李來(lái)龍
[同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院(集團(tuán))有限公司,上海市 200092]
在以往的工程中,傳統(tǒng)樁基承載力測(cè)試方法采用堆載或者反力架法測(cè)試,隨著橋梁規(guī)模和跨徑的增大,樁基礎(chǔ)的單樁極限承載力也越來(lái)越大,傳統(tǒng)測(cè)試樁方法越來(lái)越困難,成本越來(lái)越高。
同時(shí),對(duì)于樁底注漿的大噸位樁基,更是無(wú)法測(cè)試其承載力及注漿的效果,導(dǎo)致基樁的潛力不能合理發(fā)揮。自平衡法正好改進(jìn)傳統(tǒng)靜載試驗(yàn)的缺點(diǎn),很好地適應(yīng)于長(zhǎng)大直徑樁承載力的測(cè)試。而采用雙荷載箱的自平衡法又在單荷載箱的基礎(chǔ)進(jìn)一步節(jié)約成本、并能測(cè)試樁底注漿對(duì)樁承載力的提高程度。
圖1 為樁身荷載傳遞示意圖。
圖1 樁身荷載傳遞示意圖
自平衡法的基本出發(fā)點(diǎn)是利用試樁自身反力平衡的原則,在樁端附近或樁身某截面處預(yù)埋經(jīng)特別設(shè)計(jì)可用于加載的荷載箱,將樁身分為兩段。試驗(yàn)時(shí),在地面上通過(guò)油泵加壓,隨著壓力增加,荷載箱將同時(shí)向上、向下發(fā)生變位,促使樁側(cè)阻力和樁端阻力的發(fā)揮[1]。此時(shí),上下樁段的反力大小相等、方向相反,從而達(dá)到試樁自身反力平衡加載的目的。隨著荷載箱壓力不斷增加,試樁樁土作用破壞,試驗(yàn)終止。通過(guò)上下樁段的Q—s 曲線及相應(yīng)的S—lgt 曲線,采用合理的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換方法和承載力判定方法,即可確定試樁的極限承載力、樁側(cè)及樁段阻力的分布情況[2]。
樁基噸位越大、樁型越復(fù)雜,自平衡法靜載試驗(yàn)的可操作性和經(jīng)濟(jì)性等優(yōu)勢(shì)就更加明顯。但是,傳統(tǒng)的單荷載箱形式的自平衡法也存在以下幾點(diǎn)不足:
(1)荷載箱的理論埋設(shè)位置應(yīng)當(dāng)位于兩段樁極限承載力相等的位置,但是由于實(shí)際地質(zhì)情況的多變性,根據(jù)勘察報(bào)告計(jì)算參數(shù)預(yù)先估算的平衡點(diǎn)位置肯定會(huì)存在一定的偏差,導(dǎo)致上、下兩段樁不可能同時(shí)達(dá)到破壞,從而導(dǎo)致上、下兩段樁的極限承載力不相等,由此判定的極限承載力小于真實(shí)的極限承載力,故結(jié)果偏于保守。
(2)荷載箱為一次性投入,不可回收重復(fù)利用,隨著加載噸位的增加,其自身造價(jià)也在不斷增加。當(dāng)樁基承載力較大時(shí),滿足試驗(yàn)要求的荷載箱需求尺寸也較大,在大幅增加造價(jià)的同時(shí)也為荷載箱的埋設(shè)增加了施工困難。
(3)設(shè)計(jì)中經(jīng)常會(huì)采用樁底注漿的形式來(lái)提高樁基承載力、減少基礎(chǔ)沉降。但樁底注漿后,樁身的平衡點(diǎn)位置就發(fā)生了改變,傳統(tǒng)單荷載箱的形式難以對(duì)注漿后的樁基承載力和注漿效果進(jìn)行測(cè)試。
為克服傳統(tǒng)單荷載箱法的不足,提出采用雙荷載箱的加載形式,即在樁身相應(yīng)位置埋設(shè)兩個(gè)荷載箱,將樁身劃分為三個(gè)部分,見(jiàn)圖2 所示。兩個(gè)荷載箱埋設(shè)位置滿足三個(gè)要求:(1)Qb<Qu+Qm,(2)Qm<Qu,(3)Qu<Qb+Qm(Qu、Qm、Qb分別為按地質(zhì)報(bào)告計(jì)算的上、中、下三節(jié)樁的極限承載力)。雙荷載箱自平衡法加載示意如圖3 所示。
圖2 雙荷載箱埋設(shè)示意圖
