益馬高速典型地層樁基自平衡試驗研究

付學問,雷金山,葉志凌,鄧立志,陸海平

(1湖南益馬高速公路建設開發有限公司，湖南 長沙 410008；2.中南大學 土木工程學院，湖南 長沙 410075；3.湖南中大設計院有限公司，湖南 長沙 410075)

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益馬高速典型地層樁基自平衡試驗研究

付學問1,雷金山2,葉志凌2,鄧立志3,陸海平3

(1湖南益馬高速公路建設開發有限公司，湖南 長沙 410008；2.中南大學 土木工程學院，湖南 長沙 410075；3.湖南中大設計院有限公司，湖南 長沙 410075)

樁基自平衡檢測試驗方法是一種新穎的、有效的樁基承載力檢測方法,具有加載靈活、不受場地限制、加荷量大、周期短、經濟性好等特點。針對益馬高速公路典型地層，采用自平衡法對大栗港高架橋摩擦樁樁基承載力進行測試，研究各級加載下樁端阻力發揮和側摩阻力的分布規律，分析影響側摩阻力發揮的主要因素。研究結果表明：泥皮過厚會降低樁側土(巖)層側摩阻力50%以上，是影響側阻力發揮的主要因素。

典型地層 摩擦樁；自平衡法；側摩阻力；樁端阻力；土壓力盒

美國學者J.Osterberg[1]在20世紀中期首次提出了自平衡測試法，展開了自平衡法在樁基承載力測試中的研究。此后在歐美和東亞也開始應用[2]，龔維明等[3-4]在1996年引進該技術并將其實用化。自平衡法通過試樁自身反力平衡來進行測試，在成樁時將荷載箱預埋在預先計算所得的平衡點處，通過油泵對荷載箱施加壓力，荷載箱則分別對上、下兩段樁產生向上、向下的豎向壓力，促使上段樁的樁側摩阻力與下段樁的樁端阻力與部分側摩阻力發揮，達到“自平衡”。相對于傳統試樁法，自平衡試樁法有著占地小、周期短、成本低、噸位大的特點，近年來，樁基自平衡測試法在我國已有廣泛的推廣[5-12]。本文針對益馬典型地層在大栗港大橋樁基采用自平衡法測試，研究了樁基的極限承載力，分析了樁的端阻力與側摩阻力的分布規律與特點及二者的相互影響。

1 工程概況與地質條件

大栗港高架橋地處桃江縣大栗港鎮。橋位區屬丘陵地貌。兩端橋臺附近地形起伏較大，益陽端地面高程約58.0～74.0 m，馬跡塘端地面高程約53.5～64.0 m。其余地段地形較平坦，地面高程約48.0～51.0 m，在K42+415附近有一溪溝，溪溝寬約15.0 m，沖溝中農田廣布，兩端橋臺附近民房較密集。橋位有簡易公路到達，交通方便。橋位溪溝兩旁因水利建設，筑有大量填土。

試樁為大栗港大橋24號樁基，該場地地質分層自上而下為：種植土：褐黃色、褐色，松散～松軟；填筑土：褐黃色、褐紅色，松散～稍密，主要由黏性土和板巖碎塊組成；粉質黏土：褐黃色、灰黃色，可塑～硬塑狀；細砂：褐黃色，中密，飽和，含少量黏性土，局部分布；卵石：雜色，飽和，中密；全風化板巖：紅褐色、褐黃色，巖芯呈硬土夾碎石碎塊狀；強風化板巖：褐黃色，巖芯呈半巖半土狀或塊狀、柱狀。試樁的地層分布及參數見表1。

表1 試樁地層分布

2 試樁測試元件布置

試樁成孔工藝為沖孔灌注樁，為摩擦樁型，樁徑d=1.5 m，樁長L=32 m，樁頂標高為51.27 m，樁底標高19.27 m，奠基巖層為強風化板巖。運用各土(巖)層的摩阻力建議值對荷載箱埋置點(平衡點)進行計算，最終確定荷載箱埋置位置為樁底向上5.5 m處，鋼筋計安裝斷面有8個，每個斷面安裝4個振弦式鋼筋計，安裝位置如圖1所示，信息如表2所示。

試樁在安裝自平衡基本裝置的基礎上在樁底安裝土壓力盒，土壓力盒可測的樁端阻力，對比自平衡法測試數據，驗證疊加轉換法的可靠性。試樁樁底埋置5個量程為4 MPa的土壓力盒。安裝步驟如下：1)用兩根鋼筋焊接成一個與鋼筋籠底部直徑相同的十字架；2)將5個直徑7cm的鐵餅焊接在十字架的中央和四端內側15 cm處；3)將5個土壓力盒用AB膠粘結在5個鐵餅處，在干燥的地方放置12 h；4) 將十字架焊接在鋼筋籠底端。安裝示意圖如圖2所示。

3 測試結果與數據分析

3.1 試樁測試結果

試樁采用慢速荷載維持法，每級加載值為800 kN，第一級加載值取每級加載值的2倍，即1 600 kN，試驗所得Q～S曲線如圖3所示。本次加載至第4級時，上段樁位移為34.43 mm，下段樁位移為8.45 mm，總位移量達到42.88 mm，規范《基樁靜載試驗自平衡法》[5]要求總位移超過40 mm時為終止條件，取終止時荷載前一級的加載值為極限加載值。

根據文獻[5]，單樁豎向極限承載力的計算式為

(1)

