復合地層橋梁樁基雙荷載箱自平衡法靜載試驗研究*

郭 航,龔建伍

(1.武漢科技大學,湖北 武漢 430070; 2.中建三局基礎設施建設投資有限公司,湖北 武漢 430070)

0 引言

自平衡測試技術是從鉆孔灌注樁試驗發展起來的,其應用領域已逐步擴展到打入式鋼管樁、預制混凝土管樁、沉管灌注樁等。隨著自平衡技術在國內的廣泛應用[1],在相繼頒布的地方規程及最新的行業規范中也認可了這種測試技術。JGJ 106—2014《建筑基樁檢測技術規范》在條文中規定:由于試樁荷載大或場地限制,有時很難甚至無法進行單樁豎向抗壓承載力靜載檢測,有條件時可預埋荷載箱進行樁端荷載試驗。JT/T 738—2009《基樁靜載試驗自平衡法》系統地規定了自平衡法的技術與要求。

自平衡試驗最初是在樁端或樁身某個位置埋設單層荷載箱,但隨著超長樁的廣泛應用,由于加載量或樁徑的限制,單層荷載箱已不能滿足工程試驗的需要[2]。項目采用雙荷載箱試驗方式[3],為確保試驗樁位置地層參數的準確性,采用工程樁位作為試驗樁位,后期擬采取措施對試驗樁進行加固處理,研究其是否可作為工程樁繼續使用;為減少施工過程中對檢測裝置的影響及確保試驗的準確性,項目在試驗中對荷載箱的安裝細節進行優化,并對荷載箱位置和檢測方式進行研究分析,在滿足檢測要求的前提下為后續自平衡靜載試驗提供改進參考[4]。

1 工程概況

1.1 樁基設計

項目所在區段位于江漢平原,地貌單元為長江一級階地,上部地層為1.5～20m厚軟土,下部地層主要為砂層,橋梁樁基擬采用鉆孔灌注樁,樁徑為1.8～2.0m,初步估算樁長為45～80m。

1.2 地層巖性

根據地調及鉆探結果,橋址區地層主要為第四系沖湖積成因淤泥質土、沖洪積成因一般黏性土、砂層等。其野外地質特征自地表往下,按路線統一分層,其特征如表1所示。

1.3 水文地質條件

橋址區地下水主要為第四系淺表填土中的上層滯水和砂土層中的孔隙水,前者主要賦存于填土中,無統一自由水面,總體水量貧乏;孔隙水賦存于場區砂土層中,含水層上部局部覆蓋有微～弱透水的黏性土,含水層頂板埋深15.4～20.4m。此層地下水豐富,徑流性好,與通順河水力聯系密切,主要接受河水側向徑流補給。根據臨近工程經驗,場地地下水位埋深為1.8～2.6m。

2 雙荷載箱自平衡檢測試驗方案

2.1 試驗系統

主要裝置是一種特制的荷載箱[5],與鋼筋籠相接置于樁身下部,如圖1所示。荷載箱預先放置在樁身指定位置,將其高壓油管和位移桿引到地面(平臺)。由高壓油泵在地面(平臺)向荷載箱充油加載,荷載箱將力傳遞到樁身,其上部極限樁側摩阻力及自重與下部極限樁側摩阻力及極限樁端阻力相平衡來維持加載,根據向上、向下Q-s曲線判斷樁基承載力。

圖1 自平衡靜載試驗示意Fig.1 Self-balancing static load test

2.2 測試儀器設備

1)荷載箱

每根試樁采用2個環形荷載箱。組成荷載箱的千斤頂經法定檢測單位標定。荷載箱額定加載值對應的油壓值不宜大于45MPa,最大單向加載值對應的油壓值不大于55MPa。采用油壓表測定油壓,根據荷載箱率定曲線換算荷載[6]。

2)位移量測裝置

電子位移傳感器量程50mm(可調),每根樁用6支,通過磁性表座固定在基準鋼梁上(見圖2),用于量測樁身荷載箱處向上、向下位移和樁頂位移。每根樁使用8組位移護管和位移桿。位移護管可使用聲測管材料(不同于聲測管,位移護管需額外布置),位移桿用外徑20mm、壁厚3mm的螺紋套筒連接。

圖2 基準梁示意Fig.2 Reference beam

3)試樁設計

在試樁內安放上、下2個荷載箱,將樁分成上、中、下3部分(見圖3),滿足如下條件:Q下≤Q上+Q中,Q中≤Q上,Q下+Q中≥Q上。下層荷載箱以上樁端自重及樁側摩阻力之和應大于其下樁段的樁側摩阻力及樁端阻力之和,上層荷載箱以上樁段自重及樁側摩阻力之和大于2層荷載箱之間樁段的樁側摩阻力,同時上層荷載箱以下樁段的樁側摩阻力及樁端阻力之和大于上層荷載箱以上樁段自重及樁側摩阻力之和[6]。測試順序為:先進行下荷載箱測試,主要目的是測試樁端阻力和下段樁側阻力,然后進行上荷載箱測試,首先測試出中段樁承載力,然后關閉下荷載箱,下段樁可提供反力,繼續加載,測試出上段樁承載力。

圖3 雙荷載箱位置示意Fig.3 Position of double load box

4)荷載箱埋設位置及加載值

依據樁基施工工藝、地層分布情況及室內土工試驗,假設荷載箱埋于某地層中,計算樁基上、下段樁側摩阻力,樁端阻力及上段樁自重,通過試算找出試樁平衡點[7]。經計算,2根試樁的荷載箱埋設位置如表2所示。

