基于錨樁反力法靜載試驗(yàn)在樁基檢測(cè)中的應(yīng)用

潘學(xué)忠

(江蘇省建筑工程質(zhì)量檢測(cè)中心有限公司，江蘇 南京 210028)

隨著“一帶一路”倡議的推進(jìn)，我國(guó)越來(lái)越多的建筑企業(yè)走出國(guó)門(mén)開(kāi)展對(duì)外建設(shè)。在相關(guān)的工程建設(shè)中，建設(shè)規(guī)范的選取至關(guān)重要。本文以我公司承接的京滬高鐵大勝關(guān)大橋項(xiàng)目樁基為研究對(duì)象，開(kāi)展了樁基靜載試驗(yàn)，基于錨樁反力法，確定了大勝關(guān)大橋樁基的豎向承載力，并比較了中國(guó)鐵路規(guī)范與國(guó)外規(guī)范的差異。

樁基靜載試驗(yàn)是確定樁基抗壓和抗拔承載力最重要的試驗(yàn)方法，也是目前全球范圍內(nèi)公認(rèn)的最簡(jiǎn)單、最可靠的測(cè)試方法[1-3]。鄭凱[4]研究了巖溶地區(qū)橋梁樁基的靜載試驗(yàn)受力性能，討論了溶洞對(duì)樁身受力的影響。丁偉等[5]基于孟加拉某電廠工程的樁基靜載試驗(yàn)，對(duì)比分析了中國(guó)、美國(guó)、印度關(guān)于樁基靜載試驗(yàn)檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)其極限承載力的差異，結(jié)果表明，中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)和美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)最為可靠。王杰等[6]對(duì)阿聯(lián)酋阿不贊比中央公園樁基開(kāi)展了多層級(jí)錨索反力靜載試驗(yàn)，驗(yàn)證了該方法確定樁基承載力的可靠性。張鐵柱和潘濤[7]采用樁基靜載試驗(yàn)研究了錨樁形式對(duì)樁承載力的影響，量化了錨樁和試樁直徑相對(duì)大小對(duì)樁承載力的影響比例。結(jié)果證明，如果錨樁與試樁中心距小于3倍試樁樁徑時(shí)，錨樁上拔對(duì)試樁樁頂沉降影響較大，當(dāng)錨樁與試樁的中心距大于6倍試樁樁徑時(shí)，錨樁樁徑變化對(duì)樁極限承載力的影響非常小。朱烈等[8]研究了錨樁反力法在確定螺桿樁極限承載力中的應(yīng)用。結(jié)果表明，錨樁反力法在螺桿錨樁靜載試驗(yàn)中具有廣泛的應(yīng)用前景，值得推廣。綜上所述，靜載試驗(yàn)是目前我國(guó)相關(guān)工程建設(shè)中最為常用的一種確定基樁承載力的方法[9]。

1 樁基靜載試驗(yàn)方法

樁基承載力確定和樁身完整性檢測(cè)是確保建筑物安全使用的基礎(chǔ)。樁基靜載試驗(yàn)是通過(guò)在基樁頂部逐級(jí)施加荷載，通過(guò)安裝在樁側(cè)的百分表或位移傳感器來(lái)監(jiān)測(cè)基樁頂部沉降隨時(shí)間變化以此確定單樁豎向承載力的一種方法。單樁靜載試驗(yàn)通常包括堆載法、自平衡法和錨樁反力法。其中堆載法使用比較廣泛，承重平臺(tái)搭建簡(jiǎn)單，但對(duì)地基土承載力要求較高，且堆載量大，試驗(yàn)對(duì)空間要求高。自平衡法檢測(cè)原理是將一種特制的加載裝置——荷載箱，在混凝土澆筑之前和鋼筋籠一起埋入樁身平衡點(diǎn)附近，將荷載箱的加壓油管以及所需的其他測(cè)試裝置從樁體引到地面，然后灌注成樁。待樁體強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求后采用高壓油泵在地面向荷載箱加壓，使得樁體內(nèi)部產(chǎn)生加載力，最后通過(guò)對(duì)加載力與這些參數(shù)之間的關(guān)系計(jì)算和分析，可以得到單樁豎向抗壓、抗拔承載力。自平衡法優(yōu)點(diǎn)是不受施工場(chǎng)地條件的限制，缺點(diǎn)是由于地質(zhì)條件的差異平衡點(diǎn)位置難以確定。錨樁反力法一般用于單樁承載力較大，地基土無(wú)法提供較大反力的場(chǎng)地，該方法是在試驗(yàn)前選取檢測(cè)樁周邊的幾根樁作為錨樁，用于提供向上的拔力，然后通過(guò)反作用力施加于檢測(cè)樁上[10]，采用全自動(dòng)樁基靜載測(cè)試儀獲取到每級(jí)荷載作用下的樁基沉降量，進(jìn)而確定單樁承載力是否滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求[11-12]。

