斜坡隔離樁自平衡試驗(yàn)研究

劉 翼

（湖南湘江新區(qū)投資集團(tuán)有限公司，湖南 長沙 410012）

位于斜坡上的摩擦工程樁，在豎向荷載作用下通過樁周側(cè)摩阻力將荷載將傳遞到坡體上，影響邊坡穩(wěn)定性[1-2]，通過在樁周設(shè)置摩擦小的材料進(jìn)行隔離，使得荷載傳遞至邊坡破裂面以下足夠深度的穩(wěn)定巖土層，可以減小對邊坡穩(wěn)定造成不利影響。為了獲取隔離后樁側(cè)摩阻力，評估隔離樁隔離措施的效果，文章通過邊坡現(xiàn)場原位自平衡試驗(yàn)對試驗(yàn)樁采取隔離措施后的側(cè)摩阻力進(jìn)行研究，分析樁側(cè)摩阻力的變化特征，為樁周隔離設(shè)計(jì)優(yōu)化提供了依據(jù)，取得了顯著效果，可以為相關(guān)工程的提供借鑒。

1 工程概況

文章自平衡試驗(yàn)位于長沙市桐溪路景觀橋邊坡上，現(xiàn)場圖見圖1。該邊坡高度約為80m，坡址區(qū)以泥盆系微風(fēng)化灰?guī)r為主，厚層狀構(gòu)造，節(jié)理裂隙稍有發(fā)育，見溶蝕槽痕，局部發(fā)育溶蝕裂隙，巖芯多呈柱狀，屬較硬巖，巖體較完整，巖體基本質(zhì)量等級為Ⅲ級，典型地質(zhì)剖面見圖2。邊坡所在場地內(nèi)主要發(fā)育有兩組順層節(jié)理，將巖體切割成碎塊狀及塊狀，形成順向坡。

圖1 邊坡現(xiàn)場圖

圖2 典型地質(zhì)剖面圖

由于橋梁樁基位于邊坡之上，且荷載較大，為避免邊坡上部巖土體承受荷載，在橋梁基樁樁周設(shè)置了隔離層，從而將荷載傳遞到下部穩(wěn)定地層中。鑒于常規(guī)樁基豎向靜載荷試驗(yàn)，不易準(zhǔn)確獲取基樁隔離段的樁側(cè)摩阻力，且加載過程中大量堆載會影響邊坡穩(wěn)定性[3]，文章采用基樁自平衡試驗(yàn)準(zhǔn)確獲取樁側(cè)摩阻力[4]。

2 自平衡試驗(yàn)方案

2.1 試驗(yàn)方法

自平衡試驗(yàn)通過在樁底安裝加載箱，并將加載的高壓油管和位移桿一起引到地面。試驗(yàn)時，從樁頂通過高壓油管對荷載箱內(nèi)腔施加壓力，箱頂與箱底被推開，產(chǎn)生向上與向下的推力，從而調(diào)動上部樁周土的側(cè)阻力與端阻力來維持加載。自平衡試驗(yàn)的原理圖見圖3。

圖3 自平衡試驗(yàn)原理

本次試驗(yàn)設(shè)置了3根試驗(yàn)樁，試驗(yàn)樁的直徑均為1000mm，1#、2#、3#試樁長度分別為14.2m、14.5m、16.7m。試樁成孔直徑為1500mm，采用1000mm直徑鋼護(hù)筒，鋼護(hù)筒內(nèi)放鋼筋籠然后現(xiàn)澆混凝土成樁。鋼護(hù)筒與孔壁之間的空隙填充陶粒作為樁周隔離措施。試樁所在地層均為灰?guī)r，其基本物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 試驗(yàn)樁基本參數(shù)

2.2 試驗(yàn)設(shè)備

試樁自平衡試驗(yàn)采用的設(shè)備有環(huán)型荷載箱、電動油泵、電子位移計(jì)、鋼筋計(jì)、數(shù)據(jù)采集儀、筆記本電腦等。

環(huán)形荷載箱行程均為20cm，高壓油泵的最大加壓值為60MPa，加壓精度為每小格0.5MPa。電子位移傳感器量程為50mm，每樁4只，通過磁性表座固定在基準(zhǔn)鋼梁上，2只用于量測樁身荷載箱處的向上位移，2只用于量測樁身荷載箱處的向下位移。鋼筋計(jì)布置在樁身鋼筋籠上，每隔2m，對稱布置4個鋼筋計(jì)，1#試樁鋼筋計(jì)安裝示意圖見圖4。以上設(shè)備通過采集儀與電腦相連，由電腦控制量測并在電腦屏幕上實(shí)時顯示相關(guān)曲線。

