朱曉偉 朱爾玉 白正偉

(1.中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 北京 102600；2.北京交通大學(xué) 北京 100044)

1 引言

鉆孔灌注樁因其施工噪聲小、環(huán)境振動(dòng)小，可以制造更大樁徑的樁基礎(chǔ)等優(yōu)勢(shì)，近年來被廣泛用于橋梁工程中。當(dāng)然，一些普遍存在于施工項(xiàng)目中的問題也急需解決，主要有以下幾個(gè)方面:(1)隨著管徑的加大對(duì)原地基土的擾動(dòng)大幅增加，甚至達(dá)到不可忽略的地步；(2)設(shè)計(jì)過程中一般情況下都將灌注樁當(dāng)做摩擦樁設(shè)計(jì)，在垂直荷載作用下樁身各土層的極限摩阻力和樁端阻力計(jì)算過程比較復(fù)雜；(3)大直徑鉆孔灌注樁在國(guó)內(nèi)使用比較少，相關(guān)的資料和文獻(xiàn)也比較匱乏。本文通過對(duì)實(shí)際試樁工程所得出的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行更深層的研究，旨在盡可能地完善現(xiàn)有問題的答案，給接下來相似地質(zhì)情況的工程項(xiàng)目提供更為準(zhǔn)確的經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)[1-4]。

2 試樁試驗(yàn)及分析

2.1 工程背景和地質(zhì)概況

連鎮(zhèn)鐵路新沂河特大橋位于江蘇省連云港市灌南縣張店鎮(zhèn)，該橋試樁方案共分為3組，編號(hào)分別為S4#、S5#和S6#，其詳細(xì)參數(shù)見表1，錨樁基礎(chǔ)類型按摩擦樁設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)單位為中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，施工單位為中鐵十局連鎮(zhèn)鐵路項(xiàng)目部三分部。

為了更加明確試驗(yàn)研究目的，采取以下方法:(1)鉆孔樁試樁樁身側(cè)摩阻力、端阻力采用弦式鋼筋應(yīng)力計(jì)元件進(jìn)行測(cè)試，獲得垂直荷載作用下沿樁身各土層的極限摩阻力和樁端阻力；(2)沉降位移采用電子位移計(jì)測(cè)量試樁單樁位移沉降量；(3)因灌注樁單樁承載力達(dá)到以104kN計(jì)的水平，傳統(tǒng)樁頂靜載試驗(yàn)加荷困難，故試驗(yàn)采用錨樁反力梁裝置來檢測(cè)單樁豎向承載能力。

表1 試樁、錨樁設(shè)計(jì)參數(shù)

2.1.1 樁基布置

本試驗(yàn)采用錨樁反力梁裝置，4錨1試，基準(zhǔn)梁由2根6 m長(zhǎng)φ50 mm的鋼管組成，裝置平面見圖1。采用3個(gè)500 t油壓千斤頂并聯(lián)，通過電動(dòng)油泵驅(qū)動(dòng)加載，千斤頂?shù)暮狭νㄟ^試樁中心，樁的沉降變形通過布置于樁頭的位移傳感器進(jìn)行量測(cè)[5-7]。

圖1 錨樁橫梁反力裝置平面

2.1.2 水文地質(zhì)條件

橋址所在地主要地質(zhì)條件為第四系全新統(tǒng)沖積層黏土、第四系全新統(tǒng)沖積層淤泥質(zhì)黏土及第四系上更新統(tǒng)沖洪積粉質(zhì)黏土、粉土、細(xì)砂等。其巖性特征見表2。

表2 鉆孔灌注樁樁周土層設(shè)計(jì)參數(shù)及測(cè)試分層匯總

2.2 試樁試驗(yàn)

2.2.1 單樁豎向抗壓靜載荷試驗(yàn)

單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)的基本原理是用加載裝置將豎向荷載均勻地傳遞到樁基上，通過實(shí)測(cè)單樁在不同荷載作用下的樁頂沉降，得到靜載試驗(yàn)的荷載-沉降曲線(Q-s)及沉降 -時(shí)間對(duì)數(shù)曲線(s-lgt)等輔助曲線，然后對(duì)曲線進(jìn)行綜合分析，推求單樁豎向抗壓極限承載力等參數(shù)。

在進(jìn)行單樁豎向承載力試驗(yàn)時(shí)，根據(jù)安裝于樁身側(cè)面、樁底的鋼筋計(jì)及土壓力盒測(cè)定樁的分層土極限摩阻力和極限端阻力值[8-10]。

