摘 要:結(jié)合檢測工況對(duì)測試數(shù)據(jù)的影響,對(duì)自平衡“精確轉(zhuǎn)換法”進(jìn)行改進(jìn),提出摩擦樁位移協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)換法和嵌巖樁的荷載協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)換法,實(shí)際應(yīng)用結(jié)果說明兩種轉(zhuǎn)換方法合理。所得測試結(jié)果表明湄公河大橋樁基承載力符合設(shè)計(jì)要求;分析湄公河大橋試樁的側(cè)摩阻力和端承力分布,嵌巖樁和摩擦樁縱向承載均以側(cè)阻力為主。
關(guān)鍵詞:樁基;自平衡試驗(yàn);轉(zhuǎn)換方法;嵌巖樁;摩擦樁
中圖分類號(hào):TU473 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號(hào):1674-4764(2015)02-0039-08
基樁承載力的自平衡試驗(yàn)方法是20世紀(jì)80年代末形成的新型樁基靜載測試技術(shù)[1-2],首先在歐美和東亞得到應(yīng)用[3-5],此后,中國也開始研究和應(yīng)用該項(xiàng)技術(shù)[4,6],制訂行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[7],并在南京長江三橋等一些重大工程中應(yīng)用該測樁技術(shù)[8-11]。
Q-S曲線向P-S曲線的轉(zhuǎn)換方法是樁基自平衡檢測技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵,也是自平衡法檢測理論研究的重點(diǎn)。轉(zhuǎn)換方法研究的主要問題包括:樁土(巖)關(guān)系及其計(jì)算模型的影響,上段樁Q-S曲線轉(zhuǎn)換結(jié)果與下段樁Q-S曲線的疊加關(guān)系,以及檢測工況對(duì)Q-S及轉(zhuǎn)換結(jié)果的影響等。
受檢測工況和樁土(巖)關(guān)系等因素的影響,樁基自平衡測試中荷載傳遞情況與樁實(shí)際承載時(shí)的存在一定差異;又由于實(shí)際地質(zhì)條件下的巖土種類和性狀的多樣性,樁土(巖)關(guān)系及其計(jì)算模型也有所區(qū)別,需要研究有針對(duì)性的轉(zhuǎn)換方法。目前,中國圍繞土體性質(zhì)和樁土間荷載傳遞以及自平衡轉(zhuǎn)換問題的研究有:齊靜靜等[12]的濕陷性黃土的濕陷性下沉及負(fù)摩阻力影響,樁承載力和位移的轉(zhuǎn)換公式研究;熊巨華等[13]根據(jù)彈性和塑性硬化特征,利用樁土側(cè)摩阻力雙折線模型和樁端土的三折線模型的轉(zhuǎn)換方法;朱向榮等[14]對(duì)土體連續(xù)性的影響及超長樁轉(zhuǎn)換方法改進(jìn)的研究。多層土質(zhì)地質(zhì)情況下自平衡測試結(jié)果轉(zhuǎn)換方法同樣值得關(guān)注。