式中：Qu為單樁豎向抗壓極限承載力，kN；Qu上為荷載箱上段樁加載壓力；Qu下為荷載箱下段樁加載壓力；W為荷載箱上段樁的有效自重；γ為荷載箱上段樁側阻力修正系數。

根據試樁的土層樁況，考慮上段樁所受的滲水浮力，上段樁的有效自重為689 kN，荷載箱上部為強風化板巖，故上段樁側阻力修正系數取1.0。上、下段樁加載壓力取3 200 kN，最終試樁的豎向極限承載力5711 kN。

表2 鋼筋計布置斷面位置

圖1 鋼筋計沿樁布置示意圖Fig.1 Distribution of steel bar along the test pile

圖2 樁底土壓力盒布置示意圖Fig.2 Distribution of earth pressure box of test pile tip

圖3 試樁Q-S曲線Fig.3 Q-S curve of test pile

3.2 側阻力分析

在加載過程中，鋼筋受力產生的變形將引起焊接于鋼筋上的振弦式鋼筋計內鋼弦變形，使鋼弦發生應力變化，從而改變鋼弦的振動頻率。測量時利用電磁線圈激撥鋼弦并量測其振動頻率，頻率信號經電纜傳輸至頻率讀數裝置或數據采集系統，再經換算即可得到鋼筋的應力變化量，則有：

(2)

在測出鋼筋計所在各個斷面的軸力之后，用相鄰兩個斷面的軸力差除以其側面積，即可求出樁側摩阻力。試樁各級荷載下樁側摩阻力沿深度變化的曲線如圖4所示。圖中看出，前兩級加載下側摩阻力從荷載箱處沿著樁身越往上越小，快到樁頂時甚至為0[6]。各級加載下樁端附近側摩阻力都偏大，且側摩阻力最大值發生在荷載箱埋置點附近，這是由于荷載箱對側摩阻力的泊松比效應和端阻力對側阻力的強化效應[7-8]。加載至第四級時，樁頂已被頂出，各土(巖)層側阻力均已發揮，強風化板巖的側摩阻力實測值已穩定在40～50 kPa之間，其地勘建議值為100 kPa；粉質黏土與卵石的側摩阻力實測值分別為13.83和34.28 kPa，其地勘建議值分別為60和140 kPa，各土(巖)層的側摩阻力的發揮都小于地勘建議值的50%以上。結合本次試樁概況與文獻，發現影響側摩阻力發揮的主要因素是樁側泥皮過厚[9-10]。對比不同土(巖)層的實測側摩阻力還可發現，樁側泥皮對不同土(巖)層的影響程度也不相同。

圖4 試樁側摩阻力分布Fig.4 Distribution of side friction resistance of test pile

3.3 端阻力分析

有些學者將埋設最深的鋼筋計所測出的軸力作為樁端阻力[11]，而本次試驗中，在每次加載時通過土壓力盒測出樁底的壓強，再乘以樁底的面積，即可求出試樁的樁端阻力，土壓力盒測試結果如表3所示。從表中看出，樁端阻力隨著荷載增加而增加，1、2級荷載下樁端阻力占樁基承載力的33.90%和34.85%，而3、4級加載時端阻力占樁基承載力的40.19%和39.64%，這說明樁側摩阻力的發揮也會強化樁端阻力的發揮[8]。

表3 土壓力盒測試數據

4 結論

1)樁側泥皮對側摩阻力的影響十分巨大，因此，控制泥皮質量是樁基承載力自平衡法測試成功的關鍵。

2)側摩阻力的發揮受荷載箱與端阻力發揮的影響，在荷載箱附近與靠近樁端處偏大。

3)用土壓力盒測試端阻力，對比鋼筋計的測試數據，可提高試驗結果的準確性，而且成本較低，有一定的推廣價值

4)在計算平衡點時，也應考慮到泥皮對側摩阻力的影響，對側摩阻力進行折減，確保試驗成功與數據準確。

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Studies on a self-balanced test for typical stratigraphic piles of YIMA Freeway

FU Xuewen1, LEI Jinshan2, YE Zhiling2, DENG Lizhi3, LU Haiping3

(1.HunanYi-Ma Expressway Construction and Development Corporation , Yiyang 413400, China;2.Central South University, Changsha 410075, China;3.Hunan ZHONGDA Design Institute CO. LTD, Changsha 410075, China)

Pile self-balanced testing method is a novel and effective method for the detection of pile foundation with flexibility to load and unload, without space constraints, and with advantages of large load capacity, short cycle and good economic benefit. In the paper, based on YIMA freeway typical stratigraphic, the self-balanced testing method was used to study the friction pile bearing capacity of pile foundation of Da Ligang Bridge and the regularities of distribution of pile tip resistance and side friction resistance under load conditions at all levels. The results show that the thickness of mud closed to pile has certain effect on side friction resistance. When the thickness is enough, the side friction resistance can be reduced by 50 percent. Therefore, it is a major factor that influences the side friction resistance.

typical formation; friction pile; self-balance method; pile tip resistance; side friction resistance; earth pressure box

2016-02-20

國家自然科學基金資助項目(50678175)；益馬高速建設科技計劃項目(YM201501)

雷金山(1973-)，男，湖南湘鄉人，高級工程師，博士，從事巖土工程教學與科研工作；E-mail：5822673@qq.com

U451

A

1672-7029(2016)11-2163-05