許 濤

(山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限公司，山西 太原 030032)

0 引言

混凝土管樁相較于其他樁型，有著工程造價(jià)低、樁承載力高且質(zhì)量可靠、應(yīng)用范圍廣等諸多優(yōu)點(diǎn)，在國(guó)內(nèi)外的樁基工程建設(shè)中受到了越來(lái)越多的青睞。管樁豎向抗壓靜力載荷試驗(yàn)的目的主要是檢驗(yàn)管樁樁體在實(shí)際工程中的豎向抗壓承載力，是施工中必不可少的環(huán)節(jié)。以往的管樁靜力載荷試驗(yàn)中，反力裝置通常采用壓重平臺(tái)反力裝置及錨梁反力裝置，這兩種反力裝置費(fèi)時(shí)費(fèi)力，也存在著不小的安全隱患，亟需進(jìn)行改進(jìn)和創(chuàng)新。

1 傳統(tǒng)靜載反力裝置存在的問(wèn)題

傳統(tǒng)靜載反力裝置主要存在的問(wèn)題如下：

1)工期長(zhǎng)：壓重平臺(tái)反力裝置靠上部荷載提供反力，上部荷載的搭裝及拆裝過(guò)程繁瑣且過(guò)程持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)。錨梁反力裝置中管樁樁頭的連接涉及混凝土澆灌養(yǎng)護(hù)及焊接作業(yè)，占用大量工期。

2)便攜性差：壓重平臺(tái)反力裝置與錨梁反力裝置設(shè)備沉重，運(yùn)輸和安裝都需要運(yùn)用大噸位的吊車及運(yùn)輸設(shè)備，安裝時(shí)間長(zhǎng)且需動(dòng)用較多的人力物力。

3)可靠性低：壓重平臺(tái)反力裝置搭設(shè)過(guò)程中危險(xiǎn)系數(shù)高，搭裝不到位易導(dǎo)致試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)生坍塌事故,造成財(cái)產(chǎn)損失和人員傷亡。目前錨梁反力裝置連接采用插筋灌混凝土做法，由于管樁中空部分面積小，插筋后灌注質(zhì)量不能得到有效控制，易導(dǎo)致試驗(yàn)時(shí)出現(xiàn)鋼筋被拔出，試驗(yàn)不能繼續(xù)進(jìn)行的現(xiàn)象。采用鋼筋進(jìn)行連接時(shí)，需利用鋼筋與設(shè)備進(jìn)行焊接，焊口的焊接質(zhì)量直接影響著試驗(yàn)的安全性。

4)造價(jià)高：壓重平臺(tái)反力裝置運(yùn)輸費(fèi)用高昂，且搭裝需動(dòng)用大型吊車，導(dǎo)致安裝成本高。錨梁反力裝置插筋灌注法涉及人力物力較多，上部裝置連接通常采用錨桿或鋼筋，錨桿重量較大，需動(dòng)用吊車等大型機(jī)械；鋼筋作為連接手段時(shí)，重復(fù)利用率低，不可避免會(huì)造成鋼筋材料的浪費(fèi)。

2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

單樁靜力載荷試驗(yàn)是在工程現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行的一種試驗(yàn)，是目前應(yīng)用最為廣泛的測(cè)定樁體承載力的試驗(yàn)方法。試驗(yàn)原理為對(duì)樁體施加一定的垂直壓力，通過(guò)測(cè)定樁體在不同的荷載作用下的沉降，獲得相應(yīng)的Q—S,S—lgt曲線等數(shù)據(jù)成果。對(duì)數(shù)據(jù)成果進(jìn)行分析后便可以得出所測(cè)樁體的單樁抗壓承載力特征值等相關(guān)參數(shù)。

目前國(guó)內(nèi)外還沒(méi)有針對(duì)管樁樁頭的連接裝置、反力裝置及兩種裝備的連接手段開(kāi)展深入的研究。

2.1 反力裝置研究現(xiàn)狀

在國(guó)內(nèi)的管樁靜力載荷試驗(yàn)中，通常采用的反力裝置包括壓重平臺(tái)反力裝置、錨樁反力梁裝置[1]。

壓重平臺(tái)反力裝置是一種使用比較廣泛的反力裝置，適合于不配筋或少配筋的樁，目前國(guó)內(nèi)大多數(shù)檢測(cè)機(jī)構(gòu)都配備此裝置。但是堆載反力梁裝置中堆重物的重量由支撐墩傳遞到了地面上，從而使樁周土受到了一定影響，影響深度較大，容易發(fā)生整體沉降[2]。而且一般平臺(tái)上部堆載重量較大時(shí)，對(duì)應(yīng)的荷載安裝時(shí)間會(huì)變長(zhǎng)。設(shè)備安裝過(guò)程需配備吊裝設(shè)備，直接導(dǎo)致試驗(yàn)的準(zhǔn)備工作成本較高。