在嵌巖樁應(yīng)用自平衡方法的應(yīng)用基礎(chǔ)和工程實(shí)踐的研究方面,聶如松等[15]運(yùn)用Mindlin應(yīng)力解和疊加原理求解,研究避免引進(jìn)經(jīng)驗(yàn)系數(shù)的等效轉(zhuǎn)換方法等;高平等[16]和龔成中等[17]進(jìn)行了軟巖條件下試樁自平衡檢測的研究;龔成中等[18]還分析孔壁特征對(duì)樁的承載特性的影響,Charles等[19]、符勇等[20]則就樁身參數(shù)對(duì)荷載傳遞影響,和大直徑嵌巖樁承載特性進(jìn)行研究;Williams等[21]研究了不同巖性對(duì)側(cè)摩阻力的影響;曹漢志[22]認(rèn)為一定條件下傳遞函數(shù)可采用全塑模型,龔成中嘗試將該模型用于自平衡轉(zhuǎn)換中。對(duì)于巖貌較完整、巖性良好條件下的嵌巖樁,一般設(shè)計(jì)為端承樁,較難進(jìn)行自平衡檢測,隨著對(duì)抗震和防側(cè)推等問題的重視,設(shè)計(jì)深嵌巖樁的工程增多,進(jìn)行自平衡方法在嵌巖樁檢測中的應(yīng)用也相當(dāng)重要。
胡曉波,等:嵌巖樁與多層土質(zhì)構(gòu)造下摩擦樁的自平衡法測試
在轉(zhuǎn)換方法的疊加關(guān)系問題上有經(jīng)驗(yàn)法和精確轉(zhuǎn)換法。在經(jīng)驗(yàn)法的研究中,鮑育明等[23]針對(duì)等位移法在疊加兩段樁Q-S為P-S結(jié)果時(shí),因荷載箱位置影響的上、下段樁Q-S曲線不對(duì)稱,引起P-S曲線不完整和判斷極限承載力困難的問題進(jìn)行研究,并提出通過修正系數(shù)(λ1、λ2)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)化的等荷載法。文獻(xiàn)[6]的精確轉(zhuǎn)換法和JT/T 738—2009所給“樁身軸向力實(shí)測值”情況的轉(zhuǎn)換,則將試樁分割成n單元(樁段),逐段推算至上段樁的樁頭(樁端)位移(Si0),按Si0和下段樁樁頭(荷載箱處)的位移(Si2)協(xié)調(diào)原則和疊加方法,獲得整樁的P-S轉(zhuǎn)換結(jié)果。
檢測工況的影響,除荷載傳遞和文獻(xiàn)[23]涉及的Q-S曲線對(duì)稱性問題外,還有環(huán)境溫度變化及施工干擾的影響。溫度波動(dòng)和施工的影響主要在于實(shí)測位移量的偏差,及其引起的Q-S曲線的形狀及轉(zhuǎn)換后P-S關(guān)系的精度,這種影響在位移量較小的情況下不可忽略,如嵌巖樁的檢測等。
總之,按照J(rèn)T/T 738—2009進(jìn)行試樁檢測已相當(dāng)普遍,但仍有多種檢測工況影響下的檢測和轉(zhuǎn)換方法有待細(xì)化。
1 嵌巖樁與多層土地質(zhì)構(gòu)造下摩擦樁的等效轉(zhuǎn)換方法
基于樁土荷載傳遞的彈全塑模型和軟化模型的理想塑性和軟化特征,參照文獻(xiàn)[6]的位移協(xié)調(diào)法和文獻(xiàn)[23]的等荷載法,結(jié)合摩擦樁和嵌巖樁檢測工況與實(shí)測Q-S曲線特征,在湄公河大橋樁基檢測中采用如下P-S曲線轉(zhuǎn)換處理方法。
1.1 摩擦樁位移協(xié)調(diào)法
摩擦樁位移協(xié)調(diào)法即根據(jù)自平衡結(jié)果,以加載值(Qi1/γ)作為傳統(tǒng)靜載的樁頂加載值Pi,并設(shè)自平衡法所測上段樁的Si1為對(duì)應(yīng)的樁頂位移(Si),按自平衡加載級(jí)次i(i=1,2,…,m),逐段推算位移和軸力傳遞至上段樁的樁端位移(Si0)和軸力(Qi0),獲得Si0-Qi0關(guān)系;按位移(Si0)與下段樁樁頭位移(Si2)協(xié)調(diào)連續(xù)為條件,確定樁頂荷載傳至下段樁,通過下段樁Qi2和Si2的疊加方法,獲得整樁的P-S轉(zhuǎn)換,P-S曲線由轉(zhuǎn)換得到的(Pk,Sk)點(diǎn)繪得,k=1,2,…,n,m≤n≤2m。
