自平衡法靜載試驗(yàn)在大管樁樁基檢測(cè)中的應(yīng)用

孫康星

摘 要：通過(guò)技術(shù)創(chuàng)新，將自平衡法靜載試驗(yàn)引入大管樁檢測(cè)中，在后張法大管樁管節(jié)中加裝荷載箱，采用自平衡法靜載試驗(yàn)對(duì)大管樁進(jìn)行極限承載力檢測(cè)。在節(jié)省資金、縮短工期的同時(shí)，取得了可靠的檢測(cè)結(jié)果。同時(shí)總結(jié)了自平衡法靜載試驗(yàn)在大管樁極限承載力檢測(cè)中應(yīng)用原理及試驗(yàn)樁的制作方法，對(duì)后續(xù)預(yù)制混凝土管樁樁基檢測(cè)有較強(qiáng)的借鑒作用。

關(guān)鍵詞：技術(shù)創(chuàng)新 大管樁檢測(cè) 自平衡法 靜載試驗(yàn)

1.引言

濱州港海港港區(qū) 6#、7#泊位工程，本工程新建 2 個(gè) 5 萬(wàn)噸級(jí)油品泊位，水工建筑物主要包括碼頭平臺(tái)及引橋等。本工程碼頭平臺(tái)和引橋采用高樁梁板結(jié)構(gòu)，碼頭平臺(tái)基樁為？1200后張法預(yù)應(yīng)力混凝土大管樁，引橋基樁為？1200 大管樁和？1200鉆孔灌注樁，其中？1200 大管樁采用水上錘擊沉樁施工工藝。

本工程共計(jì)選做2根試驗(yàn)樁，原設(shè)計(jì)為錨樁法靜載試驗(yàn)，為降低成本，縮短工期，提出采用自平衡法靜載試驗(yàn)。自平衡法靜載試驗(yàn)在鉆孔灌注樁施工上較為常用，大管樁采用該種方法進(jìn)行檢測(cè)還沒(méi)有過(guò)先例。從試驗(yàn)樁制作到沉樁控制再到試驗(yàn)檢測(cè)，都經(jīng)過(guò)了多次調(diào)整。尤其是后張法大管樁管節(jié)均為預(yù)制成品，在成品管節(jié)上加裝荷載箱較為困難。最終采取雙向法蘭對(duì)接的方式對(duì)荷載箱進(jìn)行固定。檢測(cè)結(jié)果顯示，通過(guò)該種檢測(cè)方法進(jìn)行大管樁極限承載力檢測(cè)是可行的，在節(jié)省資金及工期的同時(shí)，取得了較好的檢測(cè)效果。

2.課題研究?jī)?nèi)容

2.1試驗(yàn)樁樁基檢測(cè)方案比選

為了即滿足設(shè)計(jì)要求，又降低成本，縮短工期，經(jīng)過(guò)充分討論，并與設(shè)計(jì)及檢測(cè)單位多次溝通，最終確定選用自平衡法靜載試驗(yàn)進(jìn)行樁基檢測(cè)。

2.2自平衡法靜載試驗(yàn)工藝原理

自平衡法是接近于豎向抗壓（拔）樁的實(shí)際工作條件的試驗(yàn)方法。把荷載箱預(yù)先放置在樁身平衡點(diǎn)位置。將高壓油管和位移桿引到平臺(tái)，由高壓油泵在平臺(tái)上向荷載箱充油加載，荷載箱將力傳遞到樁身，其上部樁側(cè)極限摩阻力及自重與下部樁側(cè)極限摩阻力及極限樁端阻力相平衡來(lái)維持荷載，從而獲得樁的極限承載力。

2.3工藝流程

試驗(yàn)樁制作→試驗(yàn)樁運(yùn)輸→試驗(yàn)樁沉樁→樁基檢測(cè)→數(shù)據(jù)分析

2.4操作要點(diǎn)

2.4.1試樁制作

該工程樁基采用D1200B32-2型后張法預(yù)應(yīng)力混凝土大管樁，試驗(yàn)樁采用樁頂管節(jié)、標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)、荷載箱拼接段管節(jié)、樁端管節(jié)拼、鋼樁靴組成。

（1）荷載箱制作

荷載箱根據(jù)試樁承載力要求自行設(shè)計(jì)，本工程試驗(yàn)樁選擇的荷載箱由4個(gè)1500KN千斤頂、8個(gè)實(shí)心鋼墊塊以及4個(gè)帶套筒鋼墊塊組成，千斤頂外徑240mm，內(nèi)徑200mm，墊塊高度高于千斤頂2-3mm，上下加蓋法蘭盤。

