側摩阻力。荷載沿樁身向下傳遞過程中，必須不斷克服這種摩阻力。因此，樁身截面軸力沿深度呈非線性遞減，至樁端處軸力與樁端反力平衡，同時使樁端土發生壓縮，又進一步使樁身下沉，土側阻力進一步發揮。隨著荷載的增加，上述過程反復進行，直至穩定。

各級荷載下樁側摩阻力與樁端反力見表2。由表2可知，樁側阻力與樁端阻力均隨樁頂荷載增大而增大，且樁側阻力所占比例遠大于樁端阻力，從初加荷載時96.9%減少到最大荷載時的89.4%，參照文獻1劃分標準，試驗樁在樁頂荷載1 680 kN之前表現為純摩擦樁特性，之后樁的受力特性為端承摩擦樁，以摩擦為主。

表2 樁側摩阻力及樁端反力變化規律

(2)各土層側阻力變化規律

各土層側摩阻力分擔情況見表3。由圖9、表1可知，樁側摩阻力主要集中在前3層土，深度達31.4 m，所占比例：初加荷載時約為94%，最大荷載時約為80%。且前3層土所占比例均隨著荷載增加而減小，說明樁上部土體各點側阻力首先達到極限值后不再增加。而以下土層隨荷載增加均增大的趨勢，但增加較緩，說明該樁具有繼續承載潛能。

表3 各土層樁側摩阻力占總摩阻力百分比 %

根據表1繪出各土層在樁頂荷載作用下樁側阻力變化曲線(見圖10)。從圖7和圖10可知，側阻力不會一直隨著樁頂位移的增大而增大，當樁土相對位移達到極限位移后，側阻力保持不變甚至會減小，如圖10中①～③土層。但④～⑥土層側阻力仍有增長的趨勢，下部樁土位移未達到極限值。這也表明樁受荷載作用后，隨著樁土位移增大，上部土體首先進入塑性狀態，然后塑性區域由淺入深不斷擴大。

圖10 各土層側阻力隨樁頂荷載變化曲線

樁身各點側阻力的大小取決于樁土相對位移和土的特性。各土層樁極限側阻力實測值與規范值比較見表4。

表4 各土層極限側阻力 kPa

表4給出了TB10002.5—2005《鐵路橋涵地基和基礎設計規范》和JGJ94—2008《建筑樁基技術規范》中對應土層的樁側土極限側阻力和實測值的比較。由表4可知，僅樁上部側阻力接近有關規范提供的極限阻力，中下部土層側阻力都遠小于兩規范提供的極限側阻力。這再次說明該樁按承載特性以摩擦為主。

3 結論

(1)介紹了預制管樁樁身應變計的埋置方法和工藝，操作簡便，便于推廣；通過實際工程檢驗，該方法對錘擊預制管樁的原型測試行之有效。

(2)樁頂受豎向荷載后，樁身軸力沿深度方向逐步衰減，樁側摩阻力逐漸得到發揮，兩者隨樁頂荷載增加而增加，樁側摩阻力發揮程度遠大于樁端阻力。試驗荷載下，樁側摩阻力占總荷載的比例從初加荷載時96.9%減少到最大荷載時89.4%，工作荷載(1 200 kN)下，樁側摩阻力約占95.6%，樁的受力特性表現為純摩擦樁。

(3)樁側摩阻力的大小取決于樁土相對位移和土的特性，當樁土位移超過樁側土極限值后，樁側摩阻力會減小，僅樁上部樁側摩阻力接近有關規范提供的極限摩阻力，中下部土層側阻力都遠小于兩規范提供的極限摩阻力。