郭 航,龔建伍

(1.武漢科技大學(xué),湖北 武漢 430070; 2.中建三局基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)投資有限公司,湖北 武漢 430070)

0 引言

自平衡測試技術(shù)是從鉆孔灌注樁試驗(yàn)發(fā)展起來的,其應(yīng)用領(lǐng)域已逐步擴(kuò)展到打入式鋼管樁、預(yù)制混凝土管樁、沉管灌注樁等。隨著自平衡技術(shù)在國內(nèi)的廣泛應(yīng)用[1],在相繼頒布的地方規(guī)程及最新的行業(yè)規(guī)范中也認(rèn)可了這種測試技術(shù)。JGJ 106—2014《建筑基樁檢測技術(shù)規(guī)范》在條文中規(guī)定:由于試樁荷載大或場地限制,有時(shí)很難甚至無法進(jìn)行單樁豎向抗壓承載力靜載檢測,有條件時(shí)可預(yù)埋荷載箱進(jìn)行樁端荷載試驗(yàn)。JT/T 738—2009《基樁靜載試驗(yàn)自平衡法》系統(tǒng)地規(guī)定了自平衡法的技術(shù)與要求。

自平衡試驗(yàn)最初是在樁端或樁身某個(gè)位置埋設(shè)單層荷載箱,但隨著超長樁的廣泛應(yīng)用,由于加載量或樁徑的限制,單層荷載箱已不能滿足工程試驗(yàn)的需要[2]。項(xiàng)目采用雙荷載箱試驗(yàn)方式[3],為確保試驗(yàn)樁位置地層參數(shù)的準(zhǔn)確性,采用工程樁位作為試驗(yàn)樁位,后期擬采取措施對(duì)試驗(yàn)樁進(jìn)行加固處理,研究其是否可作為工程樁繼續(xù)使用;為減少施工過程中對(duì)檢測裝置的影響及確保試驗(yàn)的準(zhǔn)確性,項(xiàng)目在試驗(yàn)中對(duì)荷載箱的安裝細(xì)節(jié)進(jìn)行優(yōu)化,并對(duì)荷載箱位置和檢測方式進(jìn)行研究分析,在滿足檢測要求的前提下為后續(xù)自平衡靜載試驗(yàn)提供改進(jìn)參考[4]。

1 工程概況

1.1 樁基設(shè)計(jì)

項(xiàng)目所在區(qū)段位于江漢平原,地貌單元為長江一級(jí)階地,上部地層為1.5～20m厚軟土,下部地層主要為砂層,橋梁樁基擬采用鉆孔灌注樁,樁徑為1.8～2.0m,初步估算樁長為45～80m。

1.2 地層巖性

根據(jù)地調(diào)及鉆探結(jié)果,橋址區(qū)地層主要為第四系沖湖積成因淤泥質(zhì)土、沖洪積成因一般黏性土、砂層等。其野外地質(zhì)特征自地表往下,按路線統(tǒng)一分層,其特征如表1所示。

1.3 水文地質(zhì)條件

橋址區(qū)地下水主要為第四系淺表填土中的上層滯水和砂土層中的孔隙水,前者主要賦存于填土中,無統(tǒng)一自由水面,總體水量貧乏;孔隙水賦存于場區(qū)砂土層中,含水層上部局部覆蓋有微～弱透水的黏性土,含水層頂板埋深15.4～20.4m。此層地下水豐富,徑流性好,與通順河水力聯(lián)系密切,主要接受河水側(cè)向徑流補(bǔ)給。根據(jù)臨近工程經(jīng)驗(yàn),場地地下水位埋深為1.8～2.6m。

2 雙荷載箱自平衡檢測試驗(yàn)方案

2.1 試驗(yàn)系統(tǒng)

主要裝置是一種特制的荷載箱[5],與鋼筋籠相接置于樁身下部,如圖1所示。荷載箱預(yù)先放置在樁身指定位置,將其高壓油管和位移桿引到地面(平臺(tái))。由高壓油泵在地面(平臺(tái))向荷載箱充油加載,荷載箱將力傳遞到樁身,其上部極限樁側(cè)摩阻力及自重與下部極限樁側(cè)摩阻力及極限樁端阻力相平衡來維持加載,根據(jù)向上、向下Q-s曲線判斷樁基承載力。

圖1 自平衡靜載試驗(yàn)示意Fig.1 Self-balancing static load test

2.2 測試儀器設(shè)備

1)荷載箱

每根試樁采用2個(gè)環(huán)形荷載箱。組成荷載箱的千斤頂經(jīng)法定檢測單位標(biāo)定。荷載箱額定加載值對(duì)應(yīng)的油壓值不宜大于45MPa,最大單向加載值對(duì)應(yīng)的油壓值不大于55MPa。采用油壓表測定油壓,根據(jù)荷載箱率定曲線換算荷載[6]。

