自平衡法在橋梁樁基檢測中的應(yīng)用

1 引言

由于樁基具有獨(dú)特的優(yōu)良性能，已被廣泛應(yīng)用于高層、大跨度及大荷載等建筑基礎(chǔ)中。 為了滿足實(shí)際工程的需要，樁基的設(shè)計(jì)承載力和設(shè)計(jì)尺寸不斷增大。 受測試原理及測試設(shè)備的制約， 傳統(tǒng)測試方法難以滿足大直徑樁基極限承載力測試的需求， 從而導(dǎo)致基樁承載力得不到合理利用， 造成資源浪費(fèi)，這是目前樁基礎(chǔ)應(yīng)用面臨的一大難題[1]。

自平衡靜載試驗(yàn)是目前樁基承載力檢測的新型技術(shù)，該方法克服了傳統(tǒng)檢測方法的缺點(diǎn)，具有省時(shí)、省力、安全、綜合檢測費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)[2]。 此方法的原理思路最早于1969 年在日本被提出，稱為樁端加載試樁法。 1993 年，我國學(xué)者將此方法引入國內(nèi)，開啟了國內(nèi)自平衡靜載試驗(yàn)的研究。 馬曄[3]以東營黃河公路大橋樁基自平衡試驗(yàn)為背景，分析了超長樁基的自平衡靜載試驗(yàn)。 戴國亮[4]研究了自平衡試樁法在海上樁基中的應(yīng)用，為自平衡試驗(yàn)應(yīng)用積累一定的經(jīng)驗(yàn)。

本文以南寧市快環(huán)立交橋梁樁基工程為背景， 采用自平衡法對(duì)其承載力進(jìn)行檢測， 并結(jié)合該工程實(shí)例對(duì)荷載箱的安裝和自平衡法試驗(yàn)操作過程等施工工藝做了詳細(xì)研究。

2 工程概況

快環(huán)綜合整治項(xiàng)目橋梁工程位于南寧市高新區(qū)心圩江片區(qū)。 其中，秀廂大道跨線橋基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，總樁數(shù)為76 根，樁徑分別為1 200 mm、1800 mm，單樁承載力特征值為3 500 kN、8 000 kN、10 000 kN， 樁身混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C35。 該工程具有施工場地狹窄、樁基噸位大且施工工期緊張的難點(diǎn)， 因此采用自平衡法完成3 根基樁2-3#、5-4#、7-1#的單樁豎向抗壓承載力檢測。

3 自平衡法靜載試驗(yàn)及施工工藝

3.1 平衡點(diǎn)位置的確定

2-3#基樁樁徑1.8m，樁長43m，單樁承載力特征值10000kN，本樁位置無地下水，基樁持力層為中風(fēng)化泥巖⑧。 根據(jù)地勘資料、設(shè)計(jì)圖紙可得表1 所示的基樁土層分布及相關(guān)計(jì)算參數(shù)。

表1 基樁土層分布及相關(guān)計(jì)算參數(shù)

3.1.1 平衡點(diǎn)計(jì)算過程

由已知條件可知基樁周長為5.652 m， 樁端截面面積為2.543 4 m2。 本樁位置無水位，故計(jì)算荷載箱上段樁身自重時(shí)，不需要計(jì)算浮重度的影響。

1）樁端阻力Q=2.543 4 m2×1 300 kPa×2=6612.84 kN＜10 000 kN。

2）荷載箱距樁底的距離h 計(jì)算過程如下。

假設(shè)荷載箱埋設(shè)在“中風(fēng)化泥巖⑧”層，則所需要埋設(shè)位置驗(yàn)算如下：（10 000 kN－6 612.84 kN）/（5.652 m×120 kPa）=4.994 m。

可知，4.994 m＞4.944 m，即“中風(fēng)化泥巖⑧”并不能滿足荷載箱埋設(shè)要求，荷載箱應(yīng)埋設(shè)在其他土層，具體埋設(shè)土層可進(jìn)行驗(yàn)算后確定。

假設(shè)荷載箱在強(qiáng)風(fēng)化泥巖⑦中的高度為h1，則有6 612.84+5.652×（120×4.944+100×h1）=10 000， 反算得出h1=0.06 m，則h=（4.944＋0.06）=5.004 m。