(1)加載設(shè)備采用3臺(tái)500 t油壓千斤頂，高壓油泵1套，采用并聯(lián)法供油加壓。

(2)荷載與沉降量測(cè)試使用武漢巖海公司生產(chǎn)的RS-JYB型樁基靜載荷測(cè)試分析系統(tǒng)，可以對(duì)豎向及水平靜載試驗(yàn)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。荷載通過壓力傳感器測(cè)量，沉降量通過位移傳感器測(cè)量。

(3)選用JMZX-4XX系列智能弦式數(shù)碼鋼筋應(yīng)力計(jì)對(duì)鉆孔灌注樁進(jìn)行樁側(cè)摩阻測(cè)試。弦式鋼筋應(yīng)力計(jì)對(duì)觀測(cè)電纜絕緣要求低，長(zhǎng)導(dǎo)線也不影響測(cè)試結(jié)果，蠕變小，適宜長(zhǎng)期觀測(cè)。選用JMZX-5XX系列智能弦式數(shù)碼土壓力盒對(duì)鉆孔灌注樁進(jìn)行樁端阻力測(cè)試。

弦式鋼筋應(yīng)力計(jì)依據(jù)土層劃分情況，分別布置在距樁頂 0.6 m、7.3 m、16.2 m、26.0 m、32.0 m、36.6 m及48.6 m處，土壓力盒埋設(shè)在樁底部。每個(gè)測(cè)試斷面沿環(huán)向等間距布置3支弦式鋼筋應(yīng)力計(jì)(見圖2)。樁頂?shù)谝粋€(gè)斷面為測(cè)試標(biāo)定斷面，用于推求K值或鋼筋混凝土綜合彈性模量。所有鋼筋計(jì)和土壓力盒通過觀測(cè)電纜引出地面，采用智能綜合測(cè)試儀測(cè)讀應(yīng)力或應(yīng)變值[11-12]。

圖2 鋼筋應(yīng)力計(jì)安裝位置示意

(4)本試驗(yàn)采用錨樁反力梁裝置，4錨1試。

(5)基準(zhǔn)梁由2根6 m長(zhǎng)φ50 mm的鋼管組成。加載采用3個(gè)500 t油壓千斤頂并聯(lián)，通過電動(dòng)油泵驅(qū)動(dòng)加載，千斤頂?shù)暮狭νㄟ^試樁中心。樁的沉降變形通過布置于樁頭的位移傳感器進(jìn)行量測(cè)。

2.2.2 單樁水平承載力試驗(yàn)

通過單樁水平承載力試驗(yàn)，測(cè)定單樁水平承載力及地基土的橫向抗力系數(shù)的比例系數(shù)。加載方法采用單向多循環(huán)加載法，加載要求為:

(1)加載分級(jí)荷載應(yīng)小于預(yù)估水平極限承載力或最大試驗(yàn)荷載的1/10。每級(jí)荷載施加后，恒載4 min后可測(cè)讀水平位移，然后卸載至零；停2 min測(cè)讀殘余水平位移，至此完成一個(gè)加卸載循環(huán)。如此循環(huán)5次，完成一級(jí)荷載的位移觀測(cè)，試驗(yàn)不得中間停頓(見圖3)。

(2)當(dāng)水平位移超過40 mm時(shí)，可終止加載。

圖3 水平承載力試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

2.3 試樁成果分析

2.3.1 單樁豎向抗壓靜載荷試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)試驗(yàn)記錄分別得到本次單樁豎向抗壓靜載荷試驗(yàn)3根灌注樁的Q-s曲線、s-lgt曲線，依據(jù)試驗(yàn)規(guī)范判定各試樁豎向極限承載力值。具體試驗(yàn)數(shù)據(jù)及曲線見圖4～圖5，試樁豎向極限承載力測(cè)試值見表3。

表3 試樁豎向極限承載力測(cè)試值匯總

圖4 單樁豎向抗壓靜載荷試驗(yàn)荷載-沉降(Q-s)曲線

圖5 單樁豎向抗壓靜載荷試驗(yàn)沉降-時(shí)間對(duì)數(shù)(s-lgt)曲線

(1)本次試驗(yàn)3根鉆孔灌注樁試樁終止加載的條件為:在某級(jí)荷載作用下，樁頂沉降量大于前一級(jí)荷載作用下沉降量的5倍，且加載至樁頂總沉降量超過40 mm。

(2)《鐵路工程基樁檢測(cè)技術(shù)規(guī)程》規(guī)定:對(duì)于陡降型Q-s曲線，取其發(fā)生明顯陡降的起始點(diǎn)對(duì)應(yīng)的荷載值。本次試驗(yàn)3根鉆孔灌注樁試樁的Q-s曲線均屬陡降型，故均取其發(fā)生明顯陡降的起始點(diǎn)對(duì)應(yīng)的荷載值作為單樁豎向抗壓極限承載力。

