單樁載荷試驗樁—土荷載傳遞特征研究

任春山

(鐵道第三勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，天津　300251)

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單樁載荷試驗樁—土荷載傳遞特征研究

任春山

(鐵道第三勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，天津300251)

為了控制沉降，高速鐵路橋梁基礎(chǔ)通常采用混凝土樁，且在第四系松散地層多為較長的混凝土灌注樁。為了弄清長摩擦樁的樁-土荷載傳遞特性，開展了單樁豎向抗壓和水平靜載荷試驗，并通過在樁身中預(yù)埋設(shè)應(yīng)變測試元件，觀測樁土應(yīng)力變化，分析研究豎向荷載作用下樁側(cè)、樁端土阻力發(fā)揮程度，以及水平荷載作用下樁-土荷載傳遞變化規(guī)律。

載荷試驗單樁承載力樁側(cè)摩阻力樁端阻力樁側(cè)土水平抗力系數(shù)的比例系數(shù)

橋梁樁基礎(chǔ)承擔(dān)著橋梁的全部荷載，它的工作性狀對橋梁的安全、高速、平穩(wěn)運營有著決定性的影響。

某鐵路客運專線橋梁比例高達(dá)80%以上，而且大部分橋梁樁基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁。為更好地控制沉降，在第四系松散地層的樁多為長摩擦樁。為了驗證和優(yōu)化設(shè)計，做到安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理，在可行性研究階段進(jìn)行了單樁靜載荷試驗。現(xiàn)以某特大橋為例介紹載荷試驗樁-土荷載傳遞特性。

試驗地點位于天津市，橋梁結(jié)構(gòu)為32 m預(yù)應(yīng)力混凝土梁。試驗項目有單樁豎向抗壓靜載荷試驗、單樁水平靜載荷試驗等。該組試樁由3根試驗樁和8根錨樁組成，均為鉆孔灌注樁，成孔施工采用泥漿反循環(huán)工藝。樁長為52.9 m，樁直徑為1.0 m。為了安裝樁身內(nèi)力測試元件，試樁鋼筋籠主筋為15根φ20mm的通長鋼筋，頂部雙筋段長5.95 m。設(shè)計單樁豎向抗壓承載力4 335 kN、水平承載力159 kN。為保證試驗結(jié)果的可靠性，還進(jìn)行了樁孔成孔質(zhì)量超聲波檢測和樁身質(zhì)量低應(yīng)變反射波法、聲波透射法檢測。試驗時樁身混凝土齡期為33 d。

1　單樁豎向靜載荷試驗

試驗采用錨樁反力梁裝置，試驗控制與數(shù)據(jù)采集由專用的載荷試驗儀完成，具有自動補(bǔ)載、判穩(wěn)、記錄等功能。試驗分級荷載為950 kN，第一級為分級荷載的2倍，采用慢速維持荷載法試驗。

根據(jù)各級荷載下的樁頂觀測數(shù)據(jù)繪制荷載—沉降(Q—s)曲線、沉降—時間對數(shù)(s—lgt)曲線、沉降—荷載對數(shù)(s—lgQ)曲線。圖1為1號試樁曲線，根據(jù)曲線特征判定1號試樁單樁極限承載力為9 500 kN。

圖1　荷載、沉降、時間關(guān)系曲線

根據(jù)試驗點地層分布情況，在樁身中預(yù)埋設(shè)13層測試元件(如圖2)。其中最上層位于樁頂下0.5 m，為樁身混凝土模量標(biāo)定層；最下層位于樁底以上0.5 m，為樁端阻力校核層。樁底埋設(shè)3個壓力盒，測試元件均為振弦式。

圖2　各級荷載作用下樁側(cè)土摩阻力最大值

根據(jù)各級荷載作用下的測試數(shù)據(jù)整理計算樁身軸力，計算時測試截面處的樁身截面積依據(jù)超聲測孔資料計算確定，圖3為超聲測孔曲線，圖4為軸力分布圖。

圖3　超聲波測孔曲線

圖4　樁身軸力分布

圖5至圖10分別為各級荷載作用下樁身沉降、樁側(cè)及樁端土阻力變化曲線。圖2為各級荷載下作用樁側(cè)土摩阻力最大值分布。

圖5　樁身沉降變化

圖6　樁側(cè)土阻力隨深度變化

圖7　樁側(cè)土阻力隨樁頂荷載變化

圖8　樁側(cè)土阻力隨樁身沉降變化

圖9　各級荷載下樁端阻力變化

圖10　樁端阻力隨樁端位移變化

2　單樁水平靜載荷試驗

試驗條件為樁頂自由，采用錨樁與試樁對頂，3根試樁有2根采用單向多循環(huán)方式加載，另1根采用維持荷載法(穩(wěn)定法)。試驗開始時間控制在完成豎向抗壓試驗5 d后進(jìn)行。根據(jù)樁及樁側(cè)土的參數(shù)，預(yù)估(α·h)=4.0對應(yīng)的深度為9.0 m，因此抗彎測試元件布置在樁頂下11 m深度范圍內(nèi)，其豎向深度位置見表1。每層受拉、受壓側(cè)各布置一個，拉、壓側(cè)傳感器的水平間距b0=0.816 m，測試元件為振弦式，分級荷載為30 kN。

