某橋梁雙荷載箱自平衡法檢測(cè)樁基承載力試驗(yàn)分析

陳 洋

（貴州橋梁建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司,貴州 貴陽(yáng) 550001）

0 引言

自平衡法是一種較新型的基礎(chǔ)樁靜載測(cè)試技術(shù)，它是將帶有千斤頂?shù)暮奢d箱置于樁的平衡點(diǎn)，該位置樁基上下樁體的承載力相等，并通過(guò)上樁體的側(cè)摩擦力、下樁體的側(cè)摩阻、端阻力來(lái)維持加載的試驗(yàn)過(guò)程[1]。為了解決單荷載箱體的定位誤差無(wú)法準(zhǔn)確地反映樁身的實(shí)際承載力問(wèn)題，該文提出了一種利用雙荷載箱自平衡方法來(lái)測(cè)試樁承載力的方法，采用這種方法可以測(cè)量樁身上部和下部的側(cè)阻力和樁端阻力[2-3]。將兩個(gè)載荷箱置于樁的中間和下部，用以測(cè)量各個(gè)部位的阻力，由此可以判定樁的承載能力。

1 工程概況

該文以某高速公路大橋工程為背景，根據(jù)設(shè)計(jì)的試樁條件，對(duì)試樁進(jìn)行了全破壞試驗(yàn)。根據(jù)大橋初步設(shè)計(jì)方案，試樁地點(diǎn)在西引橋3-1號(hào)樁附近，場(chǎng)區(qū)地質(zhì)具體情況詳見(jiàn)圖1。

圖1 西引橋3-1號(hào)樁地質(zhì)圖

根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙及相關(guān)附件要求，西引橋3-1號(hào)試樁樁長(zhǎng)為33 m，設(shè)計(jì)要求的單樁容許承載力為6 785 kN，該次試樁主要參數(shù)見(jiàn)表1。對(duì)該試驗(yàn)樁進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)目的主要包括：?jiǎn)我粯扼w的豎向抗壓極限能力、樁基側(cè)面各地層的側(cè)向摩阻力、樁端阻力。

表1 自平衡試樁設(shè)計(jì)參數(shù)表（試樁編號(hào)：西引橋3-1號(hào)）

2 基樁承載力自平衡法雙荷載箱技術(shù)原理

樁基礎(chǔ)承載能力強(qiáng)、穩(wěn)定性好，在各種工程中得到了廣泛的應(yīng)用，而樁基承載能力的測(cè)試是確保樁基承載能力和工程安全性的先決條件[4-5]?；鶚冻休d力自平衡方法是在樁身中預(yù)先埋置一種特殊的載荷設(shè)備，即荷載箱，然后在灌注混凝土前與鋼筋籠一同埋于樁中對(duì)應(yīng)的部位，并將荷載容器的壓力管道和其他需要的檢測(cè)設(shè)備從樁身引至地面，其測(cè)試設(shè)備見(jiàn)圖2。試驗(yàn)樁灌注成型，達(dá)靜止齡期后，用壓力泵將載荷箱在地面上經(jīng)過(guò)預(yù)先埋好的管道進(jìn)行加壓和加載，從而使載荷箱產(chǎn)生上下兩個(gè)方向的作用力，并將其傳遞到樁身上。在荷載作用下，樁身的反作用力等于兩次靜載荷試驗(yàn)的結(jié)果：1）在荷載作用下，上部樁身在逆向荷載作用下的響應(yīng)參數(shù)；2）在荷載作用下，得到下層樁身在前載荷作用下的響應(yīng)參數(shù)。通過(guò)計(jì)算分析荷載與位移、應(yīng)力等的關(guān)系，得出了樁身承載力、樁端承載力、側(cè)摩阻力、摩阻轉(zhuǎn)換系數(shù)等參數(shù)。

圖2 自平衡試樁法試驗(yàn)示意圖

樁基礎(chǔ)雙荷箱承載力測(cè)試的主要設(shè)備是采用特殊的傳感器，在樁基混凝土澆筑之前，將承載箱體置于樁基鋼筋籠中。檢測(cè)階段，須確定荷載容器的埋設(shè)位置，也就是平衡點(diǎn)。所述負(fù)載容器由液壓千斤頂、頂板、底板等組成[6]。在試驗(yàn)中，為了測(cè)量樁側(cè)土的摩擦力和頂端的阻力，將高壓油泵注入負(fù)載箱內(nèi)而推動(dòng)液壓千斤頂，以施加荷載于樁體，來(lái)測(cè)量樁身的摩擦力和頂端的阻力。雙向荷載箱測(cè)試承載力的過(guò)程見(jiàn)圖3所示。