2 工程概況

本項(xiàng)目為京滬高鐵大勝關(guān)大橋樁基，試樁直徑分別為1.0 m和1.2 m，共計(jì)44根樁。根據(jù)合同要求，樁基靜載試驗(yàn)一共4根，具體位置由設(shè)計(jì)確定，其中Z1和Z4承臺(tái)位置樁端持力層為強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖，Z2和Z3承臺(tái)位置樁端持力層為中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖。根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙要求試驗(yàn)樁的最大加載為設(shè)計(jì)承載力的1.5倍。4個(gè)承臺(tái)位置樁基的基本參數(shù)見(jiàn)表1。其中Z1和Z4承臺(tái)位置的樁基直徑為1.0 m，樁長(zhǎng)為65 m，設(shè)計(jì)承載力為6 000 kN，試驗(yàn)要求最大加載量為9 000 kN；Z2和Z3承臺(tái)位置的樁基直徑為1.2 m，樁長(zhǎng)為75 m，設(shè)計(jì)承載力為9 000 kN，試驗(yàn)要求最大加載量為13 500 kN。

3 靜載試驗(yàn)設(shè)計(jì)

3.1 試驗(yàn)樁和錨樁

表1結(jié)果顯示，Z1和Z4承臺(tái)位置樁最大試驗(yàn)荷載為9 000 kN，而另外兩處承臺(tái)樁最大試驗(yàn)荷載為13 500 kN。其中Z1和Z4承臺(tái)位置樁試驗(yàn)荷載相對(duì)較小，且位于河岸，可推薦使用堆載法試驗(yàn)，而Z2和Z3承臺(tái)位置樁試驗(yàn)荷載較大，所需空間大且位于河道中間，不適合堆載，本文提出采用錨樁反力法進(jìn)行樁基靜載試驗(yàn)。

表1 樁基靜載試驗(yàn)參數(shù)

Z2，Z3位置樁基平面布置如圖1所示，設(shè)計(jì)指定6號(hào)樁和17號(hào)樁為檢測(cè)樁，2號(hào)、3號(hào)、9號(hào)、10號(hào)樁以及13號(hào)、14號(hào)、20號(hào)、21號(hào)樁為反力樁。該加載方式可以實(shí)現(xiàn)對(duì)稱(chēng)加載，有效避免試驗(yàn)樁偏心受壓。錨樁截面配筋如圖2所示。其中樁底高程為-65 m，地面高程為10 m。地層由上到下分別為粉質(zhì)黏土層、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層、粉土粉砂層、強(qiáng)風(fēng)化巖層以及中風(fēng)化巖層。

3.2 錨樁抗拔力計(jì)算

表1給出了Z2,Z3承臺(tái)位置處樁基最大試驗(yàn)荷載Pz=13 500 kN，由此計(jì)算的單根錨樁所受的反向拉力Nt=Pz/4=13 500/4=3 375 kN。錨樁縱向鋼筋采用38根HRB400φ25 mm螺紋鋼，抗拉強(qiáng)度f(wàn)y=360 N/mm2，則單根錨樁所能提供的抗拔力為Ny=nfyAs=38×360×3.14×252×0.25/1 000=6 712 kN。鋼筋抗拔安全系數(shù)為K=Ny/Nt=1.99>1.5，證明2號(hào)、3號(hào)、9號(hào)、10號(hào)以及13號(hào)、14號(hào)、20號(hào)、21號(hào)樁作為錨樁滿(mǎn)足受力要求。

