自平衡試樁法在城市高架橋中的應用

馮濤 王慶恒

1.濟南市公路管理局 山東濟南 250013；2.濟南通達公路工程有限公司 山東章丘 250200

摘要：自平衡試樁法是近幾十年發展起來的一種試樁方法，其具有占地面積小，加載快，節省試驗費用，應用范圍廣等一系列特點，在城市高架橋工程中具有其他方法無法比擬的優勢，其在濟廣高速濟南連接線工程（濟南二環西路高架橋工程）中的成功應用具有一定的典型性，可供以后的類似工程參考。

關鍵詞：自平衡；試樁；高架橋；應用

1前言

隨著我國城市化進程的加快，我國城市建設的規模也越來越大，交通問題也越來越突出，高架橋是解決城市交通擁堵問題的有力手段之一，它能夠使交通途徑立體化，充分利用城市里有限的空間，而在城市高架橋建設過程中采用樁基是一種重要的基礎形式，樁基具有承載力、適應性強、施工方法多等特點，但基樁承載力的確定是保證工程質量的重要前提。在實際應用中，現場靜載試驗被認為是最可靠的承載力確定方法。然而長期以來，由于傳統的靜載試驗的費用、時間、人力消耗都較大，廣泛推廣應用到城市高架橋的建設中，顯然困難重重，因此人們常力圖回避傳統的靜載試驗。本文介紹一種新的靜載試驗方法———自平衡試樁法的特點及其在高架橋樁基工程中的應用。

2自平衡試樁法

2.1試驗原理

自平衡測樁法是在樁身平衡點位置安設荷載箱，沿垂直方向加載，即可同時測得荷載箱上、下部各自承載力。自平衡測樁法的主要裝置是一種經特別設計可用于加載的荷載箱。它主要由活塞、頂蓋、底蓋及箱壁四部分組成。頂、底蓋的外徑略小于樁的外徑，在頂、底蓋上布置位移棒。將荷載箱與鋼筋籠焊接成一體放入樁體后，即可澆搗混凝土成樁。

試驗時，在地面上通過油泵加壓，隨著壓力增加，荷載箱將同時向上、向下發生變位，促使樁側阻力及樁端阻力的發揮，如圖1所示。

圖 1樁承載力自平衡試驗示意圖

荷載箱中的壓力可用壓力表測得，荷載箱的向上、向下位移可用位移傳感器測得。因此，可根據讀數繪出相應的“向上的力與位移圖”及“向下的力與位移圖”，根據向上、向下Q-S曲線判斷樁承載力、樁基沉降、樁彈性壓縮和巖土塑性變形。

基樁自平衡試驗開始后，荷載箱產生的荷載沿著樁身軸向往上、往下傳遞。假設基樁受荷后，樁身結構完好（無破損，混凝土無離析、斷裂現象），則在各級荷載作用下混凝土產生的應變量等于鋼筋產生的應變量，通過量測預先埋置在樁體內的鋼筋應變計，可以實測到各鋼筋應變計在每級荷載作用下所得的應力—應變關系，可以推出相應樁截面的應力—應變關系，那么相應樁截面微分單元內的應變量亦可求的。由此便可求得在各級荷載作用下各樁截面的樁身軸力及軸力、摩阻力隨荷載和深度變化的傳遞規律。

2.2自平衡試樁法特點[1]

自平衡試樁法相對于傳統試樁法（堆載法和錨樁法）具有以下幾個特點：

1）裝置較簡單，不占用場地，不需運入數百噸或數千噸物料，不需構筑笨重的反力架，試樁準備工作省時省力；

2）該法利用樁的側阻與端阻互為反力，因而可測得側阻力與端阻力和各自的荷載～位移曲線；

3）試驗費用省。盡管荷載箱為一次性投入器件，但與傳統方法相比可節省試驗總費用的；

4）試驗后試樁仍可作為工程樁使用，必要時可利用預埋管對荷載箱進行壓力灌漿；

5）方便的重復試驗。可在不同的樁端深度（雙荷載箱或多荷載箱技術）和同一樁端深度的不同的時間（后壓漿試樁效果對比）在同一根樁上方便的進行試驗；

6）可得到土阻力的靜蠕變和恢復效果。試驗荷載可保留所需的任意長時間段，因此可實測樁側和樁端阻力的蠕變行為的數據；

7）在下列情況下或當設置傳統的堆載平臺或錨樁反力架特別困難或特別花錢時，該法更顯示其優勢，例如：水上試樁，坡場試樁，基坑底試樁，狹窄場地試樁，斜樁，嵌巖樁，抗拔樁等。這些都是傳統試樁法難以做到的。

3工程概況

濟廣高速濟南連接線工程（濟南二環西路高架橋工程）是濟南市迎接第十屆全國藝術節的重要交通建設項目，是濟南市南北方向重要城市道路（二環西路）。上部為城市快速路，下部地面道路為快速公交路（BRT系統）。因此，本項目按一級公路標準進行設計，同時滿足城市快速路標準；設計速度60公里/小時，雙向六車道，寬度25米；橋涵設計荷載：公路-I級；抗震按七度設防；采用高架橋方式。共設4對出入口匝道，匝道設計速度40公里/小時，單向雙車道，寬度9米。

