自平衡法在河口黃河大橋單樁承載力測試中的應(yīng)用

廖海東

（甘肅省公路管理局,甘肅 蘭州 730030）

自平衡法在河口黃河大橋單樁承載力測試中的應(yīng)用

廖海東

（甘肅省公路管理局,甘肅 蘭州 730030）

河口黃河大橋位于蘭州市西固區(qū)河口鎮(zhèn)，是蘭州南繞城高速公路的控制型工程。橋梁上部結(jié)構(gòu)為（177+360+177+2× 40+5×35）m預(yù)制箱梁與變截面連續(xù)梁組合橋，下部為柱式墩臺。橋基主要持力層為白堊系黏土巖，屬于弱膨脹性軟巖。確定單樁承載力是該橋勘察設(shè)計的主要任務(wù)之一。基于自平衡法靜載試驗(yàn)，對橋址白堊系黏土巖的單樁承載特性進(jìn)行了系統(tǒng)研究。

自平衡法；單樁承載力；黏土巖；河口黃河大橋

0　引言

單樁軸向承載力是指單樁在產(chǎn)生一定的樁頂變形條件下所能支承的最大軸向靜荷載。目前，主要通過靜荷載試驗(yàn)、理論計算、經(jīng)驗(yàn)公式和動力公式等方法來確定。自平衡法是樁基靜載荷試驗(yàn)的一種，也稱“通莫靜載法”，最早由以色列提出。李正祥[1]指出在計算樁基極限承載能力的公式中無法確定自平衡點(diǎn)，荷載箱的放置位置還存在一定的隨意性。徐風(fēng)云[2]認(rèn)為樁土體系在理論上和實(shí)際上都不存在所謂的“自平衡點(diǎn)”，轉(zhuǎn)換理論與分析方法不能模擬工程樁樁土體系的真實(shí)受力行為。徐長節(jié)等[3]通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，自平衡法試樁上部樁與靜載試驗(yàn)法試樁的樁身受力特性差別完全相反，前者樁側(cè)摩阻力由下及上發(fā)揮，后者樁側(cè)摩阻力由上及下發(fā)揮．并提出了砂性土、黏性土及圓礫的側(cè)摩阻力折減系數(shù)。李君等[4]結(jié)合現(xiàn)場樁基原位試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在測試尚未達(dá)到樁的極限承載力前,自平衡法等效轉(zhuǎn)換曲線的樁頂位移相對錨樁法試驗(yàn)結(jié)果偏于保守。鮑育明等[5]對自平衡法測得的Q1-S1和Q2-S2曲線如何能精確地轉(zhuǎn)化成傳統(tǒng)的樁頂Q-S曲線進(jìn)行了研究,提出了合理確定Q-S曲線的方法。奚笑舟等[6]假定樁側(cè)土與樁間的相互作用符合三折線形式的荷載傳遞函數(shù)，推導(dǎo)出了自平衡法試驗(yàn)中上段樁樁底的荷載-位移曲線的一組解析算式。

本文根據(jù)《樁承載力自平衡測試技術(shù)規(guī)程》（DB32-T291-1999）和《基樁靜載試驗(yàn)自平衡法》（JT/T 738-2009），通過自平衡法試驗(yàn)研究了河口大橋白堊系河口群黏土巖樁基承載特性。

1　工程概況

河口黃河大橋是蘭州南繞城高速公路的控制性工程。位于蘭州市西固區(qū)河口鄉(xiāng)，全長978.5 m，主橋采用（77+100+360+100+77）m結(jié)合梁斜拉橋，橋塔采用鋼筋混凝土A型塔，主梁采用工字鋼-混凝土結(jié)合梁。

橋址處黏土巖巖塊天然容重25.4 kN/cm3，天然狀態(tài)單軸抗壓強(qiáng)度12.41 MPa，屬于軟巖，軟化系數(shù)為0.83，為不易軟化巖石。巖石自由膨脹率為10.3%～39%，局部具弱膨脹性。巖塊波速為3.8～4.2 km/s，完整性等級為完整。彈性模量（Es）1.0～2.0 GPa，變性模量（E0）0.8～1.0 GPa。巖體工程特性見表1。