圖4 1#試樁鋼筋計(jì)安裝示意圖

2.3 試驗(yàn)步驟

試驗(yàn)加載采用慢速維持荷載法，測試按《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》（JTG/T F50—2011）和《基樁靜載試驗(yàn)自平衡法》（JT/T 738—2009）進(jìn)行。

試樁分級進(jìn)行加載，其中1#和2#樁每級增加100kN加載，3#樁每級增加500kN加載。具體見表2。

表2 試樁加載分級表

3 試驗(yàn)結(jié)果

1#樁在加載至第10級（1000kN）時向上位移0.91mm、向下位移0.46mm，均未達(dá)到上下段樁的極限值，因此繼續(xù)加載，直至第12級（1200kN）時，向上位移2.51mm、向下位移0.74mm；加載第13級（1300kN）時，向上位移發(fā)生陡變，達(dá)到38.57mm，且無法穩(wěn)定壓力，故停止加載?，F(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)繪制曲線見圖5，根據(jù)圖5綜合判斷1#樁上段樁極限承載力值取第12級荷載值為1200kN。1#～3#樁的加載情況見表3。

圖5 典型的S-lgQ曲線圖（1#樁）

表3 試樁加載情況

3.1 樁身側(cè)摩阻力

根據(jù)加載結(jié)果，得到了試樁的荷載箱上段樁的極限承載力Qu上，由于在自平衡測試中，加載是自下而上與實(shí)際工程荷載方向相反，需要進(jìn)行轉(zhuǎn)換才能得到正常加載方式下的樁身軸力和側(cè)摩阻力。文章利用荷載傳力解析法進(jìn)行轉(zhuǎn)換[5-6]，該方法根據(jù)測定的荷載箱的荷載、垂直方向向上和向下位移以及樁在不同深度的應(yīng)變，計(jì)算出軸向力分布，進(jìn)而求出不同深度的樁側(cè)摩阻力，最終換算成樁頂荷載對應(yīng)的荷載—沉降關(guān)系。經(jīng)計(jì)算各試樁的總樁側(cè)摩阻力分別為1#樁1236kN、2#樁961kN、3#樁12405kN。樁身各段的摩阻力可通過安裝在樁身的鋼筋計(jì)計(jì)算。具體算計(jì)方法如下：

（1）軸力計(jì)算。應(yīng)變量可由樁身預(yù)埋的應(yīng)變計(jì)讀數(shù)求得，其計(jì)算公式如下：

式中：εs為應(yīng)變計(jì)在某級荷載作用下的應(yīng)變量；ε讀為應(yīng)變計(jì)在某級荷載作用下讀數(shù)；K為應(yīng)變計(jì)系數(shù)；B為應(yīng)變計(jì)計(jì)算修正值。

在同級荷載作用下，試樁內(nèi)混凝土所產(chǎn)生的應(yīng)變量等于鋼筋所產(chǎn)生的應(yīng)變量，相應(yīng)樁截面微單元內(nèi)的應(yīng)變量即為鋼筋的應(yīng)變量，其計(jì)算公式如下：

式中：εc為某級荷載作用下樁身截面混凝土產(chǎn)生的應(yīng)變量；σc為某級荷載作用下樁身截面混凝土產(chǎn)生的應(yīng)力值，kN/m2；σs為某級荷載作用下鋼筋產(chǎn)生的應(yīng)力值，kN/m2；Ec為樁身混凝土彈性模量，kN/m2；Es為鋼筋彈性模量，kN/m2；Ac為樁身截面混凝土的凈面積，m2；As為樁身截面縱向鋼筋總面積，m2；Pz為某級荷載作用下樁身某截面的軸向力，kN。