其中,逐段推算位移(Si0)和軸力(Qi0)時(shí),設(shè)樁土側(cè)摩阻力關(guān)系為理想塑性狀態(tài),則推算所需的樁土側(cè)摩阻力的取值是,樁側(cè)土位移達(dá)到極限值前采用實(shí)測結(jié)果;達(dá)到極限值后,繼續(xù)取極限側(cè)摩阻力值計(jì)算。
位移(Si0)與下段樁樁頭位移(Si2)協(xié)調(diào)連續(xù)條件,即轉(zhuǎn)換為傳統(tǒng)靜載時(shí)上、下段樁在平衡點(diǎn)處的位移協(xié)調(diào)相同。協(xié)調(diào)連續(xù)方法是:若荷載箱處于實(shí)際平衡點(diǎn),或略偏上情況,當(dāng)i=j≤m時(shí),Sj0≥S12,即可順利地將上、下段的承載力疊加獲得Pj;若荷載箱低于實(shí)際平衡點(diǎn),當(dāng)j=m時(shí),則可能Sm0
疊加關(guān)系處理是轉(zhuǎn)換的荷載(位移)傳至下段樁時(shí),以Si2-Qi2為基礎(chǔ),疊加上段樁對(duì)應(yīng)的承載力和彈性變形,獲得樁頂P和S的處理方法。疊加關(guān)系為
式中:γ為JT/T 738—2009所給修正系數(shù);L為上段樁樁長;Ep為上段樁彈性模量;Ap為上段樁彈性截面面積;其余符號(hào)同前;上標(biāo)t表示荷載傳至下段樁后,Pk的后續(xù)加載級(jí)次,j
實(shí)際檢測中不同巖土層和浸水浮力的影響、承載力確定等問題,仍按JT/T 738—2009的規(guī)定和方法處理。
以Pi、Si和Pt、St作為Pk、Sk,繪制P-S曲線
1.2 嵌巖樁荷載協(xié)調(diào)法
同摩擦樁位移協(xié)調(diào)法,以加載值(Qi1/γ)作為Pi,逐段推算上段樁的樁端軸力(Qi0)和位移(Si0),獲得Qi0-Si0關(guān)系;按軸力(Qi0)與下段樁樁頭軸力(Qi2,即荷載箱加載值)協(xié)調(diào)連續(xù)為條件,確定樁頂荷載傳至下段樁,通過疊加方法,獲得整樁的P-S轉(zhuǎn)換,同樣,P-S曲線由轉(zhuǎn)換得到的(Pk,Sk)點(diǎn)繪得。
其中,設(shè)樁巖側(cè)摩阻力關(guān)系為理想摩擦,則逐段推算樁頭(樁端)軸力(Qi0)時(shí),達(dá)到極限值前,樁巖側(cè)摩阻力采用實(shí)測結(jié)果;達(dá)到極限值后,繼續(xù)取極限土-巖側(cè)摩阻力值計(jì)算。
軸力(Qi0)與下段樁樁頭軸力(Qi2)協(xié)調(diào)連續(xù),即以Qi0和Qi2對(duì)應(yīng)相等為條件,實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)靜載下平衡點(diǎn)處的Qi0-Si0和Qi2-Si2的連續(xù)。連續(xù)方法是:若荷載箱處于實(shí)際平衡點(diǎn),或偏上情況,當(dāng)i=j≤m時(shí),Qj0≥Q12,即可將上、下段的承載力對(duì)應(yīng)疊加獲得Pj;若荷載箱低于實(shí)際平衡點(diǎn),當(dāng)j=m時(shí),則可能Qm0< Q12,若Qm0>0,仍可將上、下段的承載疊加獲得Pj;如若Qm0=0,則按Qm0和Q12線性連續(xù),插入Q-S點(diǎn)使上、下段樁荷載傳遞,再疊加獲得Pj。
因巖石情況γ=1,荷載(位移)傳至下段樁時(shí)樁頂P和S的疊加計(jì)算式為
2 等效轉(zhuǎn)換方法在湄公河大橋樁基測試中的應(yīng)用
2.1 橋址地質(zhì)概況和試樁測試參數(shù)
