自平衡試樁法在港口碼頭鋼管復(fù)合樁中的應(yīng)用

戴國亮 ，龔維明 ，王磊 ，朱文波

（1.東南大學(xué)混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210096；2.東南大學(xué)土木工程學(xué)院，江蘇 南京 210096；3.南京東大自平衡樁基檢測有限公司，江蘇 南京 210096）

自平衡試樁法在港口碼頭鋼管復(fù)合樁中的應(yīng)用

戴國亮1，2，龔維明1，2，王磊2，3，朱文波2

（1.東南大學(xué)混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210096；2.東南大學(xué)土木工程學(xué)院，江蘇 南京 210096；3.南京東大自平衡樁基檢測有限公司，江蘇 南京 210096）

在港口碼頭的基樁豎向承載力檢測中，經(jīng)常遇到場地條件、加載噸位受限的情況，導(dǎo)致傳統(tǒng)靜載荷試驗(yàn)無法開展。自平衡試樁法能夠適用于各種試驗(yàn)場地，可測試大噸位，試驗(yàn)方便，費(fèi)用低廉，可較好解決港口碼頭傳統(tǒng)靜載方法受限等問題。選取港口碼頭6根鋼管復(fù)合樁進(jìn)行自平衡試樁介紹。結(jié)果表明：文中所述的自平衡試樁向傳統(tǒng)靜載試驗(yàn)結(jié)果換算的理論可靠，自平衡試樁法測出樁基承載力與規(guī)范計(jì)算結(jié)果相差20%左右，自平衡測試結(jié)果略大于規(guī)范值。通過自平衡試樁法在港口碼頭上的成功應(yīng)用，表明該方法在港口碼頭試樁中具有廣泛的應(yīng)用前景。

自平衡法；樁承載力；港口碼頭；鋼管復(fù)合樁

0 引言

鋼管復(fù)合樁是港口碼頭工程中主要樁型之一，多年來鋼管復(fù)合樁被廣泛應(yīng)用于我國華東、華南沿海港口碼頭工程。單樁靜載荷試驗(yàn)是確定單樁承載力的一種最基本的也是最可靠的方法，是分析樁在荷載作用下樁基承載力的重要手段。測試基樁承載力的傳統(tǒng)方法主要有堆載法和錨樁法，但堆載法和錨樁法需進(jìn)行堆載或錨樁作業(yè)，不僅費(fèi)用高，耗時(shí)長，而且容易受到大噸位和場地條件的限制，在港口碼頭的樁基承載力檢測中，傳統(tǒng)的基樁靜載試驗(yàn)難以開展。

自平衡試樁法檢測技術(shù)已經(jīng)日趨成熟，能夠適用于各種試驗(yàn)場地，能夠測試大噸位，試驗(yàn)方便，費(fèi)用低廉，近年在港口碼頭樁基承載力檢測中得到了廣泛運(yùn)用[1-3]。文中選取了鄂州碼頭等6根鋼管復(fù)合樁進(jìn)行介紹，通過自平衡試樁法在港口碼頭鋼管復(fù)合樁上的成功應(yīng)用，顯示了該方法在港口碼頭鋼管復(fù)合樁中具有廣泛的應(yīng)用前景。

1 自平衡試樁法原理

自平衡試樁法是一種接近于豎向抗壓樁實(shí)際工作條件的試驗(yàn)方法（圖1），測試時(shí)能直觀地反映荷載箱上、下兩段樁各自的承載力。將上段樁側(cè)阻力經(jīng)一定處理后與下段樁端阻力相加即為樁極限承載力[4-6]。

各類型樁的荷載傳遞機(jī)理如圖2所示。豎向受壓樁（圖2（a）），樁頂荷載Q由樁側(cè)摩阻力和樁端阻力共同承擔(dān)。傳統(tǒng)的抗拔樁（圖2（b）），拉拔力Q由負(fù)摩阻力與樁自重平衡。自平衡樁（圖2（c）），通過荷載箱施加于自平衡點(diǎn)，其荷載向上和向下傳遞。

圖1 樁承載力自平衡試驗(yàn)示意圖Fig.1 Schematic diagram of self-balancing test of pile bearing capacity

