武漢超長大直徑鉆孔錨樁法試樁技術(shù)的應(yīng)用

郭 俊，甄弘揚(yáng)，劉策峰，黃朱盛

(北京市政路橋股份有限公司工程總承包一部，北京 100045)

0 引言

隨著規(guī)劃高速骨架公路網(wǎng)的不斷豐富和完善，長江、漢江及其支流中下游平原區(qū)因其泛濫，江河湖汊發(fā)育，河、湖、陸相互交替演變，高速公路設(shè)計(jì)布線經(jīng)常遇到不良工程地質(zhì)問題，主要表現(xiàn)為軟土、砂土液化問題。武漢地區(qū)軟土分布極為廣泛，軟土厚度分布不均，差異較大，該地區(qū)大型橋梁工程多采用超長大直徑鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，其承載性能和設(shè)計(jì)尺寸、樁土物理參數(shù)的關(guān)系是設(shè)計(jì)時(shí)最為關(guān)注的問題。但在實(shí)際工作中發(fā)現(xiàn)，目前的規(guī)范是基于中短樁研究基礎(chǔ)上建立的，對于超長大直徑鉆孔灌注樁的設(shè)計(jì)，存在適應(yīng)性問題[1]，利用規(guī)范推薦的估算方法計(jì)算所得的單樁豎向抗壓承載力往往與現(xiàn)場靜載試驗(yàn)結(jié)果相差較大，造成了資源浪費(fèi)和建設(shè)成本增加，或因樁基承載力不足給工程留下安全隱患[2]。因此，為確保工程安全、充分挖掘地基潛力、選擇經(jīng)濟(jì)合理的樁基施工工藝，以及壓縮合理工期，需在前期工作采用合理的方法進(jìn)行樁基承載力的測試及研究，即在設(shè)計(jì)和施工前進(jìn)行試樁，測定采用樁型的抗壓承載力、樁的極限側(cè)阻力、樁的極限端阻力，為優(yōu)化樁基設(shè)計(jì)，選擇安全、經(jīng)濟(jì)、高效、合理的成樁工藝提供依據(jù)。

樁基的靜載荷試驗(yàn)主要包括垂直向、水平向和組合靜載荷試驗(yàn)，錨樁法對超長大直徑鉆孔灌注樁垂直向靜載荷抗壓測試有一定可靠性[3]，本文以武漢至監(jiān)利高速公路某合同段中實(shí)際工程為依托，通過錨樁法現(xiàn)場施工及試驗(yàn)，進(jìn)行垂直向抗壓靜載荷試驗(yàn)的應(yīng)用研究。

1 工程地質(zhì)概況

1.1 工程概況

武漢至監(jiān)利高速公路某高速BT項(xiàng)目合同段路線全長94余千米，主線橋梁總長48 631 m/91座，設(shè)計(jì)車速為100 km/h的雙向四車道。其中第一合同段路線長26 km，經(jīng)過區(qū)域?yàn)檗r(nóng)田、魚塘，全部采用高架橋方案通過，共涉及4 356棵樁基，計(jì)劃總工期為42個(gè)月。

1.2 地質(zhì)概況

項(xiàng)目區(qū)是由長江、漢江及其支流共同沖積或湖積而成的平原，地勢低洼，平坦開闊，河湖十分發(fā)育，渠網(wǎng)密布，地面絕對標(biāo)高20 m～30 m，主要由第四系地層組成，一般厚度60 m～120 m。第四系全新統(tǒng)湖積、沼澤沉積淤泥質(zhì)土、淤泥等層組，廣泛分布于路線走廊帶全線，性質(zhì)較差，是勘察階段主要研究對象。地基容許承載力一般在50 kPa～100 kPa。巖性以淤泥質(zhì)亞黏土、淤泥質(zhì)亞砂土、淤泥質(zhì)黏土、淤泥為主，富含有機(jī)質(zhì)及腐殖質(zhì)。天然狀態(tài)下呈軟塑～流塑狀，具高壓縮性、低抗剪、低承載力等特征，在外力作用下易產(chǎn)生形變和滑移現(xiàn)象，不宜直接作為構(gòu)造物的地基。基巖埋深較大，基巖裂隙水相對較少。