圖3 雙向荷載箱測(cè)試承載力示意

3 試樁目的及荷載箱埋設(shè)位置

為確保結(jié)構(gòu)安全可靠，樁基入土深度需合理，主橋的地質(zhì)狀況和現(xiàn)場(chǎng)施工條件均有必要進(jìn)行試樁試驗(yàn)。試樁的目的包括：1）通過(guò)對(duì)分級(jí)加卸載后的荷載-變形曲線進(jìn)行分析，得出單樁豎向抗壓極限承載力，以檢驗(yàn)其是否符合設(shè)計(jì)規(guī)范；2）對(duì)每一地層的樁側(cè)摩擦力、樁端阻力等力學(xué)指標(biāo)進(jìn)行校核，為該工程的樁基礎(chǔ)施工圖設(shè)計(jì)提供較為精確的數(shù)據(jù)；3）對(duì)現(xiàn)場(chǎng)鉆孔樁成孔工藝的優(yōu)化進(jìn)行分析，以便選擇適當(dāng)?shù)臋C(jī)械和裝備，以提高工程施工中的鉆孔效率[7]。

通過(guò)地質(zhì)勘察資料提供的地層參數(shù)及樁基參數(shù)計(jì)算確定荷載箱預(yù)埋位置：1）試樁名稱為某大橋工程西引橋3-1樁基；2）試樁設(shè)計(jì)參數(shù)為樁徑為1.2 m、設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)為33+0.12（m）、計(jì)算參考柱狀圖見(jiàn)圖1；3）計(jì)算過(guò)程及結(jié)論見(jiàn)表2。

表2 荷載箱預(yù)埋位置計(jì)算表

4 雙荷載箱自平衡法檢測(cè)技術(shù)要點(diǎn)

4.1 儀器、設(shè)備測(cè)試元件的安裝

（1）加載方式：1）將預(yù)制的荷載箱置于計(jì)算位置；2）將荷載箱上下外徑鋼環(huán)分別與上部鋼筋籠和下部鋼筋籠連接，并平放于樁身中央位置；3）高壓管道應(yīng)直接沿著豎向主筋定位，應(yīng)延伸出樁頂5 m以上；4）在進(jìn)行測(cè)試前，荷載箱、高壓油泵等的裝載設(shè)備，應(yīng)由省級(jí)計(jì)量標(biāo)定單位進(jìn)行系統(tǒng)地檢測(cè)和校準(zhǔn)。

（2）應(yīng)力檢測(cè)及位移監(jiān)控系統(tǒng)：1）采用鋼筋計(jì)進(jìn)行樁體應(yīng)力檢測(cè)，宜將其置于兩個(gè)不同的土質(zhì)層交界處，與樁底、樁頂、荷載箱之間的間距不得少于1倍樁徑，并在同一剖面上均勻?qū)ΨQ布置4根；2）通常使用靜態(tài)分析采集裝置進(jìn)行位移試驗(yàn)，測(cè)量裝置的另一頭與安裝在基準(zhǔn)梁上的電子測(cè)量計(jì)相連接。每根試驗(yàn)樁均應(yīng)布置兩套位移傳感器，以測(cè)量載荷箱體的上下位移；3）在每個(gè)試樁樁頂部設(shè)置一套測(cè)量樁頂位移的位移傳感器；4）位移試驗(yàn)的原件應(yīng)通過(guò)省級(jí)計(jì)量站標(biāo)定，然后置于樁頂部及基準(zhǔn)梁上，基準(zhǔn)梁與載荷箱焊接的位移桿件相連。

4.2 試樁前期現(xiàn)場(chǎng)工作

（1）對(duì)試樁樁頭進(jìn)行處理，將灌注在混凝土中的油管、鋼筋計(jì)傳輸線、位移桿等外露于樁體側(cè)面，通過(guò)超聲波檢測(cè)，保證樁體的完整性[8]。

（2）將油管與相應(yīng)高壓油泵相連，并對(duì)載荷箱進(jìn)行壓力測(cè)試，以確定該載荷系統(tǒng)能正常工作。

（3）在試樁的上部設(shè)置基準(zhǔn)梁，在適當(dāng)?shù)奈恢冒惭b電子測(cè)微計(jì)，使測(cè)量?jī)x的接觸點(diǎn)剛好與位移桿件接觸，然后對(duì)各個(gè)測(cè)試儀器進(jìn)行校正、調(diào)試[9]。