（2）荷載箱與標(biāo)準(zhǔn)段拼接

荷載箱與標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)拼接是試驗(yàn)樁制作難點(diǎn)。后張法預(yù)應(yīng)力大管樁均為成品管節(jié)，箱體與管節(jié)間無(wú)固定連接點(diǎn)。自行設(shè)計(jì)2個(gè)對(duì)接法蘭，與上部管體相連接的法蘭，上端預(yù)留穿線孔，并安裝固定錨，下端與荷載箱焊接；與下部管體連接的法蘭，上端與荷載箱焊接，下端預(yù)留穿線孔，安裝活動(dòng)錨并預(yù)留灌漿孔。

（3）樁靴制作及拼接

本工程試驗(yàn)樁樁靴也進(jìn)行了兩處優(yōu)化，其一，該樁靴由2部分組成，尖端采用錐形設(shè)計(jì)，頂端采用常規(guī)鋼管預(yù)留穿線孔及固定錨方式，同時(shí)管壁四周增加坡土肋板。其二，該樁靴還采用封閉式錐體形式，主要目的是確保檢測(cè)設(shè)備完整。

（4）管節(jié)分段拼接張拉

各型號(hào)管節(jié)在張拉線上通過(guò)找平小車在拼裝線上逐段拼接，拼接完成后，進(jìn)行鋼絞線穿設(shè)、張拉。鋼絞線張拉過(guò)程中對(duì)稱同步進(jìn)行，分2次進(jìn)行張拉，張拉控制應(yīng)力不得大于設(shè)計(jì)張力3%。張拉完成后進(jìn)行預(yù)留孔道灌漿，灌漿強(qiáng)度達(dá)到80%進(jìn)行活動(dòng)錨拆除、樁頂打磨處理等。

2.4.2試驗(yàn)樁沉樁

打樁船、運(yùn)樁船定位完成后，起吊試驗(yàn)樁。立樁完成后，打樁船調(diào)整好自身姿態(tài)后進(jìn)行下樁。當(dāng)荷載箱到達(dá)水面位置，將上下法蘭盤固定肋板及、固定螺栓全部切斷，并進(jìn)行荷載箱外包鋼板的焊接，避免沉設(shè)過(guò)程中進(jìn)入異物。隨后再次校核樁位后正常沉樁。

2.4.3現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)檢測(cè)

（1）千斤頂標(biāo)定

本工程荷載箱采用的千斤頂經(jīng)標(biāo)定，油壓表數(shù)讀值與對(duì)應(yīng)壓力值存在1：30的線性關(guān)系。極限加壓值50MPa對(duì)應(yīng)的壓力值為1500kN。在加壓過(guò)程中，油壓表讀數(shù)對(duì)應(yīng)的壓力為千斤頂實(shí)際輸出值。本荷載箱極限壓力輸出值為6000kN，則荷載箱對(duì)應(yīng)輸出壓力值為雙向12000kN。

（2）傳感器安裝

位移傳感器：傳感器采用位移百分表，分辨率優(yōu)于0.01mm。確保基準(zhǔn)梁和夾具不受其他因素影響，避免發(fā)生豎向位移。

（3）現(xiàn)場(chǎng)樁基檢測(cè)

加卸載現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)采用20 m長(zhǎng)？200mm鋼管打入試驗(yàn)樁周圍，搭設(shè)5*5m鋼木混合平臺(tái)，確保平臺(tái)穩(wěn)固，且滿足設(shè)備安放。

本次試樁共分14級(jí)加載，每級(jí)加載量應(yīng)為預(yù)估最大加載量（8400kN）的1/14，每級(jí)荷載為雙向600kN，第一級(jí)按兩倍（雙向1200kN）加載。連續(xù)加載，且每級(jí)荷載在維荷過(guò)程中的變化幅度不得超過(guò)分級(jí)荷載的10%，即不超過(guò)60kN，本次試樁為破壞性試驗(yàn)，故無(wú)法進(jìn)行卸載。

（4）位移觀測(cè)和穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)

①采用慢速維持荷載法，每級(jí)加卸載后第一小時(shí)內(nèi)，在第5min、10min、15min、30min、45min、60min測(cè)讀位移，以后每隔30min測(cè)讀一次，達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定后方可加（卸）下一級(jí)荷載，荷載到零后應(yīng)至少觀測(cè)2h，測(cè)讀時(shí)間間隔同加載；