圖2 荷載傳遞機(jī)理Fig.2 Load transfer mechanism

設(shè)傳統(tǒng)靜載受壓樁的承載力Q為總摩阻力Qs與總端阻力Qp之和，即：

經(jīng)轉(zhuǎn)換后的自平衡樁承載力亦為Q，Q為等效的上、下段樁承載力之和，上段等效的承載力應(yīng)考慮修正系數(shù)γ，則有

式中：Q上、Q下分別為平衡點(diǎn)處向上及向下的荷載；γ為系數(shù)，對于黏土、粉土，γ=0.8，對于砂土，γ=0.7；W為上段樁的自重。

所得的Q-S轉(zhuǎn)換曲線如圖3所示。

圖3 Q-S轉(zhuǎn)換曲線Fig.3 Q-S conversion curve

2 工程概況

為了擴(kuò)大自平衡試樁法在港口碼頭上的應(yīng)用，本文選取了棋盤洲碼頭1根、石磯碼頭2根、三江碼頭2根、鄂州碼頭1根等6根試樁進(jìn)行測試，相關(guān)數(shù)據(jù)如表1所示。由于同是鋼管混凝土復(fù)合樁，本文主要對鄂州碼頭C16試樁的結(jié)果進(jìn)行分析，試樁C16直徑1.2 m，樁長19 m，荷載箱標(biāo)高-13.8 m，鋼管樁內(nèi)混凝土芯長度10 m，鋼筋混凝土芯柱底標(biāo)高-14.8 m。樁端持力層為中風(fēng)化砂巖，樁身每個(gè)截面對稱設(shè)置4個(gè)振弦式鋼筋計(jì)，共布置20個(gè)鋼筋計(jì)。其工程地質(zhì)柱狀圖如圖4所示，土層力學(xué)性能指標(biāo)見表2。

表1 試樁有關(guān)數(shù)據(jù)Table 1 Test pile data

圖4 工程地質(zhì)柱狀圖Fig.4 Engineering geologic column

表2 主要土層力學(xué)性能指標(biāo)Table 2 Main mechanical performance index of soil layer

3 測試情況及結(jié)果

3.1 測試情況

加載采用慢速維持荷載法[7]，共分11級，每級加載為1 320 kN，1 980 kN，2 640 kN，3 300 kN，3 960 kN，4 620 kN，5 280 kN，5 940 kN，6 600 kN，7 200 kN，7 920 kN；位移觀測：每級加載后在5 min，10 min，15 min，30 min，45 min，60 min測讀1次，以后每隔30 min測讀1次。

3.2 測試結(jié)果

整個(gè)測試過程情況正常，荷載箱加載值達(dá)到荷載箱最大加載值時(shí)停止加載。由現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)繪制Q-S曲線，如圖5所示。

圖5 自平衡試樁Q-S曲線Fig.5 Self-balancing test pile Q-S curve

根據(jù)圖5的Q-S曲線，荷載箱下部樁與砂巖變形為2.47 mm，卸載后殘余變形為0.9 mm，荷載箱上部位移為1.66 mm，樁頂位移為0.33 mm，樁身壓縮變形為1.33 mm，卸載后殘余變形為0.53 mm。

加載時(shí)樁身軸力分布曲線如圖6所示。加載處軸力最大，由于土摩阻力的作用，樁身軸力隨著距荷載箱距離增大而減小。在標(biāo)高從-4.54 m到-14.8 m為中風(fēng)化砂巖，樁側(cè)摩阻力要遠(yuǎn)高于上部土層樁側(cè)摩阻力，從圖6的測試結(jié)果中也可以看出，在中風(fēng)化砂巖層軸力降低較快，上部淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層，由于樁側(cè)摩阻力較小，在與粉質(zhì)積土層交界處軸力幾乎為0。

圖6 C16樁身軸力曲線Fig.6 C16 pile axial force curve

從圖7的樁側(cè)摩阻力分布曲線可知，隨著外力的增加，每層土的摩阻力逐漸增加，且離加載處（荷載箱）近的土層摩阻力首先發(fā)揮作用，然后遠(yuǎn)處的土層摩阻力才逐漸發(fā)揮。同時(shí)可以得出，每層土并未達(dá)到極限值時(shí)就開始將荷載傳遞到鄰近土層中，即摩阻力的發(fā)揮與樁土相對位移有關(guān)。