（4）安裝遮風(fēng)棚，為試驗(yàn)做好準(zhǔn)備。

4.3 荷載箱加、卸載要點(diǎn)

加載方式為緩慢維持載荷法，按分段等載荷方式進(jìn)行，各階段載荷應(yīng)為最大載荷的1/10，第一級(jí)載荷應(yīng)為分級(jí)載荷的2倍。在每一階段的加載（卸載）后的第1 h內(nèi)，應(yīng)在第5 min、10 min、15 min、30 min、45 min、60 min測(cè)得位移，之后每30 min測(cè)一次，直到達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)，才能進(jìn)行下一階段的加載。

卸載分級(jí)進(jìn)行，每級(jí)卸載量宜取加載時(shí)分級(jí)荷載的2倍，且應(yīng)逐級(jí)等量卸載；加、卸載時(shí)，應(yīng)使荷載傳遞均勻、連續(xù)、無(wú)沖擊，并保持荷載維持期間，各階段荷載的變動(dòng)不能大于分級(jí)荷載的±10%，卸載至零后應(yīng)觀察2 h以上，測(cè)讀時(shí)間間隔要求同加載方式一致。

各階段加卸載量的穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)為：1）樁端為巨粒土、粗粒土、硬質(zhì)土，最后30 min，位移量不大于0.1 mm；2）樁端為半硬黏性土壤或細(xì)顆粒土壤，最后l h，位移量不大于0.1 mm。

上下兩個(gè)方向應(yīng)分別確定和計(jì)算，在平衡狀態(tài)下，兩個(gè)方向均應(yīng)滿足結(jié)束載荷的要求，才能結(jié)束載荷。各方向的載荷結(jié)束狀態(tài)及對(duì)應(yīng)的極限載荷數(shù)值具體規(guī)定包括：1）總位移超過(guò)40 mm，而該階段載荷的位移大于或等于前一階段載荷的5倍以上，則結(jié)束載荷，以該端部最小的一階負(fù)荷為最終載荷；2）當(dāng)總位移超過(guò)40 mm時(shí)，在該階段加載24 h內(nèi)不能達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，即可結(jié)束負(fù)載，以該端部最小的一階負(fù)荷為最終載荷；3）在巨粒土、密實(shí)砂土、黏性土中，其位移不超過(guò)40 mm，但其荷載超過(guò)或等于設(shè)計(jì)荷載乘以安全系數(shù)時(shí)，應(yīng)停止荷載，將該時(shí)刻的載荷作為其最大載荷；4）施工階段所進(jìn)行的檢驗(yàn)性試驗(yàn)，應(yīng)當(dāng)加載至2倍設(shè)計(jì)荷載為止。如果樁的總位移量不超過(guò)40 mm，則該樁可進(jìn)一步進(jìn)行試樁試驗(yàn)。

該橋梁項(xiàng)目西引橋3-1樁基荷載箱加、卸載值見(jiàn)表3。

表3 西引橋3-1樁基荷載箱加、卸載建議值

5 結(jié)論

綜上所述，采用雙載荷箱法對(duì)樁身進(jìn)行受力測(cè)試，并結(jié)合工程實(shí)踐，對(duì)樁基上、中、下樁軸承載力進(jìn)行精確計(jì)算。這與傳統(tǒng)單荷載箱檢測(cè)方法相比，能更精確地檢測(cè)出樁基的承載力，為后續(xù)的樁基優(yōu)化工作提供了有效依據(jù)，也能夠使工程中樁基設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)受力更加符合實(shí)際工況。

雙荷載箱較單荷載箱法更能精確地測(cè)出樁基的實(shí)際承載力，因需在樁基中埋置雙荷載箱，給樁基施工帶來(lái)了困難，也對(duì)樁基灌注提出了更高的要求：1）在鋼筋籠加工安裝、混凝土澆筑過(guò)程中，傳感器的安裝數(shù)目增加，很可能會(huì)對(duì)傳感元件產(chǎn)生損傷，需要更加小心保護(hù)；2）雙荷載箱分別位于樁基的不同位置，需要更加精確的鋼筋籠加工水平，以及在起吊安裝時(shí)對(duì)鋼筋籠進(jìn)行防變形處理，這都增大了施工難度；3）雙荷載箱的中心孔位要對(duì)齊，由于混凝土灌注導(dǎo)管的作用較大，一旦發(fā)生偏移，將會(huì)使管道無(wú)法進(jìn)入鋼筋籠的底部。