②每級(jí)加（卸）載的向上向下位移量在最后30min內(nèi)均不大于0.1mm：

（5）終止加載條件及極限加載值

向上、向下兩個(gè)方向應(yīng)分別判定和取值，平衡狀態(tài)下兩個(gè)方向都應(yīng)達(dá)到終止加載條件再終止加載本次試樁總位移量大于或等于40mm，且本級(jí)荷載的位移量大于或等于前一級(jí)荷載的位移量的5倍時(shí)，加載終止，取此終止時(shí)的荷載小一級(jí)的荷載為極限加載值，1#試樁極限加載值為7800kN，2#試樁極限加載值為6600kN。

2.4.4試驗(yàn)檢測(cè)數(shù)據(jù)及分析

（1）1#試樁檢測(cè)結(jié)果

①自平衡靜載試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

本試驗(yàn)過(guò)程中，雙向加載至8400kN時(shí)，1#試樁破壞，破壞形式為a類，根據(jù)規(guī)范要求，取7800kN為極限加載值。

對(duì)于1#試樁，根據(jù)勘察報(bào)告中對(duì)應(yīng)的鉆孔柱狀圖，試樁修正系數(shù)取0.78，荷載箱上部樁身自重取40t，最終計(jì)算試樁單樁承載力極限值為838噸。

1#試樁檢測(cè)結(jié)果表明，樁底荷載為3378kN，樁側(cè)摩阻力為5002 kN，總承載力為8380kN。

②高應(yīng)變檢測(cè)結(jié)果

高應(yīng)變初打復(fù)打測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。

（2）2#試樁檢測(cè)結(jié)果

①自平衡靜載試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

該樁試驗(yàn)過(guò)程中，雙向加載至7200kN時(shí)，2#試樁破壞，破壞形式為a類，根據(jù)規(guī)范要求，取6600kN為極限加載值。

對(duì)于2#試樁，根據(jù)勘察報(bào)告中對(duì)應(yīng)的鉆孔柱狀圖，試樁修正系數(shù)取0.78，荷載箱上部樁身自重取40t，最終計(jì)算試樁單樁承載力極限值為701.7噸。

2#試樁檢測(cè)結(jié)果表明，樁底荷載為2498kN，樁側(cè)摩阻力為4519 kN，總承載力為7017 kN。

②高應(yīng)變檢測(cè)結(jié)果

高應(yīng)變初打復(fù)打測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。

（3）檢測(cè)結(jié)果分析

根據(jù)《水運(yùn)工程地基基礎(chǔ)試驗(yàn)檢測(cè)技術(shù)規(guī)程》JTS 237-2017規(guī)定，本次試樁取兩次平均值作為單樁軸向抗壓極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值。本工程單樁軸向抗壓極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值為7698.5 kN。試驗(yàn)檢測(cè)數(shù)據(jù)表明，靜載試驗(yàn)結(jié)果與高應(yīng)變動(dòng)測(cè)（復(fù)打測(cè)試）結(jié)果基本一致。說(shuō)明采用自平衡法靜載試驗(yàn)檢測(cè)大管樁軸向抗壓極限承載力是可行的，檢測(cè)數(shù)據(jù)是可靠的。

3.工藝實(shí)施效果

3.1依托工程的實(shí)施效果

3.1.1創(chuàng)新點(diǎn)

（1）鋼墊塊的使用，對(duì)千斤頂保護(hù)起到?jīng)Q定性作用

荷載箱鋼墊塊的使用，對(duì)沉樁過(guò)程中千斤頂?shù)谋Ｗo(hù)起到了決定性作用。墊塊高于千斤頂頂面2-3mm，在沉樁過(guò)程中通過(guò)鋼墊塊將豎向力傳導(dǎo)至底端管節(jié)，千斤頂在沉樁過(guò)程中不受任何影響，這項(xiàng)舉措也是與荷載箱在灌注樁靜載檢測(cè)應(yīng)用中的不同之處。

（2）套筒墊塊的應(yīng)用

本荷載箱除了8個(gè)半固定鋼墊塊之外，還對(duì)稱增加了4個(gè)帶活塞套筒鋼墊塊，在試驗(yàn)加載過(guò)程中起到限制上、下端樁體水平位移作用。

（3）外包鋼板的使用

外包鋼板的使用對(duì)荷載箱中精密部件的保護(hù)起到了關(guān)鍵作用。

（4）鋼樁靴的優(yōu)化設(shè)計(jì)