湄公河大橋是昆曼公路跨越老撾會(huì)曬與泰國清孔間湄公河的關(guān)鍵工程,為五跨四墩的預(yù)應(yīng)力混凝土現(xiàn)澆連續(xù)箱梁橋。橋的起止樁號(hào)為:SAT.4+978.565 ~SAT.5+458.565,主橋全長480 m,橋面標(biāo)準(zhǔn)橫斷面為主線雙向2車道。橋址處的湄公河位于山塹式?jīng)_積平原邊緣,微地貌為:左岸(老撾會(huì)曬側(cè))為山腳下覆有砂黏土的基巖斜坡;右岸(泰國清孔側(cè))為沖積平原的漫灘和河岸。主橋四墩中M7墩基礎(chǔ)位于清孔側(cè)河岸,M10墩基礎(chǔ)位于會(huì)曬側(cè)河岸;M8和M9的墩基礎(chǔ)分別位于主航道兩側(cè)。M7和M8墩的地質(zhì)情況為砂黏土、粉砂、砂礫、砂卵石夾泥和硬黏土組成的多層式地層構(gòu)造,M9和M10墩為覆有砂土的高度至中度風(fēng)化流紋凝灰?guī)r地質(zhì)條件。橋墩為群樁基礎(chǔ),樁徑均設(shè)計(jì)為1.5 m,依據(jù)地質(zhì)情況設(shè)計(jì)有嵌巖樁和摩擦樁兩種,各樁樁長不等。所測四根樁中,摩擦樁:M7-B3樁頂標(biāo)高341.1 m,樁底標(biāo)高296.1 m, M8-B2樁頂標(biāo)高341.6 m,樁底標(biāo)高286.7 m;嵌巖樁:M9-B5樁頂標(biāo)高341.6 m,樁底標(biāo)高317.5 m,M10-A4樁頂標(biāo)高341.6 m,樁底標(biāo)高 324.2 m。其中M8和M9為高樁基承臺(tái)墩,且各樁施工時(shí)均加有長度不一的鋼護(hù)筒,樁的有效承載樁長有所不同。施工采用沖擊鉆孔-灌注成樁工藝。各試樁的地質(zhì)情況見表1。
為測試試樁各段軸力及樁土(巖)的側(cè)摩阻力,在各巖土層界面設(shè)置應(yīng)變計(jì),當(dāng)土(巖)層較厚或較薄時(shí)增減應(yīng)變計(jì)設(shè)置,各試樁的應(yīng)變計(jì)布置如表3。各截面對(duì)稱布置4個(gè)應(yīng)變計(jì),應(yīng)變計(jì)為振弦式混凝土應(yīng)變計(jì)。由測取的樁身應(yīng)變,和樁身剛度(彈性模量)計(jì)算軸力。限于工地試驗(yàn)條件,混凝土和鋼筋(鋼護(hù)筒)彈性模量參照GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》所給對(duì)應(yīng)等級(jí)的數(shù)據(jù)取值。
2.2 試樁檢測情況和結(jié)果
各試樁均在混凝土灌注成樁達(dá)到齡期后檢測,采用慢速維持荷載法進(jìn)行加載測試,試樁的加載量按檢測加載設(shè)計(jì)值的1/10進(jìn)行,第1級(jí)加載為兩倍分級(jí)荷載,卸載按5級(jí)進(jìn)行。
2.2.1 試樁Q-S曲線的測試結(jié)果 測試所得M7-B3、M8-B2、M9-B5和M10-A4的Q-S曲線如圖1、圖2、圖3和圖4。
M7-B3和M8-B2同為摩擦樁,圖1和圖2顯示兩樁的Q-S曲線為緩變型曲線,加載至設(shè)計(jì)值,兩試樁中上、下段樁的最大位移值分別為18.60 mm和20.68 mm,小于終止加載條件的要求。圖3和圖4所示M9-B5和M10-A4的Q-S曲線同樣為緩變型曲線,兩試樁對(duì)應(yīng)最大加載設(shè)計(jì)值的上、下段樁位移讀數(shù)的最大值顯示為4.29 mm。
受樁位地質(zhì)條件差異及對(duì)應(yīng)平衡點(diǎn)選擇的影響,M7-B3和M8-B2試樁的Q-S曲線上、下段不完全對(duì)稱。同樣,圖3和圖4所示M9-B5和M10-A4的Q-S曲線存在不完全對(duì)稱問題。自平衡方法在實(shí)際測試中獲得不對(duì)稱Q-S曲線應(yīng)該是較為普遍現(xiàn)象。