(3)S4#試樁與其它兩根試樁的測(cè)試結(jié)果極差超過平均值的30%，結(jié)合施工情況，分析認(rèn)為該樁頂部與墊層結(jié)合較緊密，且存在局部擴(kuò)徑，導(dǎo)致極限承載力偏大，故以S5#、S6#試樁測(cè)試值來確定單樁豎向抗壓極限承載力統(tǒng)計(jì)值。

2.3.2 單樁水平承載力試驗(yàn)結(jié)果分析

通過單樁水平承載力試驗(yàn)，測(cè)定單樁水平承載力及地基土的橫向抗力系數(shù)的比例系數(shù)。以S6試樁數(shù)據(jù)為例，本次試驗(yàn)的測(cè)試數(shù)據(jù)和H-t-Y0曲線、H-ΔY0/ΔH曲線見圖 6。單樁水平臨界荷載取H-ΔY0/ΔH曲線上第一拐點(diǎn)對(duì)應(yīng)的水平荷載值，單樁水平極限承載力取H-ΔY0/ΔH曲線上第二拐點(diǎn)對(duì)應(yīng)的水平荷載值。試驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 單樁水平靜載試驗(yàn)結(jié)果匯總

圖6 力-時(shí)間-位移(H-t-Y0)關(guān)系曲線與力-位移梯度(H-△Y0/△H)關(guān)系曲線

對(duì)應(yīng)水平位移40 mm時(shí)的水平荷載超過水平臨界荷載，因基樁不允許出現(xiàn)裂縫，故以水平臨界荷載確定水平承載力特征值，水平抗力系數(shù)的比例系數(shù)計(jì)算采用單向多循環(huán)加載法得出水平力、水平力作用點(diǎn)位移-地基土水平抗力系數(shù)的比例系數(shù)關(guān)系曲線，見圖7。其鉆孔灌注樁地基土水平抗力系數(shù)的比例系數(shù)m＝12 850 kPa/m2。

圖7 地基土水平抗力系數(shù)的比例系數(shù)與力及位移關(guān)系曲線

通過檢測(cè)樁頂自由時(shí)的單樁水平承載力，從而推定地基土抗力系數(shù)的比例系數(shù)。在實(shí)際工況中，因基樁樁頂嵌入承臺(tái)，對(duì)增大單樁水平承載力有利。

2.4 極限側(cè)摩阻力及端阻力測(cè)試

試驗(yàn)加載前讀取試驗(yàn)元件的初始讀數(shù)，每級(jí)荷載穩(wěn)定后分別測(cè)定每個(gè)安裝截面測(cè)量元件在該級(jí)荷載下的變化量即可得出樁身應(yīng)力隨荷載變化曲線。

鉆孔灌注樁樁周土分層極限側(cè)摩阻力及樁端土基本承載力測(cè)試值見表5，樁身最大側(cè)摩阻力分布見表6。

2.5 小結(jié)

經(jīng)對(duì)新建連鎮(zhèn)鐵路新沂河特大橋3根灌注樁試樁試驗(yàn)數(shù)據(jù)作綜合判斷分析，可得出以下結(jié)論:

(1)鉆孔灌注樁S4#、S5#及S6#試樁極限抗壓承載力統(tǒng)計(jì)值為8 000 kN，設(shè)計(jì)提供值為8 000 kN，滿足設(shè)計(jì)要求。

(2)鉆孔灌注樁樁周各土層最大極限側(cè)摩阻力出現(xiàn)在距地表25.4～31.4 m的土層。

(3)鉆孔灌注樁單樁水平承載力特征值為250 kN，地基土水平抗力系數(shù)的比例系數(shù)m值取12 850 kPa/m2。

3 結(jié)束語

(1)樁基礎(chǔ)的端阻力和側(cè)摩阻力最大值分別為220 kN和98 kN，分別是單樁豎向抗壓承載能力計(jì)算值的2.7%和1.2%，所占比例很大，因此在設(shè)計(jì)中需予以討論并在滿足于樁身完整性不被破壞的前提下進(jìn)行設(shè)計(jì)施工。

(2)大直徑鉆孔灌注樁荷載-位移曲線表現(xiàn)為緩變型，并沒有十分明顯的特征點(diǎn)，樁端阻力分擔(dān)的荷載只占一小部分；側(cè)摩阻力所占比例比較大，起主要作用。因此鉆孔灌注樁按摩擦型樁設(shè)計(jì)是必要的。

(3)通過對(duì)試樁的單樁水平承載能力試驗(yàn)可知，灌注樁地基土水平抗力系數(shù)的比例系數(shù)m值大于管樁，所以在水平位移限值比較小的地質(zhì)情況下，可以優(yōu)先考慮灌注樁方案。