高小平，鄭孝露，呂仁紅，喬勃睿

(安徽省城建基礎(chǔ)工程有限公司，安徽 合肥 230001)

0 引言

對于大型橋梁、高層建筑等一些大型建筑結(jié)構(gòu)中所使用的樁基礎(chǔ)，通常需要較大的樁長和樁徑。公路橋梁所使用的鉆孔灌注樁樁徑大多在1.5 m以上，甚至有樁徑在2.5 m以上[1-4]。對橋梁工程，目前一般把直徑不小于2.5 m的樁定義為“大直徑樁”，部分使用最大直徑高達5 m以上[5]。大直徑樁樁身有較大的橫向剛度，不僅僅能承受較大的豎向荷載，還能承受較大的橫向荷載，并具有抗拔能力。該樁型具有施工工序較少、單樁承載力大、質(zhì)量可靠且易于檢查以及經(jīng)濟效益顯著等諸多優(yōu)點[6]。

目前，大直徑樁軸力測試試驗研究較少，本文通過中派河特大橋工程的大直徑實心樁軸力測試和現(xiàn)場沉樁測試，在鋼筋籠中預(yù)埋鋼筋計、應(yīng)變片等測試原件，進行受力和變形測試，結(jié)合前述理論研究成果，進一步研究其受力機理、承載和變形特性，以期為類似工程提供參考。

1 工程概況

中派河大橋位于江淮溝通段航道與合安高速交叉處，位于合安高速方興大道收費站與嚴店收費站之間的中派河上。中派河特大橋全長1 846 m(不含橋臺)，共有147根預(yù)制墩柱和147個現(xiàn)澆承臺，每個橋墩共3組，北引橋75根，南引橋72根。預(yù)制墩柱設(shè)計采用空心薄壁高強墩，樁下部設(shè)置凹槽，以便和承臺連接，引橋設(shè)計墩高4 m～14.5 m。中派河特大橋段7.063 km采用單側(cè)加寬方案，新建分離式路基寬度20.75 m；其余44.047 km采用雙側(cè)加寬方案，路基寬度42 m。采用雙向八車道高速公路標(biāo)準改擴建。為確定在施工過程中，鉆孔灌注樁樁身不同位置的樁身軸力、樁側(cè)摩阻力及樁端阻力的分布情況，研究大直徑實心樁荷載傳遞機理，選取北岸1號樁進行軸力測試試驗。

1.1 工程場地土層性質(zhì)

根據(jù)樁位鉆孔情況，試樁處所揭露的地層從上至下依次為粉質(zhì)黏土層、粉土層、細砂層、風(fēng)土層、黏土層、細砂層、全風(fēng)化泥質(zhì)巖以及強風(fēng)化泥質(zhì)巖。地層參數(shù)如表1所示。

表1 地層參數(shù)

1.2 橋梁樁型適宜性評價

由于地質(zhì)條件的差異，施工工藝、抗震性能等的區(qū)別，各地區(qū)建成的大直徑實心樁及空心樁所表現(xiàn)出來的承載性能也是有差別的，其研究進展遠遠落后于實踐。本文從地質(zhì)環(huán)境條件、施工技術(shù)等方面加以對比，為中派河特大橋橋梁工程選型提供依據(jù)。

1.2.1 地質(zhì)環(huán)境條件對比

對大直徑實心樁適用的地層條件，通常適用的土層為黏性土、砂黏土、砂土(含粉砂、細砂、中粗砂)及夾有少量礫石、卵石的土層、軟石層。在這些土層中，大直徑樁通常按照摩擦樁設(shè)計[7]。對一些特殊條件的土層，如砂卵(礫)石地層與普通土層相比有不同特性，這類土層透水性強，結(jié)構(gòu)松散，穩(wěn)定性差，鉆進過程中容易坍塌，擴孔系數(shù)大，施工過程中需要充分考慮護壁，確保成孔。在持力層的選擇方面應(yīng)符合以下要求：持力層宜選擇中密以上的粉土、砂土、卵礫石和全風(fēng)化或強風(fēng)化巖體，且層位穩(wěn)定。

對大直徑空心樁適用的地層條件，適用于山區(qū)砂卵石下含有不透水黏土的地層。而對大直徑鉆埋空心樁，由于樁身周長短，因此樁側(cè)摩阻力較少，而其樁端面積大，致使樁底抗力值極大。因此它適合樁端土極限承載力較大的地層(砂礫石、微風(fēng)化的軟巖)。對于巖石地層，大面積嵌巖成孔困難，可將空心樁底高置其上，改在空心樁內(nèi)部另加小直徑嵌巖樁較為合算。應(yīng)當(dāng)指出，如果樁端沒有較好的地層作為持力層，采用大直徑鉆埋空心樁的效果不佳。大直徑鉆埋預(yù)應(yīng)力空心樁是一種將預(yù)制樁和鉆孔樁兩者的優(yōu)點結(jié)合在一起的全新樁型，能夠避免水下澆筑混凝土，從而有效保證混凝土質(zhì)量，適用于水下樁基工程。波形鋼-管樁樁長較短，主要適用于巖溶地區(qū)，以減少樁底附近溶洞影響。