圖3和圖4所示的Q-S曲線還顯示位移測讀結(jié)果的影響,表現(xiàn)為M9-B5樁和M10-A4樁的Q-S曲線出現(xiàn)不連續(xù)性。該不連續(xù)現(xiàn)象來源于位移值的波動(dòng)偏差,位移值的偏差在樁基靜載檢測中同樣是普遍問題,來源于位移測讀裝置和環(huán)境條件,自平衡試驗(yàn)主要是溫度變化引起基準(zhǔn)梁變形的影響。相對(duì)而言,摩擦樁的位移沉降量較大,可以忽略其影響,但嵌巖樁則不同,嵌巖樁在加載中發(fā)生的真實(shí)位移量小,位移量偏差接近樁的加載位移,所以,M9-B5和M10-A4樁Q-S曲線呈明顯的不連續(xù)性。
2.2.2 試樁側(cè)摩阻力位移關(guān)系的測試結(jié)果 測試側(cè)摩阻力位移關(guān)系是樁基靜載試驗(yàn)的重要內(nèi)容,也是自平衡測試技術(shù)進(jìn)行精確轉(zhuǎn)換的條件之一。根據(jù)測得應(yīng)變和位移,并考慮各單元樁段的自重(或浮重)等構(gòu)造因素,和上段樁類似抗拔樁的側(cè)摩阻力位移關(guān)系,按JT/T 738—2009所列系數(shù)和方法予以修正,獲得M7-B3、M8-B2、M9-B5和M10-A4樁在荷載作用下的各段側(cè)摩阻力位移關(guān)系。試樁各段最大側(cè)阻力與對(duì)應(yīng)位移列于表4。由于溫度引起的基準(zhǔn)梁變形對(duì)位移測試結(jié)果的影響,進(jìn)而影響所得試樁各段的側(cè)摩阻力位移曲線。相對(duì)位移量較大的摩擦樁,溫度等因素引起的位移量偏差占嵌巖樁的位移量的比例較高,所得嵌巖樁各段對(duì)應(yīng)摩阻力的位移量偏差較明顯,由表4中M9-B5和M10-A4樁的位移可以見得。
自荷載箱向上段樁和下段樁的樁端(頂)達(dá)到所測最大側(cè)阻力時(shí),各樁段的中點(diǎn)位移逐漸減小,表明樁土(巖)的荷載作用具有傳遞特征,這與樁基承載的一般規(guī)律一致。側(cè)摩阻力位移關(guān)系還表明,本文的轉(zhuǎn)換方法中采用的理想塑性和理想摩擦假設(shè),基本合理。
表4結(jié)果還表明:所測各試樁在不同巖(土)層的側(cè)摩阻力位移關(guān)系總體變化和趨勢與既有研究結(jié)果基本符合,與JTG D63—2007《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》所列土層側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值,及巖層側(cè)阻力推算值(220 kPa)比較接近。
2.3 試樁檢測結(jié)果分析與討論
2.3.1 試樁Q-S曲線等效轉(zhuǎn)換為P-S曲線 依據(jù)圖1~圖4所得Q-S和樁側(cè)摩阻力位移關(guān)系,并考慮各段樁剛度、滲水浮力和轉(zhuǎn)換修正系數(shù)的差異,其中,M7-B3試樁計(jì)算中考慮了粉土和砂土層的轉(zhuǎn)換修正系數(shù)(取γ=0.8),M8-B2試樁砂土層的轉(zhuǎn)換修正系數(shù)取γ=0.7,按上述摩擦樁位移協(xié)調(diào)法和嵌巖樁荷載協(xié)調(diào)法,分別獲得M7-B3和M8-B2摩擦樁,M9-B5和M10-A4嵌巖樁的P-S曲線,如圖5、圖6、圖7和圖8所示。