2)位移量測裝置

電子位移傳感器量程50mm(可調(diào)),每根樁用6支,通過磁性表座固定在基準(zhǔn)鋼梁上(見圖2),用于量測樁身荷載箱處向上、向下位移和樁頂位移。每根樁使用8組位移護(hù)管和位移桿。位移護(hù)管可使用聲測管材料(不同于聲測管,位移護(hù)管需額外布置),位移桿用外徑20mm、壁厚3mm的螺紋套筒連接。

圖2 基準(zhǔn)梁示意Fig.2 Reference beam

3)試樁設(shè)計(jì)

在試樁內(nèi)安放上、下2個(gè)荷載箱,將樁分成上、中、下3部分(見圖3),滿足如下條件:Q下≤Q上+Q中,Q中≤Q上,Q下+Q中≥Q上。下層荷載箱以上樁端自重及樁側(cè)摩阻力之和應(yīng)大于其下樁段的樁側(cè)摩阻力及樁端阻力之和,上層荷載箱以上樁段自重及樁側(cè)摩阻力之和大于2層荷載箱之間樁段的樁側(cè)摩阻力,同時(shí)上層荷載箱以下樁段的樁側(cè)摩阻力及樁端阻力之和大于上層荷載箱以上樁段自重及樁側(cè)摩阻力之和[6]。測試順序?yàn)?先進(jìn)行下荷載箱測試,主要目的是測試樁端阻力和下段樁側(cè)阻力,然后進(jìn)行上荷載箱測試,首先測試出中段樁承載力,然后關(guān)閉下荷載箱,下段樁可提供反力,繼續(xù)加載,測試出上段樁承載力。

圖3 雙荷載箱位置示意Fig.3 Position of double load box

4)荷載箱埋設(shè)位置及加載值

依據(jù)樁基施工工藝、地層分布情況及室內(nèi)土工試驗(yàn),假設(shè)荷載箱埋于某地層中,計(jì)算樁基上、下段樁側(cè)摩阻力,樁端阻力及上段樁自重,通過試算找出試樁平衡點(diǎn)[7]。經(jīng)計(jì)算,2根試樁的荷載箱埋設(shè)位置如表2所示。

表2 荷載箱至樁端距離及加載值Table 2 Distance from load box to pile end and load value

5)荷載箱與鋼筋籠的連接優(yōu)化

①增設(shè)L形加強(qiáng)筋 由于荷載箱和下段鋼筋籠的質(zhì)量較大,僅靠主筋與荷載箱的焊接強(qiáng)度不能承擔(dān)此質(zhì)量,分別在荷載箱的頂部和底部主筋焊接處增設(shè)L形加強(qiáng)筋。②增設(shè)導(dǎo)向鋼筋 為了灌注混凝土?xí)r導(dǎo)管能順利通過荷載箱,在荷載箱上、下設(shè)置喇叭狀的導(dǎo)向鋼筋,避免導(dǎo)管直接碰撞荷載箱,影響其埋設(shè)質(zhì)量。另外,試驗(yàn)過程中靠近荷載箱處受力較大,喇叭筋同時(shí)起加強(qiáng)作用。荷載箱與鋼筋籠連接優(yōu)化如圖4所示。

圖4 荷載箱與鋼筋籠連接優(yōu)化示意Fig.4 Optimization of connection between load box and reinforcement cage

6)加、卸載分級(jí)設(shè)置

將試樁預(yù)估最大加載值均分10級(jí)加載,其中每一級(jí)加載量取分級(jí)荷載的2倍;每級(jí)卸載量為加載時(shí)分級(jí)荷載的2倍。加卸載均勻連續(xù),每級(jí)荷載在維持過程中變化幅度不超過分級(jí)荷載的10%[8]。加載分級(jí)如表3所示。

表3 加載分級(jí)Table 3 Load classification kN

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 位移觀測

位移觀測采用慢速維持荷載法。每級(jí)加(卸)載后第1h內(nèi)在第5,10,15,30,45,60min測讀位移,以后每隔30min測讀一次,達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定后方可加(卸)下一級(jí)荷載。卸載到0后觀測2h,測讀時(shí)間間隔同加載時(shí)間間隔[9]。SZ1,SZ2位移匯總?cè)绫?～7所示。

表4 SZ1位移匯總(下段樁)Table 4 Summary of SZ1 displacement (lower section pile)