在建立試樁標(biāo)定截面處的Pz～Psi相關(guān)方程后，各量測截面的樁身軸向力Pz值便可通過計(jì)算得到。

（2）摩阻力計(jì)算。各土層樁側(cè)摩阻力qs可由軸力之差除以測表面積得到。

式中：qs為樁側(cè)各土層的摩阻力，kN/m2；ΔPz為樁身量測截面之間的軸向力Pz的差值，kN；ΔF為樁身量測截面之間樁段的側(cè)表面積，m2。

（3）樁身各處位移計(jì)算。為了得到樁側(cè)土摩阻力qs隨樁身沉降S的變化規(guī)律，需確定各計(jì)算深度處樁身位移Si值。

式中：Si為第i計(jì)算截面處的沉降量，mm；Si+1為i+1計(jì)算截面處的沉降量，mm；Δi為第i+1截面到第i截面間樁身的彈性壓縮量，mm。

Δi按下式計(jì)算：

式中：Pz,i為第i截面樁身軸向力，kN；Li為第i+1截面至第i截面處樁段長度，m；An為樁身換算截面面積，mm；d為試樁直徑，mm2；n為主鋼筋根數(shù)；As為單根主筋面積，mm2。

通過以上計(jì)算可以得到加載過程中個樁側(cè)土摩阻力qs隨樁身位移S的變化曲線。1#樁不同深度的樁樁側(cè)土摩阻力qs隨樁身沉降S的變化曲線見圖6，可以看出，最大位移已經(jīng)超過40mm，樁側(cè)摩阻力已經(jīng)被充分激發(fā)，位移超過10mm以后，側(cè)摩阻力曲線出現(xiàn)突變，變得平緩，隨著位移增大，側(cè)摩阻力變化不大，可見1#樁已經(jīng)達(dá)到了側(cè)摩阻力極限。另外，不同深度的側(cè)摩阻力值變化不大，基本在28～32kPa。2#不同深度的樁樁側(cè)土摩阻力qs隨樁身沉降S的變化曲線見圖7，可以看出，最大位移已經(jīng)超過40mm，樁側(cè)摩阻力已經(jīng)被充分激發(fā)，位移超過10mm以后，側(cè)摩阻力曲線出現(xiàn)突變，變得平緩；隨著位移增大，側(cè)摩阻力變化不大，可見2#樁已經(jīng)達(dá)到了側(cè)摩阻力極限。與1#樁不同之處在于，不同深度的側(cè)摩阻力值變化范圍略大，從14～41kPa不等。經(jīng)了解，2#樁在充填隔離護(hù)筒與樁孔壁之間的間隙時有過暫停，可能由此導(dǎo)致隔離不均勻，樁周不同深度的側(cè)摩阻力變化較大。

圖6 1#試樁樁側(cè)土摩阻力隨樁身位移變化曲線

圖7 2#試樁樁側(cè)土摩阻力隨樁身位移變化曲線

3.2 隔離效果

試樁在鋼護(hù)筒與孔壁之間的空隙填充陶粒作為樁周隔離設(shè)施，通過試驗(yàn)表明該隔離設(shè)施效果十分顯著。

布置隔離護(hù)筒后，樁周側(cè)摩阻力qs實(shí)測最大值為41kPa，1#樁側(cè)摩阻力極限平均值為29.7kPa，2#樁側(cè)摩阻力極限平均值為25.6kPa。兩者分別為勘察極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值450kPa的6.6%和5.7%，說明采用鋼護(hù)筒及陶粒填充作為隔離設(shè)施是有效的，可隔離90%以上的側(cè)摩阻力，有效減小樁基荷載對邊坡的不利影響。

4 結(jié)論

文章通過桐溪路景觀橋進(jìn)行基樁隔離效果的自平衡試驗(yàn)，得到了樁側(cè)極限承載力和樁身不同深度的側(cè)摩阻力qs，分析了側(cè)摩阻力的變化特征，得到以下結(jié)論：

（1）自平衡試驗(yàn)可以較好地激發(fā)樁側(cè)摩阻力，試驗(yàn)中樁基位移超過10mm時，基樁可達(dá)到樁側(cè)摩阻力極限。（2）采取隔離措施后，實(shí)測樁側(cè)摩阻力qs最大值為41kPa，側(cè)摩阻力極限平均值不超過30kPa。（3）采用鋼護(hù)筒及陶粒填充作為隔離設(shè)施是有效的，可以隔離90%以上的側(cè)摩阻力，有效減小樁基荷載對邊坡的不利影響。

綜上，斜坡上的工程基樁，在不影響邊坡穩(wěn)定性的情況下，可通過采用自平衡方法得到樁側(cè)摩阻力。側(cè)摩阻力可采用鋼護(hù)筒及陶粒填充進(jìn)行隔離，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)可以隔離90%以上的側(cè)摩阻力，有效減小樁基荷載對邊坡的不利影響。