圖7 C16樁側(cè)摩阻力深度分布曲線Fig.7 C16 pile side friction distribution curve with depth

圖8所示為樁側(cè)摩阻力-位移曲線，由圖可以看出各土層的摩阻力隨著樁土相對位移的增大而增大，且摩阻力的發(fā)揮基本上與位移成正比，從圖中可見，靠近荷載箱的砂巖層樁土的相對位移最大，在停止加載時(shí)相對位移達(dá)到1.5 mm，樁側(cè)摩阻力發(fā)揮較充分。樁端Q-S曲線由下述原則求得：荷載箱所施加荷載扣除下部土層的側(cè)阻力即為樁端阻力，荷載箱向下的位移扣除下段樁身混凝土彈性壓縮即為樁端向下位移，其結(jié)果如圖9所示。

圖8 樁側(cè)摩阻力-位移曲線Fig.8 Pile side friction resistance-displacement curve

圖9 C16樁端阻力-位移曲線Fig.9 C16 pile end resistance-displacement curve

在推導(dǎo)過程中采用假定的向下位移值進(jìn)行試算，故對應(yīng)的Q-S曲線中，所對應(yīng)的荷載并非等距，根據(jù)江蘇省地方標(biāo)準(zhǔn)DGJ 32/TJ77—2009《基樁自平衡法靜載試驗(yàn)技術(shù)規(guī)程》[7]，轉(zhuǎn)換后的Q-S曲線如圖10所示。C16樁極限承載力取為：

圖10 C16樁等效轉(zhuǎn)換Q-S曲線圖Fig.10 C16 pile equivalent conversion Q-S curve

根據(jù)JTS 167-4—2012《港口工程樁基規(guī)范》[8]算得6根試樁極限承載力與采用自平衡法測的極限承載力見表3，由表3可知，公式算得的結(jié)果與測試結(jié)果相近，結(jié)果相差在20%左右。可以發(fā)現(xiàn)按規(guī)范算得的樁基承載力低于自平衡試樁法測的結(jié)果。

表3 承載力對比Table 3 Comparison of bearing capacity

4 結(jié)語

1）自平衡試樁法裝置較簡單，不占用場地不需運(yùn)入數(shù)百噸或數(shù)千噸物料，不需構(gòu)筑笨重的反力架，試樁準(zhǔn)備工作省時(shí)省力，另外它可用來確定基樁的側(cè)阻或端阻單項(xiàng)的極限值，能夠很好地用于港口碼頭鋼管復(fù)合樁承載力檢測。

2）通過選取的6根港口碼頭的樁基自平衡試樁結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)自平衡試樁法測出來的承載力與理論計(jì)算結(jié)果相差20%左右，按規(guī)范算得的樁基承載力低于自平衡試樁法測的結(jié)果。

3）本文所介紹的自平衡試樁結(jié)果向傳統(tǒng)靜載試驗(yàn)結(jié)果轉(zhuǎn)化的理論推導(dǎo)對工程應(yīng)用來說具有較好的精度。參考文獻(xiàn)：

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[8]JTS 167-4—2012，港口工程樁基規(guī)范[S].JTS 167-4—2012,Code for pile foundations of harbor engineering[S].

Application of self-balanced test pile method in steel composite pile foundation of port wharf

DAI Guo-liang1,2,GONG Wei-ming1,2,WANG Lei2,3,ZHU Wen-bo2
（1.Key Laboratory of Concrete and Prestressed Concrete Structure of Ministry of Education,Southeast University,Nanjing,Jiangsu 210096,China;2.Department School of Civil Engineering,Southeast University,Nanjing,Jiangsu 210096,China;3.Nanjing Dongda Self-Balanced Pile Foundation Inspection Co.,Ltd.,Nanjing,Jiangsu 210096,China）

In the test of vertical bearing capacity of pile foundation in port wharf,we often encounter the condition of site and load limit,which can't be carried out by traditional static load test.Self-balancing method can be applied to a variety of test sites,it can test high load,convenient test and low cost,and it can solve the shortcomings of traditional methods.In this paper,six combination piles are selected to analysis.The results show that the theory of conversion to the traditional static load test is reliable and has good accuracy.The pile bearing capacity measured by the self-balanced test method is about 20%larger than that of standard calculation results.The successful application of the self balanced test pile method on the port wharf shows that the method has a wide application prospect in port wharf.

self-balanced method;bearing capacity of pile;port wharf;steel composite pile

U655.55

A

2095-7874（2017）10-0037-05

10.7640/zggwjs201710008

2017-05-14

2017-06-15

戴國亮（1975— ），男，江蘇南京人，博士，教授，主要從事地下結(jié)構(gòu)工程方面的教學(xué)和研究工作。

E-mail：daigl@seu.edu.cn