3號試樁采用慢速維持荷載法，共施加荷載11級。圖11至圖18為3號樁的試驗成果曲線。根據(jù)曲線特征判定單樁水平臨界荷載Hcr=240 kN，極限荷載Hu=300 kN，臨界荷載對應(yīng)的樁側(cè)土水平抗力系數(shù)的比例系數(shù)m=6.6 MN/m4，樁身最大彎矩出現(xiàn)在樁頂以下5 m附近。

表1　樁身水平測試元件深度位置

圖11　樁頂荷載-位移曲線

圖12　樁頂荷載-位移梯度曲線

圖13　各級荷載作用下樁身彎矩

圖14　各級荷載作用下樁側(cè)土抗力

圖15　各級荷載作用下樁身位移

圖16　各級荷載作用下樁側(cè)土抗力系數(shù)

圖17　不同深度樁身位移-土抗力曲線

圖18　各級荷載作用下不同深度的m值

3　單樁荷載傳遞特性分析

3.1試驗結(jié)果

試驗研究結(jié)果表明：該組試樁單樁極限承載力統(tǒng)計值為8 550 kN，是設(shè)計單樁豎向抗壓承載力的1.97倍。對應(yīng)單樁極限承載力時端阻發(fā)揮平均為327.8 kPa，占單樁極限承載力的2.59%。

單樁水平極限承載力取3根樁極限承載力的平均值，即Hu=326 kN。當(dāng)按樁身強(qiáng)度控制水平承載力時，單樁水平承載力特征值取3根試樁單樁水平臨界荷載的平均值，即Hcr=230 kN，對應(yīng)臨界荷載的地基土水平抗力系數(shù)的比例系數(shù)m=6 745(kN/m4)。當(dāng)樁受長期水平荷載作用且樁不允許開裂時，單樁水平承載力特征值可取3根試樁單樁水平臨界荷載平均值的0.8倍，即Hcr=184 kN。根據(jù)彎矩分布特征，最大加載量時最大彎矩點深度在5.0 m附近，最大抗力位置在3.0 m處。

3.2豎向荷載的傳遞特性

(1)在樁頂荷載達(dá)到樁土極限狀態(tài)條件下，35 m以上樁側(cè)摩阻力出現(xiàn)了峰值，35 m以下未出現(xiàn)峰值。

(2)試驗得到的樁側(cè)摩阻力最大值與土的性質(zhì)和土層的豎向分布位置有關(guān)。在本項目試驗條件下，32 m以上基本和鐵路橋涵設(shè)計規(guī)范推薦值一致，32～47 m高于橋規(guī)中的推薦值，47 m以下遠(yuǎn)低于橋規(guī)中的推薦值，估計樁底沉渣對此有一定的影響。

(3)在設(shè)計允許荷載(4 335 kN)作用下樁端阻力平均為55.1 kPa，僅為樁頂荷載的2.1%；在極限荷載(8 550 kN)作用下樁端阻力為樁頂荷載的2.59%，占比較小，符合摩擦樁特性；在破壞荷載作用下樁端阻平均值為1 455.2 kPa，占樁頂荷載的10.8%。

3.3水平荷載的傳遞特性

在樁頂自由施加水平力的條件下，樁土荷載傳遞性狀有以下特點：

(1)樁身最大彎矩出現(xiàn)在樁頂下5 m附近，與荷載大小關(guān)系不大。

(2)樁側(cè)土抗力系數(shù)在2.5 m以下表現(xiàn)出與深度成正比例關(guān)系，符合m法的變化規(guī)律。

(3)實測樁側(cè)土水平抗力系數(shù)的比例系數(shù)m值與鐵路橋涵設(shè)計規(guī)范的推薦值一致。

4　結(jié)論

對某鐵路客運專線橋梁基礎(chǔ)長摩擦樁的單樁豎向抗壓和水平靜載荷試驗結(jié)果進(jìn)行了介紹，分析了長摩擦樁的樁-土荷載傳遞特性，研究成果驗證了橋梁樁基設(shè)計，并據(jù)此優(yōu)化了部分樁長，并得到以下幾點結(jié)論：

(1)樁側(cè)摩阻力最大值與土的性質(zhì)和土層的豎向分布位置有關(guān)，樁身上部的側(cè)摩阻力基本與規(guī)范推薦值一致，樁身中下部高于橋規(guī)中的推薦值。樁底沉渣會對樁端附近樁身的承載力發(fā)揮造成一定影響，在施工過程中要控制好沉渣厚度。

(2)單樁水平承載性狀與鐵路橋涵設(shè)計規(guī)范一致。在本項目試驗條件下，樁身最大彎矩出現(xiàn)在樁頂下5 m附近，與荷載大小關(guān)系不大，樁側(cè)土抗力系數(shù)在2.5 m以下表現(xiàn)出與深度成正比例關(guān)系。

(3)對于長摩擦樁，在長徑比適宜的條件下宜選用超過35 m的長樁，更大地發(fā)揮樁身中下部樁側(cè)摩阻力，更好地控制沉降。

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Study on the Pile-soil Load Transfer Characteristics in Single pile load test

REN Chunshan

2016-01-08

任春山(1965—)，男，1988年畢業(yè)于西南交通大學(xué)工程物探專業(yè)，高級工程師。

1672-7479(2016)02-0024-04

TU473.1

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