表1　黏土巖巖體抗剪強(qiáng)度

2　自平衡法試驗(yàn)概況

2.1試驗(yàn)?zāi)康?/p>

通過試樁對樁基的單樁垂直承載力及其他有關(guān)參數(shù)進(jìn)行分析比較，驗(yàn)證樁基的單樁垂直承載力及其他計算有關(guān)參數(shù)值，并驗(yàn)證該工程區(qū)域設(shè)計樁長的經(jīng)濟(jì)合理性。

2.2試樁位置

本次試樁共3根，第1根樁位于大橋2#墩2b-4（編號S1），第2根樁位于大橋3#墩3c-1（編號S2），第3根樁位于大橋8#墩1#樁（編號S3）。

2.3試樁參數(shù)

本次試樁參數(shù)見表2。

表2　自平衡試樁參數(shù)一覽表

2.4試驗(yàn)步驟

（1）加載設(shè)備。試樁采用三只環(huán)形荷載箱（HZX）專利產(chǎn)品（見圖1）。

圖1　荷載箱

（2）樁基澆筑。將焊接好的鋼筋籠放入鉆孔，并澆筑混凝土。

（3）荷載箱加壓。使用高壓油泵和0.4級精密壓力表進(jìn)行加壓，壓力表最大加壓值為60 MPa。

（4）基樁梁架設(shè)。布置平衡梁（基準(zhǔn)梁），采用I20a工字鋼。基準(zhǔn)樁采用I20a工字樁打入土中大于2 m。基準(zhǔn)梁一端與基準(zhǔn)樁鉸接，另一端與基準(zhǔn)樁焊接，基準(zhǔn)梁長度為8.0 m。為盡量減少試樁時外部因素的影響，搭設(shè)防風(fēng)蓬架（保護(hù)罩），確保測試時儀表不受外界環(huán)境的影響。

（5）位移計安裝。位移量測裝置試驗(yàn)時每根樁采用6只電子位移計量測試樁位移量的變位，通過磁性表座固定在基準(zhǔn)梁上，2只用于量測荷載箱頂板的向上位移，2只用于量測荷載箱底板的向下位移，2只用于量測樁頂向上位移。

（6）試驗(yàn)后荷載箱處壓漿

試樁試驗(yàn)結(jié)束后，對3根試樁進(jìn)行了荷載箱處的壓漿處理（見圖2）。

圖2　試樁荷載箱處壓漿

3　試驗(yàn)測試

加載采用慢速維持荷載法，以試樁S1為例。當(dāng)加載至第15級（對應(yīng)加載值為2×38 000 kN）時，荷載箱向上位移較大，位移迅速增加至32.92 mm，此時荷載無法穩(wěn)定，荷載箱上部上抬（見圖3），開始卸載。

圖3　S1樁頭上抬

根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)繪制的Q-s曲線、s-lgt曲線（見圖4、圖5）。試樁荷載箱下段樁極限承載力取第15級加載值Quxi=38 000 kN，試樁荷載箱上段樁極限承載力取第14級加載值Qusi=35 462 kN。