但為了保證下端樁具有一定的安全儲(chǔ)備， 取荷載箱距離樁底h=8.0 m。

3.1.2 荷載箱設(shè)計(jì)值計(jì)算

假設(shè)基樁能加載至最大加載值， 即單樁豎向抗壓極限承載力Qu滿足設(shè)計(jì)要求，可先假定Qu=20 000 kN，上段樁和下段樁抗壓極限承載力Qu上= Qu下為未知數(shù)。 根據(jù)DBJ/T 45-031—2016《基樁承載力自平衡法測試技術(shù)規(guī)程》中荷載箱上部土的類型確定：粉土取0.8，砂土取0.7，巖層取1.0，此工程有不同類型的土層， 取加權(quán)平均值。 可求得Qu上=Qu下=10 494.9kN，上段樁實(shí)測承載力極限值為10494.9kN 時(shí)可計(jì)算得出本樁單樁豎向抗壓極限承載力臨界值。 即實(shí)際試驗(yàn)時(shí)，上、下段樁實(shí)測承載力極限值應(yīng)該大于10 494.9 kN，試驗(yàn)時(shí)，可取上段樁承載力極限值和下段樁承載力極限值為10 500 kN。

樁5-4#、7-1#平衡點(diǎn)計(jì)算方法與2-3#相同， 此處不再贅述，計(jì)算得平衡點(diǎn)位置分別為3 m 和8 m。

3.2 荷載箱安裝工藝

目前，荷載箱安裝存在隨意性，不規(guī)范安裝會(huì)導(dǎo)致試驗(yàn)失敗的風(fēng)險(xiǎn)提高。 為了規(guī)范荷載箱的安裝，現(xiàn)結(jié)合本工程實(shí)例將荷載箱的施工工藝步驟講解如下。

1）荷載箱運(yùn)至現(xiàn)場時(shí)，用吊車將其平放于平整場地。 將鋼筋籠平放于平整場地，然后將鋼筋籠在樁身平衡點(diǎn)處斷開，斷開位置要準(zhǔn)確誤差控制在±10 cm 內(nèi)。 焊接前確保荷載箱及相應(yīng)部件在現(xiàn)場未遭到破壞。

2）將荷載箱上、下板焊接到對(duì)應(yīng)的上、下段鋼筋籠上主筋與上下連接板焊接部位，要進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)處理。 焊接時(shí)，確保荷載箱合力中心線與鋼筋籠縱軸線重合或偏差小于5°。

3）荷載箱與上、下鋼筋籠連接處，需加焊喇叭筋和L 形連接鋼筋，同時(shí)靠近荷載箱一端的鋼筋籠需將箍筋適當(dāng)加密。 焊接喇叭筋應(yīng)注意采用圓鋼，直徑不得小于16 mm，喇叭筋的根數(shù)應(yīng)與主筋數(shù)量相同，且與荷載箱的夾角應(yīng)大于60°。

4）將位移管、油管、聲測管沿鋼筋籠自下到上延伸至樁頂，并每隔50 cm 綁扎一次。 在荷載箱處，聲測管的接頭應(yīng)位于下連接板頂面以上1~2 cm 處為最佳。 位移管宜超出鋼筋籠，但應(yīng)小于30 cm；油管和位移管在樁頂鋼筋籠處應(yīng)進(jìn)行保護(hù)處理，防止泥漿等雜物進(jìn)入管內(nèi)。

5）鋼筋籠和荷載箱焊接成一個(gè)整體后下放鋼筋籠。 下放鋼筋籠時(shí)，樁頂部位要進(jìn)行對(duì)油管的保護(hù)，防止在澆筑混凝土?xí)r油管跌落被混凝土破壞。

6）鋼筋籠下放完成后，即可澆筑混凝土，澆筑前安放導(dǎo)管至荷載箱位置時(shí)應(yīng)小心輕放通過避免撞擊， 荷載箱下部混凝土坍落度宜大于200 mm，澆筑過程中接近荷載箱位置時(shí)應(yīng)緩慢均勻通過，避免浮籠、堵管等意外現(xiàn)象發(fā)生。

