李正祥

(中鐵二院工程集團有限責任公司土建一院,成都 610031)

1 樁基測試自平衡法的基本概念

1.1 傳統(tǒng)的樁基荷載試驗方法

傳統(tǒng)的樁基荷載試驗方法有兩種,一是堆載法,二是錨樁法。兩種方法均采用油壓千斤頂在樁頂施加荷載。采用堆載法時,千斤頂反力通過反力架上的堆重與之平衡；采用錨樁法時,千斤頂反力通過反力架傳給錨樁,與錨樁的抗拔力平衡。堆載法的主要問題是必須解決幾百噸甚至上千噸的荷載來源、堆放及運輸問題。錨樁法的主要問題是必須設(shè)置多根錨樁及反力大梁,不僅所需費用昂貴,時間較長,而且易受加載噸位和場地條件的限制。目前國內(nèi)采用堆載法試樁的最大極限承載力僅達30 000 kN；錨樁法的試樁最大極限承載力也不超過40 000 t,以致山地、橋梁等特殊場地樁和許多大噸位樁的承載力往往得不到準確數(shù)據(jù),難以合理發(fā)揮樁基的潛力,這是樁基礎(chǔ)領(lǐng)域面臨的一大難題。

1.2 自平衡試樁法的提出

為解決以上難題,20世紀80年代, 美國學者Osterberg 提出并開展了樁基承載力自平衡試驗方法的研究,將一個荷載箱預埋在樁尖處, 用以測試不同樁基的受力情況。自平衡試驗方法首先在橋梁鋼樁中成功應用,后來逐漸推廣到各種樁型,取得了一些成果。20世紀90年代,中國的一些學者引進了這種方法, 并將其發(fā)展成自平衡試樁法。該法將荷載箱置放在樁身某一稱為“自平衡點”的高度處,用壓力箱施壓, 向上一直將上段樁頂出地面,達到承載力的極限狀態(tài)。同時, 千斤頂?shù)牡鬃戳σ矊⑾露螛秹旱狡涑休d力的極限狀態(tài)。

該法已成功應用在水上試樁、坡地試樁等多種特殊場地試樁上。樁型有鋼樁、混凝土預制樁、鉆孔灌注樁、沉管灌注樁及人工挖孔樁。在我國,1999年6月制訂了江蘇省地方標準,2002年建設(shè)部和科技部作為重點推廣技術(shù)。該法在全國27個省市應用于房屋建筑和橋梁樁基工程檢測中,并在京滬高鐵、鄭西客運專線、襄渝鐵路二線、達成鐵路擴能等鐵路工程中廣泛應用。目前,國內(nèi)試驗單樁最大承載力已高達130 000 kN,最大樁徑2.8 m,最大樁長125 m。

2 樁基試驗的主要目的

(1)了解不同地質(zhì)條件下各種土類的側(cè)阻值,依據(jù)試樁成果提供樁周與各土層間的實測摩阻力；

(2)了解不同施工條件下各種土類的樁端阻力值；

(3)校核設(shè)計樁長,根據(jù)實測側(cè)阻值校核驗證試樁的承載力設(shè)計值；

(4)通過檢測結(jié)果評價成樁工藝。

3 樁基試驗的編制依據(jù)

(1)鐵路橋涵地基和基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》(TB 10002.5—2005)；

(2)《鐵路工程基樁檢測技術(shù)規(guī)程》(TB 10218—2008)；

(3)《基樁靜載試驗自平衡法》(JT/T 738—2009)；

(4)《客貨共線鐵路橋涵工程施工技術(shù)指南》(TZ203—2008)；

(5)該橋相關(guān)地質(zhì)勘察資料。

4 樁基試驗的原理及方法

4.1 試驗原理

(1)自平衡試樁法是在樁身平衡點位置安設(shè)荷載箱,沿垂直方向加載,即可同時測得荷載箱上、下部各自承載力。

(2)其主要裝置是一種經(jīng)特別設(shè)計可用于加載的荷載箱。它主要由活塞、頂蓋、底蓋及箱壁四部分組成。頂、底蓋的外徑略小于樁的外徑,在頂、底蓋上布置有位移棒。將荷載箱與鋼筋籠焊接成一體放入樁體后,即可澆搗混凝土成樁。荷載箱放置部位見圖1。