錨樁反力梁裝置特別適用于大噸位的試樁，且相對(duì)壓重平臺(tái)反力裝置來(lái)說(shuō)能夠節(jié)約成本。但是在試驗(yàn)過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)鋼筋崩斷或焊點(diǎn)開(kāi)裂的突發(fā)狀況，需立即卸掉荷載，重新連接設(shè)備后再進(jìn)行重新加荷。這對(duì)安裝作業(yè)人員專業(yè)性要求較高，稍有疏忽輕則耗費(fèi)時(shí)間，重則導(dǎo)致安全事故的發(fā)生。

2.2 管樁連接研究現(xiàn)狀

傳統(tǒng)錨樁反力裝置中管樁樁頭的連接方法為插筋灌注法，即在管樁的中空部分插入一定數(shù)量的鋼筋并進(jìn)行一定深度的混凝土灌注，待混凝土養(yǎng)護(hù)達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后進(jìn)行上部反力梁和鋼筋的焊接，從而實(shí)現(xiàn)連接的目的。管樁樁頭[3]便攜連接裝置能夠脫離鋼筋混凝土，直接將管樁樁頭與反力裝置進(jìn)行連接。省去了混凝土澆灌及養(yǎng)護(hù)環(huán)節(jié)，從而大幅度縮短工期。

2.3 反力裝置連接研究現(xiàn)狀

在反力裝置的連接方法上，國(guó)內(nèi)外的靜力載荷試驗(yàn)中通常采用錨桿及鋼筋進(jìn)行連接，目前無(wú)有效的改進(jìn)手段。

3 新型管樁靜載反力裝置

3.1 設(shè)計(jì)原理

新型管樁靜載反力裝置主要是借鑒傘狀反力裝置的連接方式將錨樁的抗拔力作為反力來(lái)為試樁提供壓力。管樁樁頭主要通過(guò)管樁樁頭便攜連接裝置進(jìn)行連接，通過(guò)錨具和錨索將整個(gè)反力裝置連接，通過(guò)建立作用力與反作用力體系為試樁提供靜力載荷。

新型管樁靜載反力裝置主要由管樁樁頭便攜連接裝置、錨索連接樞紐、豎向傳力桿、水平反力平衡構(gòu)件四個(gè)構(gòu)件構(gòu)成，通過(guò)錨索與錨具將四個(gè)構(gòu)件連接。

整個(gè)反力裝置外觀示意圖見(jiàn)圖1，借鑒傘狀地錨反力裝置的外形，將整個(gè)反力裝置如傘狀進(jìn)行布置。通過(guò)錨具與錨索將管樁樁頭便攜連接裝置與錨樁連接，通過(guò)錨索連接樞紐裝置、豎向傳力桿、千斤頂與試樁建立傳力體系。

千斤頂作用試樁為試樁提供壓力的同時(shí)，會(huì)對(duì)豎向傳力裝置傳遞反作用力。反作用力作用在錨索連接樞紐裝置上，會(huì)對(duì)錨索產(chǎn)生拉力，錨索連接錨樁，通過(guò)錨樁進(jìn)行克服。

拉力方向?yàn)樾毕?，豎直方向的力通過(guò)錨樁的抗拔力克服，水平方向的力通過(guò)水平反力平衡裝置進(jìn)行克服。

3.2 管樁樁頭便攜連接裝置

管樁樁頭便攜連接裝置作用原理如下：管樁因?yàn)槠涮厥庵谱鞴に嚂?huì)在樁頭法蘭盤上預(yù)留螺口[4](如圖2所示)，管樁樁頭便攜連接裝置便是將與樁頭相同尺寸的法蘭盤與外側(cè)錨筒相連，利用高強(qiáng)螺絲將連接裝置的法蘭盤與樁頭的法蘭盤固定(如圖3所示)，再利用鋼筋將管樁樁頭便攜連接裝置與靜載反力裝置連接，連接手段為鋼筋焊接(如圖4所示)。通過(guò)巧妙利用管樁樁頭預(yù)留的螺口，減去了管樁靜載試驗(yàn)中必需加入的灌注混凝土環(huán)節(jié)，從而大大節(jié)省了工期及施工成本。

3.3 錨索連接樞紐裝置

傘狀反力裝置主要是通過(guò)“傘頭”部位將錨索的拉拔力集中，通過(guò)“傘頭”將力傳遞給試樁。錨索連接樞紐的作用便是將多條錨索的拉力集中，并將錨索拉力的合力轉(zhuǎn)換為對(duì)試樁的壓力。錨索連接樞紐裝置由上下兩部分構(gòu)成，兩部分通過(guò)中間的球形萬(wàn)向輪連接，可隨意進(jìn)行角度、方位的調(diào)整。上下兩部分可由混凝土澆灌而成，中間預(yù)埋具有一定弧度的鋼管，鋼管的直徑應(yīng)滿足各種直徑錨索進(jìn)行穿插。鋼管的數(shù)量可考慮預(yù)期進(jìn)行的最大噸位進(jìn)行設(shè)計(jì)。錨索連接樞紐的示意圖見(jiàn)圖5。