確定平衡點(diǎn)是自平衡方法的難點(diǎn)和關(guān)鍵,平衡點(diǎn)既影響Q-S曲線的對(duì)稱性,又對(duì)等效轉(zhuǎn)換為P-S曲線產(chǎn)生影響,由圖1~圖8可見其影響。在摩擦樁位移協(xié)調(diào)時(shí),按逐級(jí)加載推算的上段樁的樁端位移(Si0)與下段樁樁頭位移(Si2)的協(xié)調(diào),得到的P-S曲線中就會(huì)出現(xiàn)(Pk,Sk)點(diǎn)非等步現(xiàn)象,如圖5和圖6。在平衡點(diǎn)選擇合適或偏下時(shí),轉(zhuǎn)換容易進(jìn)行;當(dāng)平衡點(diǎn)偏高,下段樁的向下位移較小,如M8-B2樁(圖2),則需以Q-S測試中i級(jí)加載時(shí)相應(yīng)側(cè)摩阻力位移結(jié)果,獲得上、下樁在i+1級(jí)時(shí)的(Pk,Sk),獲得完整P-S曲線(圖6中第11點(diǎn))。因本文所取側(cè)摩阻力位移的值較小,所得承載力(P)較小,位移(S)略大,該結(jié)果應(yīng)偏于保守,嵌巖樁荷載協(xié)調(diào)法的非等步現(xiàn)象不突出。
圖5~圖8所示的測點(diǎn)(Pk,Sk)偏差,引起P-S曲線的波動(dòng)連續(xù),主要受位移測讀偏差等檢測工況因素的影響,不影響結(jié)果的合理。
總之,摩擦樁通過采用位移協(xié)調(diào)法轉(zhuǎn)換可以獲得較完整的P-S曲線,嵌巖樁采用荷載協(xié)調(diào)法,減少和避免位移讀數(shù)偏差對(duì)轉(zhuǎn)換P-S曲線的影響,便于對(duì)試樁承載能力檢測和設(shè)計(jì)加載極限下試樁豎向承載特性分析。轉(zhuǎn)換所得各試樁P-S曲線與傳統(tǒng)測試結(jié)果相符合。
2.3.2 試樁豎向承載力和承載特性分析 根據(jù)前述各測試結(jié)果,按承載力公式和位移公式,進(jìn)一步計(jì)算分析樁基豎向承載力和承載特性,結(jié)果列于表5。
數(shù)據(jù)結(jié)果表明:湄公河大橋主橋各試樁的承載力均達(dá)到設(shè)計(jì)要求。承載特性為:摩擦樁M7-B3和M8-B2的樁端阻力為樁承載力的5.4%和3.6%,嵌巖段總側(cè)阻力為樁承載力的94.6%和96.4%;嵌巖樁M9-B5和M10-A4的樁端阻力為樁承載力的8.2%和6.6%,嵌巖段總側(cè)阻力為樁承載力的91.8%和95.4%。嵌巖樁的樁端承載力偏低,因橋墩處流紋巖力學(xué)性能好于預(yù)計(jì),嵌巖樁的端承作用沒有發(fā)揮,就豎向承載力而言設(shè)計(jì)偏于保守,但對(duì)樁的抗震和抗滑坡側(cè)推有利。
3 結(jié)論
歸納摩擦樁位移協(xié)調(diào)法和嵌巖樁荷載協(xié)調(diào)法在湄公河大橋樁基承載力檢測中應(yīng)用和研究,主要得到以下幾點(diǎn)結(jié)論:
1)對(duì)于多層土質(zhì)的地質(zhì)條件下,樁基靜載試驗(yàn)采用的理想塑性假設(shè),由上而下推算上段樁的荷載和位移傳遞,摩擦樁按位移協(xié)調(diào)的疊加轉(zhuǎn)換方法,合理且簡便可行。
2)受多因素的影響,樁基靜載試驗(yàn)中樁的加載位移存在偏差,影響測試結(jié)果。對(duì)于加載位移較小的嵌巖樁,按理想摩擦假設(shè),和荷載協(xié)調(diào)進(jìn)行疊加轉(zhuǎn)換,可減少位移偏差影響,轉(zhuǎn)換結(jié)果可靠,方法適用。
3)湄公河大橋主橋各墩的樁承載力均達(dá)到設(shè)計(jì)要求。承載特性分析表明,摩擦樁和嵌巖段縱向承載均以側(cè)阻力為主。
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(編輯 王秀玲)