基樁的極限抗拔承載力標(biāo)準(zhǔn)值定義為：

Tk=λiqsikuili

(1)

其中，λi，qsik,ui，li分別為抗拔系數(shù)、第i層土側(cè)摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值、樁的周長(zhǎng)以及第i層土中樁的長(zhǎng)度。根據(jù)甲方提供的地勘報(bào)告計(jì)算Tk=16 685 kN。

根據(jù)規(guī)范要求，承受拔力的樁基應(yīng)驗(yàn)算群樁基礎(chǔ)呈非整體破壞時(shí)基樁的抗拔承載力，計(jì)算公式為：Nk=Tk/2+Gp，其中，Gp為樁的自重，地下水以下按浮重度計(jì)算。得到：Gp=0.25×3.14×1.22×75×(25-10)=1 271.7 kN(鋼筋混凝土重度按25 kN/m3取值)；則Nk=16 685÷2+1 271.7=9 614.2 kN。

由于Nk>Nt，安全系數(shù)K=Nk/Nt=2.85>1.5，因此錨樁樁身也滿(mǎn)足受力要求。

3.3 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)中設(shè)備儀器主要包括：50 t吊車(chē)1臺(tái)；3臺(tái)630 t千斤頂施力裝置及配套液壓泵1套；位移傳感器4個(gè)，量程為0 mm～50 mm；主梁2根；次梁4根；主次梁連接組件2套；次梁和錨樁連接件4套。

3.4 試驗(yàn)步驟

根據(jù)TB 10218—2019鐵路工程基樁檢測(cè)技術(shù)規(guī)程[13]，試驗(yàn)主要分為以下步驟：1)開(kāi)挖成孔，灌裝成樁。完成所有試驗(yàn)所需的橋墩和樁基澆筑。2)待混凝土強(qiáng)度達(dá)設(shè)計(jì)要求后，挖出試驗(yàn)樁及錨樁樁頭。3)在試驗(yàn)用樁頂部澆筑1.4 m×1.4 m的C40樁帽，并在頂部放一50 mm厚的樁頭板，用于千斤頂對(duì)稱(chēng)受力，放置3臺(tái)千斤頂，千斤頂上再放一張50 mm受力鋼板，在鋼板上對(duì)稱(chēng)放置主梁，兩端采用預(yù)制混凝土塊支撐。4)組裝次梁，將每根次梁對(duì)稱(chēng)放置于主梁之上，并采用螺栓與主梁進(jìn)行固定。次梁兩端采用預(yù)制混凝土塊進(jìn)行支撐，并在次梁上部正對(duì)錨樁位置放置4個(gè)預(yù)先焊接好的枕頭鐵塊，最后采用焊接的方法將錨樁主筋滿(mǎn)焊于次梁上部的枕頭鐵塊上。5)在檢測(cè)樁外側(cè)6 m處布設(shè)4個(gè)φ50 mm的基準(zhǔn)樁，并安裝好具有足夠剛度的基準(zhǔn)梁。梁的一端固定于基準(zhǔn)樁上，另一端簡(jiǎn)支于基準(zhǔn)樁上。固定好磁性表座，安裝好位移傳感器。試驗(yàn)過(guò)程中應(yīng)盡量避免外界振動(dòng)和其他因素對(duì)試驗(yàn)的影響。6)安裝完畢，檢查穩(wěn)定性。7)按照規(guī)范規(guī)定施加荷載并采用儀器自動(dòng)記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

本文在檢測(cè)6號(hào)樁時(shí)參照中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)，采用單循環(huán)加載法進(jìn)行試驗(yàn)，采用逐級(jí)等量加載，荷載分級(jí)取最大加載量的1/10，其中第一級(jí)取分級(jí)荷載的2倍，卸載時(shí)按加載分級(jí)荷載的2倍進(jìn)行。在檢測(cè)17號(hào)樁時(shí)參照美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)[14]，采用雙循環(huán)分級(jí)加載法進(jìn)行試驗(yàn)，其中第一次循環(huán)加載按照設(shè)計(jì)荷載的25%～100%進(jìn)行，并按照25%的模數(shù)加載，直至滿(mǎn)載，達(dá)到終極荷載時(shí)持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)度為6 h，并沿相同路徑卸載。