1.2.2 施工技術(shù)對比

大直徑實心樁施工工藝目前比較成熟，其流程較為簡單，主要包括：施工準備、平臺搭設(shè)、鋼護筒插打、鉆孔(含檢孔)、清孔、鋼筋籠施工(制造、運輸、下放)、混凝土灌注。主要問題表現(xiàn)為泥漿沉淀不易清除，影響端部承載力的充分發(fā)揮，并造成較大沉降，由于其自重過大，降低了有效承載力。

空心樁在施工方面存在一些缺點，由于空心樁分節(jié)施工，一方面由于施工節(jié)段過多使得樁的整體性變差，另一方面也會增加鋼筋接頭數(shù)量，需要克服工序煩瑣與施工質(zhì)量難以控制的挑戰(zhàn)，施工要求更高，工期較長[8]。對沉挖空心樁，多以人工開挖為主，不需大型設(shè)備，因此在地方公路工程具有重要的現(xiàn)實意義[9]。鉆埋空心樁則施工工藝復(fù)雜，包括鋼護筒的施工、河床覆蓋層變截面大直徑樁施工、遇到嵌巖面分次擴孔，此外鉆機的裝拆需要大型器械，成本也較高。

1.2.3 抗震性能對比

一般來說，大直徑實心樁的強度較高，抗震能力較強[10]。若實心樁樁身長度范圍內(nèi)存在性質(zhì)差異較大的土層(液化土或軟硬互層)，地震波速差異顯著，會致使土層界面位移急劇變化，基樁隨土體變形而產(chǎn)生較大內(nèi)力，容易產(chǎn)生震害。

大直徑空心樁配筋少，節(jié)段較多，混凝土凈截面小，當(dāng)其穿越軟、硬夾層或在液化土中，破壞較為嚴重，因此不適宜用于8度以上地區(qū)的液化土、流塑狀軟土場地。

1.2.4 橋梁選型

綜合本工程地質(zhì)環(huán)境與施工條件，特大橋適宜選用大直徑實心樁，充分發(fā)揮各層土的側(cè)摩阻力，共同承受橋梁的上部荷載。

2 大直徑實心樁軸力測試試驗

在樁身不同位置埋設(shè)鋼筋計，以確定在施工過程中，鉆孔灌注樁樁身不同位置的樁身軸力、樁側(cè)摩阻力及樁端阻力的分布情況，研究大直徑實心樁荷載傳遞機理[11]。

2.1 鋼筋應(yīng)力計測量系統(tǒng)

實驗所采用的鋼筋應(yīng)變計為振弦式鋼筋應(yīng)變計，鋼筋應(yīng)變計埋設(shè)在土層與土層之間界面上。根據(jù)工程勘察報告，鋼筋計安放位置如表2所示，其所在深度及鋼筋計橫截面布置如圖1所示。結(jié)合施工進度，選取關(guān)鍵施工節(jié)點(埋設(shè)鋼筋計、樁基施工、墩柱施工等)開展現(xiàn)場測試工作。

表2 鋼筋計位置

2.2 鋼筋應(yīng)力計采集結(jié)果

在每個測點鋼筋計埋設(shè)好后(未下鋼筋籠前)進行測量一次，并記錄在案，1號樁(即北岸樁)測量結(jié)果如表3所示。

表3 1號樁埋設(shè)鋼筋計初始測量結(jié)果(18.3.16)

按照施工進程，對施工完成后鋼筋計應(yīng)力進行監(jiān)測分析，其中測試結(jié)果如表4所示。

表4 1號樁完成后鋼筋計測量結(jié)果(18.3.29)

3 試驗測試結(jié)果分析

1)假定：同一截面鋼筋與混凝土的變形協(xié)調(diào)；樁頂下混凝土彈性模量相同；位于樁頂面以下1 m處的1-1截面所受軸力與加載量相同。

2)樁身范圍內(nèi)混凝土彈性模量Ecij的確定：將1-1截面作為標(biāo)定截面(i=1)，量測該截面鋼筋應(yīng)力計在施工過程中頻率變化值，用此推算各載荷等級下鋼筋應(yīng)變εs1j，由于假定混凝土與鋼筋協(xié)同受力，不出現(xiàn)裂縫，故混凝土應(yīng)變εc1j=εs1j，由此可以算出各載荷等級下樁身混凝土的彈性模量Ec1j。利用鋼筋應(yīng)變εs1j與樁身混凝土的彈性模量Ec1j的兩組數(shù)據(jù)可以擬合出關(guān)于兩者之間的相關(guān)關(guān)系，根據(jù)其余各截面在各載荷等級下鋼筋應(yīng)變εsij，再通過其相關(guān)關(guān)系可以得到各截面在各載荷等級下的Ecij。