封閉式鋼樁靴的優(yōu)化，增加了管樁的破土能力的同時(shí)，對(duì)荷載箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)及精密傳感器保護(hù)起到至關(guān)重要的作用。

3.1.2實(shí)施效果

自平衡法靜載試驗(yàn)在大管樁中的應(yīng)用尚屬首次，該種檢測(cè)方式使得荷載箱專利技術(shù)在大管樁極限承載力檢測(cè)中得到有效的應(yīng)用。同時(shí)經(jīng)過(guò)研究探索，有效解決了荷載箱與大管樁管節(jié)的拼裝問(wèn)題?，F(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)平臺(tái)搭設(shè)簡(jiǎn)易，檢測(cè)手段簡(jiǎn)單，耗時(shí)短，節(jié)省大量檢測(cè)設(shè)備倒運(yùn)費(fèi)、沉樁船機(jī)費(fèi)及人工費(fèi)用。

通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果顯示，該種方法檢測(cè)效果可靠。得到檢測(cè)及設(shè)計(jì)單位的一致認(rèn)可。較錨樁法靜載試驗(yàn)節(jié)省資金約161.8萬(wàn)元。同時(shí)總結(jié)了自平衡法靜載試驗(yàn)在大管樁樁基檢測(cè)中的檢測(cè)方法。對(duì)類似工程有較強(qiáng)借鑒作用。

3.2試驗(yàn)中的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)

3.2.1固定螺栓的應(yīng)用

荷載箱上下法蘭通過(guò)？12螺桿固定連接，固定螺栓下端與法蘭焊接，上端穿過(guò)上盤用螺帽上緊固定。起到抗拉作用的同時(shí)，也解決了立樁后，固定棒切割后，荷載箱上下兩段管節(jié)連接問(wèn)題。固定螺栓在試驗(yàn)檢測(cè)過(guò)程中一級(jí)荷載加載完畢，即可自動(dòng)斷開(kāi)，在沉樁過(guò)程中，對(duì)上下兩段管節(jié)連接也起到了決定性作用。

3.2.2導(dǎo)向限位板的有效應(yīng)用

導(dǎo)向限位板插入上下管節(jié)法蘭后即可直接進(jìn)行焊接作業(yè)，極大的提高了荷載箱安裝精度及安裝效率。

4.效益評(píng)估

采用自平衡法替代錨樁法靜載試驗(yàn)對(duì)試樁進(jìn)行極限承載力檢測(cè)，極大提高了試樁檢測(cè)效率，并大幅度降低現(xiàn)場(chǎng)工作量。常規(guī)錨樁法檢測(cè)平臺(tái)搭設(shè)每個(gè)試樁至少需要5天時(shí)間，需要大量船機(jī)設(shè)備及人工配合。相比之下，自平衡法檢測(cè)平臺(tái)要求簡(jiǎn)單，搭設(shè)簡(jiǎn)易，每根試樁平臺(tái)搭設(shè)1天即可全部完成。經(jīng)與類似項(xiàng)目——東營(yíng)某港所采用的錨樁法對(duì)比，節(jié)約成本161.8萬(wàn)元。

5.結(jié)語(yǔ)

自平衡法靜載試驗(yàn)在灌注樁承載力檢測(cè)中較為普遍，但在大管樁軸向承載力檢測(cè)中尚無(wú)先例。本文通過(guò)試樁制作過(guò)程以及自平衡法靜載試驗(yàn)應(yīng)用原理的闡述，并通過(guò)高應(yīng)變動(dòng)力檢測(cè)對(duì)結(jié)果的校核，充分說(shuō)明了檢測(cè)方法的可行性，以及結(jié)果的可靠性。同時(shí)，通過(guò)兩種檢測(cè)方式成本對(duì)比，也充分體現(xiàn)出了自平衡法靜載試驗(yàn)較大的成本優(yōu)勢(shì)。此種檢測(cè)方法試驗(yàn)裝置簡(jiǎn)單，安全隱患少，占用空間小。在大噸位靜載試驗(yàn)、海上樁基檢測(cè)以及市中心狹窄場(chǎng)地大噸位靜載試驗(yàn)檢測(cè)中有著極大的成本及可操作性優(yōu)勢(shì)。同時(shí)為荷載箱專利技術(shù)在預(yù)制樁中的應(yīng)用提供了成功經(jīng)驗(yàn)。因此，本項(xiàng)創(chuàng)新在類似預(yù)制樁樁基檢測(cè)項(xiàng)目中有極強(qiáng)的推廣價(jià)值。

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