圖3 雙荷載箱自平衡法試驗(yàn)步驟示意圖
(1)步驟一:將上荷載箱臨時(shí)鎖死,將上段樁和中段樁合成一個(gè)整體,對(duì)下荷載箱充油加壓。由于Qb<Qu+Qm,下段樁先發(fā)生破壞,得到下段樁的樁側(cè)阻力和端阻力極限值。
(2)步驟二:下荷載箱保持打開(kāi),此時(shí)中段樁和下段樁為斷開(kāi)狀態(tài),對(duì)上荷載箱充油加壓。由于Qm<Qu,中段樁先發(fā)生破壞,得到中段樁的樁側(cè)阻力極限值。
(3)步驟三:將下荷載箱臨時(shí)鎖死,將中段樁和下段樁合成一個(gè)整體,對(duì)上荷載箱充油加壓。由于Qu<Qb+Qm,上段樁先發(fā)生破壞,得到上段樁的樁側(cè)阻力極限值。
通過(guò)雙荷載箱自平衡法的工作機(jī)理,可以看出該優(yōu)化方法具備以下特點(diǎn):
(1)對(duì)于大噸位樁基,埋設(shè)兩個(gè)小規(guī)格荷載箱的造價(jià)投入常常低于埋設(shè)一個(gè)大規(guī)格的荷載箱。
(2)荷載箱的埋設(shè)位置無(wú)需考慮樁身自身的平衡點(diǎn)位置,只需埋設(shè)在每個(gè)加載步驟試驗(yàn)需求的范圍內(nèi)即可。
(3)上、中、下三節(jié)樁在測(cè)試過(guò)程中都達(dá)到極限破壞,測(cè)試成果準(zhǔn)確。
(4)由于荷載箱埋設(shè)位置的靈活性,可對(duì)樁底注漿前后分別對(duì)樁基承載力進(jìn)行加載試驗(yàn),可以直觀有效地測(cè)試樁底注漿對(duì)樁基承載力的提高作用。
上海某跨越黃浦江的大橋主橋采用(49.55+75.45+296+75.45+49.55)m 雙塔雙索面半漂浮體系預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉橋。每個(gè)主墩設(shè)置60 根樁長(zhǎng)81 m的Φ1.8 m 鉆孔灌注樁,以⑨2粉砂層為樁基持力層。為控制沉降、提高樁基的承載力,每根樁均采用樁底注漿工藝。
根據(jù)地質(zhì)報(bào)告計(jì)算,按規(guī)范估算樁基極限承載能力值如表1 所列。
表1 樁基極限承載力估算表
樁身內(nèi)設(shè)置兩個(gè)荷載箱,考慮進(jìn)行注漿前、后分別測(cè)試極限承載力,根據(jù)測(cè)試原理和試驗(yàn)?zāi)康?,荷載箱埋設(shè)位置如圖4 所示。
根據(jù)地質(zhì)報(bào)告計(jì)算,注漿前、后 Qu、Qm、Qb的數(shù)值如表2 所列。
由上表可知,荷載箱的埋設(shè)位置(見(jiàn)圖4)滿足Qb<Qu+Qm、Qm<Qu、Qu<Qb+Qm三個(gè)條件。由此,確定兩個(gè)荷載箱最大預(yù)估加載值為2×20 000 kN。
圖4 荷載箱埋設(shè)位置圖(單位:m)
表2 注漿前、后樁身承載力估算表
樁身強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求時(shí),進(jìn)行自平衡法試樁。加載方式采用慢速維持荷載法,逐級(jí)加載,每級(jí)加載預(yù)估加載值的1/15,第一級(jí)按兩倍荷載分級(jí)加載。每級(jí)荷載作用下,上、下兩段樁均達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定后再加下一級(jí)荷載,直到試樁破壞或者達(dá)到荷載箱極限加載值。卸載也分級(jí)進(jìn)行,每級(jí)卸載為3 倍加載荷載等級(jí)。每級(jí)荷載卸載后,觀測(cè)兩段樁的回彈量,穩(wěn)定后,再卸下一級(jí)荷載[3]。
表3 為分級(jí)加、卸載數(shù)值表,圖5 為現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)之實(shí)景。
表3 分級(jí)加、卸載數(shù)值表
2.4.1 各節(jié)樁極限承載力試驗(yàn)數(shù)據(jù)