表2 荷載箱至樁端距離及加載值Table 2 Distance from load box to pile end and load value

5)荷載箱與鋼筋籠的連接優化

①增設L形加強筋 由于荷載箱和下段鋼筋籠的質量較大,僅靠主筋與荷載箱的焊接強度不能承擔此質量,分別在荷載箱的頂部和底部主筋焊接處增設L形加強筋。②增設導向鋼筋 為了灌注混凝土時導管能順利通過荷載箱,在荷載箱上、下設置喇叭狀的導向鋼筋,避免導管直接碰撞荷載箱,影響其埋設質量。另外,試驗過程中靠近荷載箱處受力較大,喇叭筋同時起加強作用。荷載箱與鋼筋籠連接優化如圖4所示。

圖4 荷載箱與鋼筋籠連接優化示意Fig.4 Optimization of connection between load box and reinforcement cage

6)加、卸載分級設置

將試樁預估最大加載值均分10級加載,其中每一級加載量取分級荷載的2倍;每級卸載量為加載時分級荷載的2倍。加卸載均勻連續,每級荷載在維持過程中變化幅度不超過分級荷載的10%[8]。加載分級如表3所示。

表3 加載分級Table 3 Load classification kN

3 試驗結果與分析

3.1 位移觀測

位移觀測采用慢速維持荷載法。每級加(卸)載后第1h內在第5,10,15,30,45,60min測讀位移,以后每隔30min測讀一次,達到相對穩定后方可加(卸)下一級荷載。卸載到0后觀測2h,測讀時間間隔同加載時間間隔[9]。SZ1,SZ2位移匯總如表4～7所示。

表4 SZ1位移匯總(下段樁)Table 4 Summary of SZ1 displacement (lower section pile)

表5 SZ1位移匯總(上段樁)Table 5 Summary of SZ1 displacement (upper pile section)

表6 SZ2位移匯總(下段樁)Table 6 Summary of SZ2 displacement (lower section pile)

表7 SZ2位移匯總 (上段樁)Table 7 Summary of SZ2 displacement(upper pile section)

3.2 檢測過程數據分析

1)SZ1

SZ1Q-s曲線如圖5所示。由圖5可知,下荷載箱加載至2×6 300kN時,荷載箱下段位移增量大于前級增量的5倍,且位移總量超過40mm,向下的曲線出現明顯陡變,故終止加載;上荷載箱加載至2×7 000kN 時,已達到設計要求的最大加載量,且荷載箱上、下位移達到穩定標準,故終止加載。該樁下段樁極限加載值為5 670kN,中段樁極限加載值為 7 000kN, 上段樁極限加載值為7 000kN。

圖5 SZ1 Q-s曲線Fig.5 Q-s curve of SZ1

2)SZ2

SZ2Q-s曲線如圖6所示。由圖6可知,下荷載箱加載至2×4 000kN時,已達到設計要求的最大加載量,且荷載箱上、下位移達到穩定標準,故終止加載;上荷載箱加載至2×6 400kN時,已達到設計要求的最大加載量,且荷載箱上、下位移達到穩定標準,故終止加載。該樁下段樁極限加載值為4 000kN,中段樁極限加載值為6 400kN,上段樁極限加載值為6 400kN。

圖6 SZ2 Q-s曲線Fig.6 Q-s curve of SZ2

3)檢測結果(見表8)

表8 檢測結果Table 8 Test results

單樁的極限承載力按照下式進行計算:

(1)

式中:Qu為單樁豎向承載力特征值;Quu為上段樁的極限加載值;Qum為中段樁的極限加載值;Qud為下段樁的極限加載值;W為上段樁的自重與附加質量之和;γi為樁的修正系數,γ黏性土、粉土=0.8,γ砂土=0.7,γ巖土=1,若上部有不同類型的土層,γi取加權平均值(根據勘測資料,經加權計算γ1=0.79,γ2=0.78)。

3.3 試樁與工程樁的轉換

試驗完成后,擬通過預埋管對荷載箱處進行壓力注漿,借助一定的樁檢方式研究分析試驗樁是否可作為工程樁使用。

1)注漿位置 荷載箱打開位置為下連接板處,通過特制的位移管可在打開處預留注漿孔,進行荷載箱測試后樁體間隙及周邊注漿。

2)注漿工藝 將所有注漿管打開,其中一根注入清水,待其他注漿管均流出清水后,改注水泥漿;待其他注漿管均流出水泥漿后,將出漿管封管,開始荷載箱注漿。

3)注漿參數 注漿材料采用強度等級為42.5以上的水泥,漿液的水灰比宜為0.50～0.55,并摻入一定量微膨脹劑,確保漿體強度達到樁身強度要求,無收縮。注漿量根據現場試驗確定,原則上不小于荷載箱張開體積的2倍。注漿流量≤75L/min,注漿壓力為2.0MPa,持續時間為5min。

4 結語

通過試樁結果分析,得到如下結論。

1)雙荷載箱靜載試驗可適用于復合地層下的大直徑、超長樁基極限承載力檢測。

2)荷載箱位置的細節優化為樁基的順利灌注和靜載試驗的成功操作提供了支撐。

3)分級加載得出的極限承載力基本上能準確反映樁基的實際極限承載力。

并提出如下建議。

1)在滿足時間要求的前提下,分級次數盡量加大,得出的承載力容許值會更接近實際。

2)后續對試樁的加固處理還需進行進一步研究分析,需通過合理的樁檢方式檢驗注漿加固的完整性,以滿足作為工程樁的條件。