4 結(jié)果與分析

表2匯總了6號(hào)樁按中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行試驗(yàn)的數(shù)據(jù)，結(jié)果表明，當(dāng)加載至最大試驗(yàn)荷載時(shí)，試驗(yàn)樁累計(jì)沉降量為21.87 mm，卸載至零后，其沉降值為5.90 mm；表3匯總了17號(hào)樁按美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)加卸載過(guò)程中4個(gè)位移計(jì)的讀數(shù)結(jié)果，結(jié)果表明，第一次循環(huán)加載至設(shè)計(jì)荷載時(shí)，試驗(yàn)樁累計(jì)沉降量為5.47 mm，卸載至零后，其沉降值為2.48 mm。第二次循環(huán)加載，試驗(yàn)荷載達(dá)到設(shè)計(jì)荷載的1.5倍，試驗(yàn)樁基的沉降值為12.07 mm，卸載至零后樁頂沉降值為5.79 mm?？梢钥闯觯?根樁在加載試驗(yàn)荷載達(dá)到最大荷載時(shí)，樁的沉降值最大不大于0.1倍樁徑，滿(mǎn)足國(guó)內(nèi)TB 10218—2019鐵路工程基樁檢測(cè)規(guī)程安全性要求，也證明本文試驗(yàn)具有合理性。

表2 樁基靜載試驗(yàn)單循環(huán)加卸載及沉降量(6號(hào)樁)

表3 樁基靜載試驗(yàn)雙循環(huán)加卸載及沉降量(17號(hào)樁)

圖3，圖4為分別采用中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)和美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)匯總得到加卸載情況下，試驗(yàn)樁的沉降位移曲線。結(jié)果表明，試驗(yàn)樁在循環(huán)加卸載工況下，樁的位移能夠滿(mǎn)足規(guī)范的安全性要求，在最大試驗(yàn)荷載作用后Q-S曲線能夠近似滿(mǎn)足線性。該結(jié)果證明，樁處于彈性工作狀態(tài)，滿(mǎn)足安全性要求。

5 結(jié)論

本文以京滬高鐵大勝關(guān)大橋樁基為研究對(duì)象，開(kāi)展了樁基靜載試驗(yàn)，基于錨樁反力法，確定了樁基的豎向承載力，得到以下兩點(diǎn)結(jié)論：

1)根據(jù)我國(guó)規(guī)范規(guī)定，錨樁數(shù)量需大于4根，但美規(guī)沒(méi)有做規(guī)定。實(shí)際工程中如果錨樁小于4根，需進(jìn)行單樁鋼筋抗拉力和樁基抗拉力驗(yàn)算，如果驗(yàn)算不滿(mǎn)足，需要進(jìn)行錨樁預(yù)埋鋼絞線處理。

2)按中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)加載至最大試驗(yàn)荷載時(shí)，試驗(yàn)樁累計(jì)沉降量為21.87 mm，卸載至零后其沉降值為5.90 mm；按美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)，第一次循環(huán)加載至設(shè)計(jì)荷載時(shí)，試驗(yàn)樁累計(jì)沉降量為5.47 mm，卸載至零后其沉降值為2.48 mm。第二次循環(huán)加載至設(shè)計(jì)荷載的1.5倍時(shí)，試驗(yàn)樁基的沉降值為12.07 mm，卸載至零后樁頂沉降值為5.79 mm?？梢员容^看出，采用中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)和美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)樁最終卸載至零的累計(jì)沉降量基本接近，但在加載至最大荷載時(shí)，中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)的累計(jì)沉降量比美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)的累計(jì)沉降量更大，且中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)的每級(jí)加載時(shí)間更長(zhǎng)，更加符合鐵路大橋的實(shí)際工況，保證大橋運(yùn)營(yíng)期間安全穩(wěn)固。