由于樁底注漿對(duì)上段樁不產(chǎn)生影響,因此上段樁僅需測(cè)試一次即可,該項(xiàng)試驗(yàn)上段樁的極限承載力在樁底注漿后進(jìn)行測(cè)試。各節(jié)樁極限承載力自平衡法的測(cè)試結(jié)果如表4 所列。
圖5 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)之實(shí)景
表4 各節(jié)樁極限承載力試驗(yàn)數(shù)據(jù)一覽表
2.4.2 自平衡法樁基承載力計(jì)算公式
自平衡法測(cè)出的上段樁側(cè)阻力方向向下,與常規(guī)側(cè)阻力方向相反,反向側(cè)阻力將使土層減壓松散,故該法測(cè)出的側(cè)阻力小于常規(guī)側(cè)阻力,需要進(jìn)行修正。因此,自平衡法樁基承載力計(jì)算公式為:
式中:Qu、Qm、Qb分別為上、中、下三段樁的加載極限值;Wu為上段樁自重;γ 為上段樁抗拔修正系數(shù),根據(jù)土層選用,該工程γ=0.8。
2.4.3 試驗(yàn)結(jié)果
對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總,樁基極限承載能力試驗(yàn)值如表5 所列,試驗(yàn)值轉(zhuǎn)換后的Q-s 曲線如圖6 所示。
2.4.4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析
(1)試樁壓漿前單樁豎向抗壓極限承載力為33 673 kN,壓漿后為47 473 kN,提高了40%的承載能力,與規(guī)范計(jì)算值基本一致,充分說(shuō)明了樁底注漿技術(shù)是提高樁基承載能力的一項(xiàng)有效措施。
表5 樁基極限承載力試驗(yàn)值一覽表
圖6 Q-s 曲線轉(zhuǎn)換圖
(2)試驗(yàn)數(shù)據(jù)相對(duì)于理論計(jì)算數(shù)據(jù)偏小,主要的原因?yàn)闃兜壮猎挠绊戄^大,對(duì)樁底承載力比理論值減小較多。同時(shí),在施工過(guò)程中對(duì)底部部分土層產(chǎn)生了一定擾動(dòng),對(duì)土層的摩阻力產(chǎn)生了一定的影響。通過(guò)樁底注漿提高了樁基承載力,彌補(bǔ)了施工中可能產(chǎn)生的各種問(wèn)題,確保橋梁的安全。
(1)該工程的樁基樁底注漿后滿足設(shè)計(jì)要求,是理論計(jì)算值的1.2 倍,增加值不是太大,同時(shí)試驗(yàn)的數(shù)量較少,不宜對(duì)樁長(zhǎng)進(jìn)行較大優(yōu)化。
(2)該工程完成了50 000 kN 鉆孔灌注樁的靜載試驗(yàn),這是常規(guī)方法很難實(shí)現(xiàn)的。且試驗(yàn)簡(jiǎn)單,試驗(yàn)費(fèi)用省,與傳統(tǒng)方法相比可節(jié)省試驗(yàn)總費(fèi)用的30%左右。
(3)在試驗(yàn)中,上荷載箱最大加載值為19 200 kN,下荷載箱最大加載值為16 800 kN,如果采用單荷載箱進(jìn)行試驗(yàn),則至少需要在合適的位置配置20 000 kN(測(cè)注漿前)和28 000 kN(測(cè)注漿后)的荷載箱各一個(gè)。雙荷載箱法有效減小了試驗(yàn)所投入設(shè)備的規(guī)模。
(4)國(guó)內(nèi)目前對(duì)長(zhǎng)大直徑樁、樁底注漿樁等自平衡試驗(yàn)數(shù)據(jù)還較少。未來(lái),隨著雙荷載箱,甚至多荷載箱技術(shù)的發(fā)展,根據(jù)大量可靠的試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果,人們也能更加深入地了解樁底注漿的具體效果,從而達(dá)到更加合理有效的優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的。