3.3 加卸載及壓力注漿

樁身混凝土養(yǎng)護(hù)后達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度時(shí)， 即可進(jìn)行自平衡試驗(yàn)。 試驗(yàn)加載時(shí)，操作步驟如下。

1）檢驗(yàn)油泵，將油泵出油口封閉，打開卸壓閥，關(guān)閉送油溢流閥，啟動(dòng)油泵，關(guān)閉卸壓閥，完全打開送油溢流閥，然后利用調(diào)節(jié)系統(tǒng)的溢流閥調(diào)節(jié)螺母將壓力調(diào)節(jié)至系統(tǒng)加載額定壓力，關(guān)閉油泵并卸壓。

2）將荷載箱進(jìn)油管與油泵連接，打開卸壓閥，關(guān)閉送油溢流閥，啟動(dòng)油泵。

3）加載過程中因?yàn)槲灰频漠a(chǎn)生導(dǎo)致壓力下降時(shí)，按照慢速維持加載法步驟進(jìn)行，持續(xù)保持油泵處于工作狀態(tài)，實(shí)時(shí)記錄上下段樁的位移。

4）當(dāng)系統(tǒng)保壓穩(wěn)定后進(jìn)入下一級(jí)加載，啟動(dòng)油泵，慢慢控制送油溢流閥加載至所需壓力；壓力不穩(wěn)定時(shí)按步驟3）操作。

5）加載完成后進(jìn)行卸載，根據(jù)卸載分級(jí)表，慢慢打開卸壓閥，壓力調(diào)節(jié)至所需壓力時(shí)關(guān)閉卸壓閥，并重復(fù)卸壓至卸載結(jié)束。

4 檢測結(jié)果及承載力確定

4.1 檢測結(jié)果

以2-3#樁檢測結(jié)果進(jìn)行分析， 測試共分10 級(jí)進(jìn)行加載，當(dāng)加載至第10 級(jí)2×10 500 kN 時(shí)，經(jīng)觀測1 560 min，荷載箱向上最大加載量為10 500 kN， 荷載箱向下最大加載量為10 500 kN。 基樁沉降達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定時(shí)， 測得上位移最大值為4.82 mm，下位移最大值為7.76 mm。 上、下段樁的荷載-位移曲線（Q-s 曲線）如圖1 所示，未出現(xiàn)陡降段且均呈緩變型。

圖1 2-3#樁Q-s 曲線

4.2 等效轉(zhuǎn)換結(jié)果

以自平衡樁的平衡點(diǎn)作為分界點(diǎn)，分為上、下兩段樁體，極限承載力Q 由等效的上、下段樁承載力組成，則有：

式中，Q上，Q下分別為上段樁與下段樁的極限加載值；W 為自平衡上段樁的自重；K=1/γ，γ 為樁側(cè)表面抗拔系數(shù)， 對(duì)于黏性土、粉土、碎石土取0.8。

假定受壓樁上段樁身壓縮總量為Δs， 即為樁端及樁側(cè)兩部分荷載，引起的彈性壓縮變形量之和。

可得樁身的彈性壓縮總量為：

將自平衡法測得的上段樁與下段樁兩條Q-s 曲線等效轉(zhuǎn)換為樁頂受壓樁的一條Q-s 曲線。

按照以上轉(zhuǎn)換原理對(duì)2-3#樁進(jìn)行轉(zhuǎn)換得到等效轉(zhuǎn)換曲線如圖2 所示， 樁頂?shù)刃ё畲笪灰茷?8.24 mm 符合規(guī)范要求。且樁的等效轉(zhuǎn)換曲線均為緩變型，加載的10 級(jí)荷載均未出現(xiàn)陡降，表明未達(dá)到樁的極限承載力，承載力滿足設(shè)計(jì)值。 基樁2-3#，5-4#，7-1#自平衡法靜載試驗(yàn)結(jié)果，如表2 所示。

圖2 Q-s 等效轉(zhuǎn)換曲線

表2 自平衡法靜載試驗(yàn)結(jié)果匯總表

5 結(jié)論