圖1 荷載箱放置部位示意

(3)試驗時,在地面上通過油泵加壓,隨著壓力增加,荷載箱將同時向上、向下發(fā)生變位,促使樁側(cè)阻力及樁端阻力的發(fā)揮(圖2)。由于加載裝置簡單,多根樁可同時進行測試,并可同時對多根樁測試數(shù)據(jù)進行處理。

圖2 樁承載力自平衡試驗示意

4.2 理論分析計算

(1)由設(shè)計單位提供樁基設(shè)計承載力要求。

(2)測試單位根據(jù)地勘資料進行樁基極限承載力分析,預估最大加載值。

根據(jù)《鐵路橋涵地基和基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》(TB10002.5—2005),在靜載荷試驗加載前,對單樁極限承載力進行推算,以保證靜載荷試驗中加載分級的合理性。

根據(jù)該規(guī)范,鉆孔灌注樁的單樁極限承載力[P]可按下式計算

式中 [P]——樁的容許承載力，kN；

U——樁身截面周長，m；

fi——各土層的極限摩阻力，kPa；

li——各土層的厚度，m；

A——樁底支承面積，m2;

[σ]——樁底地基土的容許承載力，kPa；

m0——樁底支承力折減系數(shù)。

(3)測試單位按自平衡法試樁理論進行計算,確定平衡點及試驗荷載值。

4.3 試驗方法

(1)自平衡法測試基樁承載力

基樁自平衡法試驗是將荷載箱置放在樁身自平衡點的高度處,在向上頂樁身的同時,也向下壓樁底,使樁的端阻力和樁身摩阻力互為反力,分別得到樁身和樁底的荷載-位移曲線,分別測得樁側(cè)阻力和樁端阻力,經(jīng)過換算疊加后得到樁頂?shù)膯螛冻休d力和荷載、位移關(guān)系的Q-S曲線。

(2)自平衡法軸向應力測試

基樁自平衡法試驗開始后,荷載箱產(chǎn)生的荷載沿著樁身軸線向上、向下傳遞。假設(shè)基樁受荷載后,樁身結(jié)構(gòu)完好而無破損,混凝土無離析、斷裂現(xiàn)象,則在各級荷載作用下,混凝土產(chǎn)生的應變量等于鋼筋產(chǎn)生的應變量,通過量測預先埋置在樁體內(nèi)的鋼筋計,可以實測到各鋼筋計在每級荷載作用下所得的應力-應變關(guān)系,從而求出相應樁截面微分單元內(nèi)的應變量。由此便可求得在各級荷載作用下各樁截面的樁身軸力值及軸力、摩阻力隨荷載和深度變化的傳遞規(guī)律。

5 自平衡試樁法的特點

自平衡試樁法相對于傳統(tǒng)的堆載法和錨樁法具有以下特點：

(1)裝置較簡單,不占用場地,不需運入數(shù)百噸或數(shù)千噸物料,不需構(gòu)筑笨重的反力架,試樁準備工作省時省力；

(2)該法利用樁的側(cè)阻力與端阻力互為反力,可測得樁的側(cè)阻力與端阻力和各自的荷載-位移曲線；

(3)試驗費用省。盡管壓力箱為一次性投入器件,但與傳統(tǒng)方法相比可節(jié)省試驗總費用的30%～60%。當然,具體比例應視樁與地質(zhì)條件而定,加載噸位越大越明顯；

(4)試驗后試樁仍可作為工程樁使用,必要時可利用預埋管對荷載箱進行壓力灌漿；

(5)方便的重復試驗?？稍诓煌臉抖松疃?雙壓力箱或多壓力箱技術(shù))和同一樁端深度的不同時間(后壓漿試樁效果對比)在同一根樁上方便的進行試驗；

(6)可得到土阻力的靜蠕變和恢復效果。試驗荷載可保留所需的任意長時間段,因此可實測樁側(cè)和樁端阻力的蠕變行為的數(shù)據(jù)；

(7)在下列情況下或當設(shè)置傳統(tǒng)的堆載平臺或錨樁反力架特別困難或特別花錢時,該法更顯示其優(yōu)勢。例如：水上試樁、坡場試樁、基坑底試樁、狹窄場地試樁、斜樁、嵌巖樁、抗拔樁等，這些都是傳統(tǒng)試樁法難以做到的。