表5 SZ1位移匯總(上段樁)Table 5 Summary of SZ1 displacement (upper pile section)

表6 SZ2位移匯總(下段樁)Table 6 Summary of SZ2 displacement (lower section pile)

表7 SZ2位移匯總 (上段樁)Table 7 Summary of SZ2 displacement(upper pile section)

3.2 檢測過程數(shù)據(jù)分析

1)SZ1

SZ1Q-s曲線如圖5所示。由圖5可知,下荷載箱加載至2×6 300kN時(shí),荷載箱下段位移增量大于前級(jí)增量的5倍,且位移總量超過40mm,向下的曲線出現(xiàn)明顯陡變,故終止加載;上荷載箱加載至2×7 000kN 時(shí),已達(dá)到設(shè)計(jì)要求的最大加載量,且荷載箱上、下位移達(dá)到穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn),故終止加載。該樁下段樁極限加載值為5 670kN,中段樁極限加載值為 7 000kN, 上段樁極限加載值為7 000kN。

圖5 SZ1 Q-s曲線Fig.5 Q-s curve of SZ1

2)SZ2

SZ2Q-s曲線如圖6所示。由圖6可知,下荷載箱加載至2×4 000kN時(shí),已達(dá)到設(shè)計(jì)要求的最大加載量,且荷載箱上、下位移達(dá)到穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn),故終止加載;上荷載箱加載至2×6 400kN時(shí),已達(dá)到設(shè)計(jì)要求的最大加載量,且荷載箱上、下位移達(dá)到穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn),故終止加載。該樁下段樁極限加載值為4 000kN,中段樁極限加載值為6 400kN,上段樁極限加載值為6 400kN。

圖6 SZ2 Q-s曲線Fig.6 Q-s curve of SZ2

3)檢測結(jié)果(見表8)

表8 檢測結(jié)果Table 8 Test results

單樁的極限承載力按照下式進(jìn)行計(jì)算:

(1)

式中:Qu為單樁豎向承載力特征值;Quu為上段樁的極限加載值;Qum為中段樁的極限加載值;Qud為下段樁的極限加載值;W為上段樁的自重與附加質(zhì)量之和;γi為樁的修正系數(shù),γ黏性土、粉土=0.8,γ砂土=0.7,γ巖土=1,若上部有不同類型的土層,γi取加權(quán)平均值(根據(jù)勘測資料,經(jīng)加權(quán)計(jì)算γ1=0.79,γ2=0.78)。

3.3 試樁與工程樁的轉(zhuǎn)換

試驗(yàn)完成后,擬通過預(yù)埋管對(duì)荷載箱處進(jìn)行壓力注漿,借助一定的樁檢方式研究分析試驗(yàn)樁是否可作為工程樁使用。

1)注漿位置 荷載箱打開位置為下連接板處,通過特制的位移管可在打開處預(yù)留注漿孔,進(jìn)行荷載箱測試后樁體間隙及周邊注漿。

2)注漿工藝 將所有注漿管打開,其中一根注入清水,待其他注漿管均流出清水后,改注水泥漿;待其他注漿管均流出水泥漿后,將出漿管封管,開始荷載箱注漿。

3)注漿參數(shù) 注漿材料采用強(qiáng)度等級(jí)為42.5以上的水泥,漿液的水灰比宜為0.50～0.55,并摻入一定量微膨脹劑,確保漿體強(qiáng)度達(dá)到樁身強(qiáng)度要求,無收縮。注漿量根據(jù)現(xiàn)場試驗(yàn)確定,原則上不小于荷載箱張開體積的2倍。注漿流量≤75L/min,注漿壓力為2.0MPa,持續(xù)時(shí)間為5min。

4 結(jié)語

通過試樁結(jié)果分析,得到如下結(jié)論。

1)雙荷載箱靜載試驗(yàn)可適用于復(fù)合地層下的大直徑、超長樁基極限承載力檢測。

2)荷載箱位置的細(xì)節(jié)優(yōu)化為樁基的順利灌注和靜載試驗(yàn)的成功操作提供了支撐。

3)分級(jí)加載得出的極限承載力基本上能準(zhǔn)確反映樁基的實(shí)際極限承載力。

并提出如下建議。

1)在滿足時(shí)間要求的前提下,分級(jí)次數(shù)盡量加大,得出的承載力容許值會(huì)更接近實(shí)際。

2)后續(xù)對(duì)試樁的加固處理還需進(jìn)行進(jìn)一步研究分析,需通過合理的樁檢方式檢驗(yàn)注漿加固的完整性,以滿足作為工程樁的條件。