3.4 豎向傳力桿

豎向傳力桿處在錨索連接樞紐裝置與千斤頂及試樁的中間，主要是用于傳遞豎向的壓力。豎向傳力桿需保持豎直且要求強(qiáng)度滿足試驗(yàn)需求，以確保傳遞應(yīng)力方向保持豎直方向，力的方向發(fā)生偏移將會(huì)導(dǎo)致力的不對(duì)中，可能會(huì)導(dǎo)致工程事故的發(fā)生。

3.5 水平反力平衡裝置

傘狀反力裝置會(huì)對(duì)錨樁的樁頭作用水平方向的力，該力若不克服，將會(huì)對(duì)錨樁產(chǎn)生水平方向的位移，過(guò)大的話甚至?xí)a(chǎn)生樁頭的破裂。

如圖6所示，水平反力平衡裝置便是為了克服傘狀反力裝置對(duì)錨樁樁頭產(chǎn)生的水平力而設(shè)置。構(gòu)件設(shè)置于試樁與錨樁之間，以試樁為中心對(duì)稱分布，從而使兩側(cè)水平力相互抵消。構(gòu)件緊貼樁體布置，中間可斷開(kāi)，樁間距不同時(shí)可在中間塞入墊塊進(jìn)行調(diào)整。

4 工程應(yīng)用

某工程地貌單元屬高原丘陵梁峁、殘塬沖溝地形，站址地處殘塬塬面上，地形較平緩開(kāi)闊，略有起伏，地面標(biāo)高在1 248.00 m～1 258.00 m之間。該工程擬采用預(yù)制混凝土管樁對(duì)地基進(jìn)行處理，需通過(guò)試樁確定該地區(qū)適宜樁型。

根據(jù)地質(zhì)剖面圖可判斷，試樁區(qū)所處地層情況為：0 m～10.50 m為①-1層黃土狀粉土，10.50 m～15.40 m為①-2層黃土，15.40 m～27.5 m為②層黃土，27.5 m～35 m為③層黃土。試樁均為預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝土管樁,共分3組進(jìn)行，每組3根,具體參數(shù)見(jiàn)表1。每組試樁均需進(jìn)行單樁豎向抗壓靜載荷試驗(yàn)及單樁豎向抗拔靜載荷試驗(yàn)。

表1 試樁參數(shù)表

該項(xiàng)目試樁工作中，涉及樁頭和上部反力梁連接的試驗(yàn)項(xiàng)目有豎向抗壓靜載荷試驗(yàn)和豎向抗拔靜載荷試驗(yàn)。應(yīng)用錨梁反力裝置對(duì)管樁進(jìn)行靜載試驗(yàn)時(shí)[5]，管樁需采用插筋灌漿法進(jìn)行試驗(yàn)。進(jìn)行一次靜載試驗(yàn)時(shí)，前期的設(shè)備安裝時(shí)間統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表2。

表2 錨梁法準(zhǔn)備時(shí)間統(tǒng)計(jì)表 d

出于節(jié)省成本的考慮，試驗(yàn)過(guò)程中部分試樁還需作為錨樁提供反力，導(dǎo)致樁頭的插筋混凝土灌注工作不能一次性完成，涉及樁頭混凝土灌注的次數(shù)前后需進(jìn)行3次。不計(jì)入試驗(yàn)時(shí)間，僅準(zhǔn)備工作就需耗費(fèi)時(shí)間近100 d。

應(yīng)用新型管樁靜載反力裝置將不需進(jìn)行插筋灌注混凝土工作，省去了混凝土灌注及養(yǎng)護(hù)環(huán)節(jié)，僅需考慮設(shè)備安裝時(shí)間。將使原準(zhǔn)備時(shí)間100 d縮短至5 d～7 d，大大節(jié)省時(shí)間成本。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)在實(shí)際工程中的應(yīng)用發(fā)現(xiàn)：與傳統(tǒng)反力裝置對(duì)比，應(yīng)用新型管樁靜載反力裝置可以實(shí)現(xiàn)如下改進(jìn)：1)能夠整體提高靜載試驗(yàn)的安全性，便捷性，易操作性；2)能節(jié)省材料，提高材料的重復(fù)利用率，減少大型設(shè)備的投入，降低試驗(yàn)成本和施工成本；3)能夠節(jié)省工期，提高工作效率和工作質(zhì)量，提高工程建設(shè)效率和效益。