6 樁基試驗的步驟及測試內(nèi)容

(1)優(yōu)先在施工條件較好的橋位場地開展試驗樁施工及試驗；

(2)可以在先行施工的工程樁上開展試驗工作；

(3)主要測試內(nèi)容是樁基承載力及樁身內(nèi)力測試工作；同時在試驗樁中應開展成孔孔徑、沉渣、垂直度和樁身混凝土超聲等研究性測試項目；

(4)樁基承載力測試優(yōu)先采用方便實施、工期又短的預埋箱法,樁身內(nèi)力測試采用預埋鋼筋計、應變計形式；

(5)樁基承載力測試用預埋箱安裝位置接近下部1/3樁長以下,具體應由現(xiàn)場計算確定；

(6)在樁側(cè)土層厚度較為均等的場地土層界面中預埋內(nèi)力測試元器件；

(7)在樁側(cè)巖土厚度較大、入巖較短的場地土層中每4～5 m一個測試截面預埋內(nèi)力測試元器件；

(8)重點研究場地內(nèi)多見的泥巖、砂巖、礫巖及泥質(zhì)砂巖的承載力學性能。

7 自平衡試樁法的儀器設(shè)備

7.1 加載裝置

采用囊式荷載箱,由7個壓力單元N2D400裝配而成,總推力16 450 kN。壓力單元的率定曲線(公式)由計量部門標定。

荷載箱埋設(shè)于自平衡點附近。

7.2 加載動力源

荷載箱由位于地面的液壓站,通過埋設(shè)的高壓油管向荷載箱分級加載。

7.3 數(shù)據(jù)采集

試驗采用3組位移數(shù)據(jù),分別為下位移(下部樁體位移,測量點位于荷載箱下約1 m位置)、上位移(上部樁體位移,測量點位于荷載箱上約1 m位置)和頂位移(測量點位于樁頂)。

7.4 位移傳遞

(1)上位移和下位移各采用2條位移桿(絲)對稱布置,傳 遞位移。位移絲(桿)一端與測量點固定,另一端上延至地面。頂位移測量與傳統(tǒng)試驗方法相同。

(2)每條位移絲(桿)皆采用保護管實施保護,用于隔離位移桿與樁體混凝土,保證位移桿與測量點同步順暢移動。

7.5 位移數(shù)據(jù)讀取、記錄

位移數(shù)據(jù)采用電子傳感器采集,在位移絲(桿)地面端讀取,數(shù)據(jù)自動傳輸至電腦測量儀進行顯示、記錄、處理。

8 試驗程序及荷載判定方法

8.1 試驗前的準備

(1)試驗準備工作,如樁頭處理,樁頂位移桿制作安裝,電源準備,試驗帳篷搭建,基準梁安裝,測試設(shè)備安裝、調(diào)試,測試環(huán)境等,與傳統(tǒng)靜載試驗要求一致。

(2)所有試驗設(shè)備安裝完后,進行一次系統(tǒng)檢測,方法是對樁施加一較小的荷載進行預壓,目的是消除整個試驗系統(tǒng)和被測樁本身由于安裝等人為因素造成的影響,排除荷載箱及管路中的空氣,檢測管路接頭、閥門等是否漏油等。如一切正常,卸載至零,待位移計顯示讀數(shù)穩(wěn)定后,并記錄初始讀數(shù),即可開始正式加載。加載方式可采用慢速維持荷載法或快速維持荷載法。

8.2 加載方案

(1)加載分級：以預估極限值的50%為依據(jù),作為試驗加載極限值,分為10級進行。

(2)加載方法：加載分級采用逐級等量加載；其中第一級取分級荷載的2倍。當樁頂沉降速率達到相對穩(wěn)定標準時,再施加下一級荷載。

(3)相對穩(wěn)定標準：樁頂位移量不超過0.1 mm/h,并連續(xù)出現(xiàn)2次(從每級荷載施加后第30 min開始,由3次或3次以上每30 min的沉降觀測值計算)。