圖4　S1樁Q-s曲線

圖5　S1樁lgt-s曲線

從S1樁Q-s曲線分析可知，上段樁和下段樁發(fā)揮曲線均為緩變型曲線形態(tài)。

4　成果分析

4.1單樁豎向抗壓極限承載力確定

《基樁靜載試驗(yàn)自平衡法》（JT/T738-2009）根據(jù)各試樁的最終加載值，確定試樁的極限承載力（見表3）。

4.2軸力測試及相關(guān)指標(biāo)計算

（1）軸力計算

S1試樁樁加載軸力分布如圖6所示。

圖6　S1基樁軸力分布圖

（2）樁側(cè)阻力和樁端阻力如圖7所示。

圖7　S1樁側(cè)摩阻力-位移曲線

（3）S1樁端阻力如圖8所示。

圖8　S1樁端阻力-位移曲線

4.3試樁轉(zhuǎn)換結(jié)果

（1）極限承載力

采用等效轉(zhuǎn)換方法，各試樁極限承載力取等效轉(zhuǎn)換方法計算結(jié)果（見表4）。

表4　極限承載力及位移一覽表

從表4可以看出，樁S2位移為134 mm時，極限承載力達(dá)到75 707 kN，而樁S3位移為18.58 mm時，極限承載力達(dá)到8 055 kN。發(fā)生位移差別不大，但達(dá)到的極限承載力盡10倍。這主要是因?yàn)闃禨3基巖埋深為13 m，樁徑為2.5 m，而樁S2基巖埋深為6.8 m，樁徑為1.8 m。

（2）樁端承載力

各樁樁端承載力見表5。由表5可以看出，對于形同樁徑的樁S1（基巖埋深12.01 m）和樁S2（埋深6.8 m），S2發(fā)生位移5.05，樁端承載力即可達(dá)到19 367 kN，而S1發(fā)生位移15.65，樁端承載力即可達(dá)到18 758 kN。

表5　樁端承載力一覽表

如表6所示，樁徑為1.8 m時（樁S3），樁端阻力占21.14%。當(dāng)樁徑為2.5 m時，端阻力比例平均值為26.18%（樁S1和樁S2），可見，隨著樁徑的增大，端阻力所占比例增大。

4.4試樁轉(zhuǎn)換結(jié)果

巖土層設(shè)計參數(shù)取值見表7。S1、S2、S3試樁單樁設(shè)計承載力分別為60 000 kN、60 000 kN、4 000 kN，其實(shí)測承載力分別為70 048 kN、75 707 kN、8 182 kN。

表6　承載力構(gòu)成一覽表

表7　巖土層設(shè)計參數(shù)建議值　kPa

5　結(jié)論

（1）河口群黏土巖極限承載力荷載箱下段極限承載力分別為35 462 kN、38 000 kN、3 733 kN；荷載箱上段極限承載力分布為38 000 kN、38 000 kN、4 000 kN。

（2）河口群黏土巖上段樁和下段樁發(fā)揮曲線均為緩變型曲線形態(tài)。

（3）基巖埋深和試樁樁徑對基巖極限承載力的測定有一定影響。

（4）黏土巖實(shí)測強(qiáng)風(fēng)化層最大側(cè)阻力平均值84.8，中風(fēng)化最大側(cè)阻力平均328.3。

（5）3根試樁的承載力均可以滿足設(shè)計要求。因3根試樁的荷載箱下段樁均未達(dá)到極限值，試樁的極限承載力均大于實(shí)測值。嵌巖樁上部土體沒有充分發(fā)揮，與橋梁地基基礎(chǔ)規(guī)范中發(fā)揮系數(shù)基本一致。

[1]徐風(fēng)云.樁承載力自平衡法的可靠性之質(zhì)疑[J].公路，2004（7）: 12-19.

[2]徐長節(jié)，李碧青，蔡袁強(qiáng).自平衡法試樁的承載特性試驗(yàn)研究[J].浙江大學(xué)學(xué)報 :工學(xué)版,2012,46（7）:1263-1268.

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[4]胡柏學(xué)，袁銅森，楊春林，等.靜載試驗(yàn)與自平衡法在巖溶地區(qū)應(yīng)用對比分析[J].公路工程，2009,34（5）:1-12.

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[6]鮑育明，劉亞文，李志成，等.自平衡法在樁基承載力檢測中的應(yīng)用[J].解放軍理工大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2003,4（3）:49-52.

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U445.55

B

1009-7716（2016）10-0100-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.10.031

2016-06-28

廖海東（1974-），男，甘肅天水人，高級工程師，從事交通建設(shè)項目技術(shù)、質(zhì)量行業(yè)管理工作。