主梁采用大懸臂預應力混凝土寬幅箱梁，單箱三室截面，縱橫向均施加預應力，根據受力的不同分別采用了墩梁固結、墩梁鉸結。橋墩采用柱式墩，矩形斷面，截面尺寸為1.4×1.7米。由于上部結構較寬，為了減小對路面行車道的干擾，橋墩基礎形式全為樁基，但全線地質條件變化較大，且局部存在溶洞、孤石等現象，所以為了減少橋梁運營過程中的安全隱患和節約工程成本，根據局部地質條件和上部結構特點，在全線共布置了6根試樁，分別采用自平衡試樁發進行樁基承載力試驗。

圖 2標準橫斷面

由于篇幅所限，這里沒有給出各個試樁的詳細數據，只在表1中列出了各個試樁的主要參數。

表1 試樁主要參數表

試樁編號 5-2 0-5 40-4 50-4 166-3 175-4

樁徑（mm） 1500 1200 1500 1500 1500 1500

樁長（m） 50.807 40 15.7 8.357 12.228 25.33

混凝土規格 C30 C30 C30 C30 C30 C30

設計承載力（kN） 23600 7000 21200 18600 25600 18600

目標承載力（kN） 23600 7000 21200 18600 25600 18600

荷載分級 11800kN

/10級 3500kN

/10級 5200kN

/10級 4500kN

/10級 12800kN

/15級 9300kN

/15級

荷載箱位置 樁端上18m 樁端上15m 樁端 樁端 樁端 樁端

成樁日期 2008-6-1 2008-6-4 2008-5-30 2008-5-20 2008-5-28 2008-6-18

試驗日期 2008-8-6 2008-6-25 2008-6-23 2008-6-22 2008-6-14 2008-7-3

5試樁施工及加載

試樁嚴格按設計圖紙施工。施工具體步驟如下：

1）按設計圖紙施工樁基礎，鉆孔時嚴格掌握鉆壓、防止偏孔、斜孔；

2）試樁鉆孔完成后，垂直度用孔徑儀設備檢測；

3）地面上綁扎和焊接鋼筋籠，將荷載箱與鋼筋籠連接成整體。由施工單位負責，測試單位配合，位移棒、聲測管與鋼筋籠綁扎成整體，確保護管不滲泥漿，同時確保鋼筋應變計位置正確并綁扎連接好；

4）埋荷載箱前檢查樁徑、樁長（包括荷載箱）、油管及鋼管長度、鋼管距離、應力計位置；

5）下鋼筋籠；

6）導管通過荷載箱到達樁端澆搗混凝土，澆混凝土至設計樁頂，當通過荷載箱處時，注意拔管速度；

7）保護油管及鋼管封頭，防止雜物漏入；

8）灌注水下混凝土時，制作了一定量的混凝土試塊，測試時作了混凝土強度、彈性模量試驗。

9）按照預設荷載，進行逐級加載，每級荷載作用下，上下兩段樁均達到相對穩定條件后方可加下一級荷載，依次類推，直至達到終止加載的條件，然后按照操作規程進行逐級卸載。

6測試結果和分析

本項目上所有的試樁都兼做工程樁，故加載目標值至設計承載力即停止試驗，即認為滿足設計要求，所做試樁情況如下表1所示。

在樁承載力自平衡測試中，測定了荷載箱的荷載、垂直方向向上和向下的移位量，以及樁在不同深度的應變等。通過樁的自平衡法測試得到的S-Q曲線可轉

圖3 自平衡法測試得到的沉降-加載曲線

化為與傳統的靜載荷試驗等效的S-Q曲線（圖3）。

圖4 自平衡測試結果轉換示意圖

（a）自平衡測試S-Q曲線；（b）等效轉換S-Q曲線

根據文獻[1]提供的轉換公式，可得各個試樁的豎向抗壓極限極限承載力，如表2所示。

由上表可以看出，按照測試結果分析后，試樁的極限承載力均達到設計要求。

表2 試樁抗壓極限極限承載力

試樁編號 5-2 0-5 40-4 50-4 166# 175#

設計承載力（kN） 23600 7000 21200 18600 25600 18600

試驗承載力（kN） 24812 7027 21360 18771 28139 19555

7小結

首先，自平衡試樁法裝置較簡單，不占用場地，不需運入數百噸或數千噸物料，不需構筑笨重的反力架，試樁準備工作省時省力，此特點在本次試樁中得到了驗證。

其次，試驗中的試樁包括了工程中常用的摩擦樁和端承樁，運用自平衡試樁法進行深層加載試驗，均達到了預期效果。

自平衡法深層載荷試驗方法不受工期和現場場地條件的限制，因而對于檢驗大直徑鉆孔灌注樁的極限承載力不失為一種簡捷而有效的方法。

參考文獻：

[1]龔維明，戴國亮.樁承載力自平衡測試技術及工程應用[M].北京：中國建筑工業出版社，2006.2

作者簡介：

馮濤，工作單位：濟南市公路管理局，郵編：250013。

王慶恒，工作單位：濟南通達公路工程有限公司，郵編：250200。