(4)卸載：卸載分級進行,每級卸載量取加載時分級荷載的2倍,逐級等量卸載。

(5)加載數(shù)據(jù)記錄：每級加載后在第1 h內(nèi)觀察第5、15、30、45、60 min的位移值,以后每隔30 min觀察一次,以判斷穩(wěn)定狀態(tài)。同時電腦監(jiān)控系統(tǒng)自動同步進行位移記錄。

(6)卸載數(shù)據(jù)記錄：卸載時,每級卸載值為每級加載值的2倍。每級荷載維持1 h,卸載后隔15 min測讀1次殘余沉降,讀2次后,隔30 min再讀1次,即可卸下一級荷載,全部卸載后,隔3～4 h再讀1次。電腦監(jiān)控系統(tǒng)同步記錄參與位移值。

(7)終止加載條件：當上、下段樁任一段達到下述情況即破壞。

①某級荷載作用下,樁頂沉降量大于前一級荷載作用下沉降量的5倍(注：當樁頂沉降能穩(wěn)定且總沉降量小于40 mm時,宜加載至樁頂總沉降量超過40 mm)。

②某級荷載作用下,樁頂沉降量大于前一級荷載作用下沉降量的2倍,且經(jīng)24 h尚未達到穩(wěn)定標準。

③已達加載裝置的最大加載量。

④當荷載-沉降曲線呈緩變形時,可加載至樁頂總沉降量60 mm。

8.3 位移測量

(1)同時監(jiān)控并記錄3層位移數(shù)據(jù)：荷載箱下位移、上位移和頂位移。每層位移測量點為3個均布。

(2)位移測量基準以不受樁側(cè)土變形影響為準。

8.4 應力測量

應力計采用鋼筋計,根據(jù)地質(zhì)資料,在樁側(cè)土厚度較為均等的場地土層界面中預埋,每層對稱均布3個測量點。

8.5 數(shù)據(jù)監(jiān)控記錄

(1)按照規(guī)定時間頻率,同時監(jiān)控并記錄時間、載荷、位移、應力數(shù)據(jù)。

(2)數(shù)據(jù)監(jiān)控和記錄由電腦自動完成。

8.6 試驗結(jié)論得出

(1)根據(jù)試驗數(shù)據(jù),分別繪制試樁上、下部分的Q-s曲線和s-logt曲線。

(2)根據(jù)上述曲線進行分析,分別得出上、下部分的樁基極限承載能力。

(3)根據(jù)試驗數(shù)據(jù),繪制各監(jiān)測層應力的Q-σ分布變化曲線,并通過計算,進而繪制各監(jiān)測土層摩阻力的Q-Qsk分布變化曲線。

9 結(jié)論

自平衡試樁法相對于傳統(tǒng)的堆載法和錨樁法具有裝置較簡單,不占用場地,試樁準備工作省時省力,測試速度快,試驗費用省的優(yōu)勢。還可進行方便的重復試驗,又可得到土阻力的靜蠕變和恢復效果，樁基承載力實測值與計算值誤差在10%以內(nèi)。該法已在襄渝鐵路二線、達成鐵路擴能、廈深線及鄭西客運專線等鐵路項目上應用。目前,已在湘桂線、柳南客運專線和京滬高速鐵路上全面推廣。

但是,由于在計算樁基極限承載能力的公式中, 無法確定自平衡點。荷載箱的放置位置都是按經(jīng)驗確定的,還存在一定的隨意性，還需通過進一步的研究解決。

[1]TB10002.5—2005，鐵路橋涵地基和基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范[S].

[2]TZ203—2008，客貨共線鐵路橋涵工程施工技術(shù)指南[S].

[3]王伯惠.評樁基測試自平衡法[J].公路，2005(7)．

[4]龔維明，戴國亮.樁承載力自平衡測試技術(shù)及工程應用[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2006.