3)某一截面樁身軸力PZj計算公式為：

PZj=ECjACjεCj+ESjASjεSj=(ECjACj+ESjASj)εSj

(1)

其中，ECj,ESj分別為混凝土彈性模量、鋼筋彈性模量(ES取200 GPa);ACj，ASj分別為同一截面處混凝土面積、鋼筋總面積；εCj，εSj分別為同一截面處混凝土與鋼筋的應(yīng)變。

4)鋼筋計受力的計算公式：

(2)

其中：

(3)

5)第i量測截面處在第j級荷載下的樁身軸力：

Pij=ECijACiεSij+ESASiεSij

(4)

6)樁側(cè)摩阻力計算fij：

(5)

其中，fij為i截面至i+1截面之間在第j級荷載量下的樁側(cè)摩阻力，kPa；Pij為i截面在j級荷載量下的軸力,kN;Ai為i截面至i+1截面之間的樁側(cè)面積，m2。

將平均鋼筋軸力PS與鋼筋彈性模量ES代入式(2)，就可以得出鋼筋計應(yīng)變。據(jù)此由式(4)計算出樁身軸力，如表5所示。同樣的，將各個截面平均軸力畫圖給出，如圖2所示。從圖2可知，靠近樁頂截面1軸力變化較大，其余各個截面軸力隨施工時間變化基本保持一致。這是由于上部墩柱施工導(dǎo)致樁頂附近荷載變化較大，而樁基深部敏感性較低導(dǎo)致。

將施工期間鋼筋計頻率平方F2統(tǒng)計計算鋼筋軸力，如表5所示(壓力為負)。將鋼筋軸力按截面深度繪圖，如圖2所示。由表5可知，整體上鋼筋軸力隨深度逐漸增大。從軸力數(shù)值來看，深部截面軸力水平很高。根據(jù)施工進度，該階段是鋼筋籠焊接與混凝土澆筑階段，樁中軸力變化主要是混凝土收縮及大直徑樁較大自重引起的。因此從樁頂?shù)綐兜祝炷恋淖灾仉S深度增大而增大，反映初期混凝土自重以及混凝土收縮導(dǎo)致的軸力異常。因此，下面計算時，需要扣除混凝土自重等因素的影響，對計算結(jié)果進行校核。

表5 施工期鋼筋軸力計算結(jié)果

總體來看，施工期間大直徑實心樁軸力隨深度逐漸增加，由自重應(yīng)力分布所決定。由于大直徑樁自重大，導(dǎo)致整體軸力處于較高水平。

由于施工前期上部結(jié)構(gòu)施工尚未完成，上部荷載水平較小，該樁截面軸力隨時間無明顯變化。

4 結(jié)語

本文以中派河大橋主墩大直徑樁工程為基礎(chǔ)，通過文獻調(diào)查、現(xiàn)場試驗等對大直徑實心樁進行綜合分析，為該項目確定了樁型，提供了必要的設(shè)計輔助支持，主要得到以下結(jié)論：

1)鉆孔灌注樁通常適用的土層為黏性土、砂黏土、砂土(含粉砂、細砂、中粗砂)及夾有少量礫石、卵石的土層、軟石層，此時大直徑樁通常按照摩擦樁設(shè)計；沉挖空心樁特別適用于山區(qū)砂卵石下含有不透水黏土的地層；而大直徑鉆埋空心樁適合樁端土極限承載力較大的地層(砂礫石、微風(fēng)化的軟巖)。大直徑鉆孔灌注樁施工工藝目前比較成熟，其流程較為簡單。大直徑管樁施工工藝不夠完善，且施工節(jié)段過多使得樁的整體性變差，另一方面也會增加鋼筋接頭數(shù)量，工序煩瑣且施工質(zhì)量難以控制。綜合分析，結(jié)合本工程地質(zhì)環(huán)境與施工條件，選用大直徑實心樁更佳。

2)總體來看，施工期間大直徑實心樁軸力隨深度逐漸增加，由自重應(yīng)力分布所決定。由于大直徑樁自重大，導(dǎo)致整體軸力處于較高水平。在試驗過程中，其軸力與變形處于安全狀態(tài)，表明該設(shè)計安全可靠。