2 現(xiàn)場試驗(yàn)方案

2.1 試樁概況

通過對試樁方案的對比分析，由原設(shè)計(jì)中的2根直徑1.8 m、長70 m的錨樁及反力梁所形成的反力系統(tǒng)改為4根直徑1.5 m、長50 m的錨樁及承臺(tái)、反力梁所形成的反力系統(tǒng)，選取分別位于第一合同段東分塊3號主線橋的K9+752和K12+431.7處，共2處鉆孔灌注樁試驗(yàn)，2處即2組。每組施工內(nèi)容包括：試驗(yàn)樁1根、錨樁4根，設(shè)計(jì)樁長均為50 m，設(shè)計(jì)樁徑均為1.5 m，試驗(yàn)樁樁身混凝土強(qiáng)度等級C30；現(xiàn)澆承臺(tái)(次梁)2個(gè)，C45預(yù)應(yīng)力混凝土，設(shè)計(jì)尺寸7.4 m×2.5 m×2.8 m；反力梁1榀，C45預(yù)應(yīng)力混凝土，設(shè)計(jì)尺寸10.7 m×2.7 m×3.6 m；千斤頂上墊板采用240 mm×240 mm×50 mm鋼板，在反力梁中預(yù)埋，下墊板采用220 mm×220 mm×30 mm鋼板，見圖1。

千斤頂總噸位應(yīng)滿足設(shè)計(jì)要求的25 000 kN加載能力，K9+752處試樁預(yù)估最大加載力為10 836 kN，K12+413.7處試樁預(yù)估最大加載力為11 398 kN。

2.2 錨樁法原理

錨樁法單樁垂直向抗壓承載力試驗(yàn)是選用工程樁作為錨樁提供反力(向上的拔力)，通過反作用將力施加于試驗(yàn)樁上[4]，其中由液壓千斤頂、電動(dòng)油泵、錨樁和反力架組成加載系統(tǒng)，利用主梁與承臺(tái)(次梁)組成反力架，該裝置將千斤頂?shù)姆戳?后座力)傳給錨樁，通過樁體上端受壓時(shí)承載力發(fā)揮的過程，測得樁身側(cè)阻力和端阻力變化過程。

試樁樁身應(yīng)力測試與加壓荷載及沉降觀測同步進(jìn)行，按以各相鄰?fù)翆拥慕唤缑妗兜住r層和層厚度大于10 m的土層均增設(shè)測試斷面的原則，設(shè)置若干個(gè)應(yīng)力測試截面，進(jìn)行單樁荷載傳遞分析，即在樁頂荷載作用下樁身軸力沿深度的變化，通過測試儀測讀加載過程樁身各斷面的受力。在樁身測試截面埋設(shè)鋼筋應(yīng)力計(jì)測試樁身軸力[5]，計(jì)算樁的側(cè)阻力和端阻力，同時(shí)可得其在不同的樁頂荷載下側(cè)阻力的分布規(guī)律和端阻力的發(fā)揮程度，最終測得樁的極限承載力。

2.3 試樁方案

根據(jù)勘探取樣復(fù)核情況，在試驗(yàn)樁和錨樁上，選擇旋挖機(jī)鉆孔及回旋鉆鉆孔2套施工方案進(jìn)行樁基施工組織。加載前先對千斤頂、油泵、油表進(jìn)行標(biāo)定和校核，千斤頂采用并聯(lián)方式，保證加載過程中各千斤頂荷載相同和行程同步[6]。為防止局部應(yīng)力過大造成樁頭破壞，試驗(yàn)前在樁頂處制作了現(xiàn)澆混凝土樁帽進(jìn)行樁頭加固處理。

本工程采用武漢巖土所JYC型樁基靜載荷測試分析系統(tǒng)，千斤頂通過載荷試驗(yàn)裝置壓力傳感器測定油壓，根據(jù)載荷試驗(yàn)裝置率定曲線換算荷載，采用 HY65型數(shù)碼位移傳感器進(jìn)行測試試樁樁頂沉降。采用6臺(tái)5 000 kN的MJD500D-200型油壓千斤頂并聯(lián)構(gòu)成加載，安裝時(shí)千斤頂?shù)暮狭χ行膽?yīng)與試樁軸線重合，二者偏差小于1 cm[7]。鋼筋應(yīng)力計(jì)采用ZX-41XA記憶智能弦式數(shù)碼鋼筋應(yīng)力計(jì)，應(yīng)力計(jì)長度30 cm，每個(gè)截面埋設(shè)4個(gè)，并與主筋焊接。因此K9+752，K12+431.7試樁分別埋設(shè)應(yīng)力計(jì)10層，均共埋設(shè)應(yīng)力計(jì)測點(diǎn)40個(gè)。數(shù)碼位移傳感器采用磁性表座固定在基準(zhǔn)梁上，共設(shè)試樁樁頂位移測點(diǎn)4個(gè)，四根錨樁樁頂位移測點(diǎn)各1個(gè)。

2.3.1 加、卸載規(guī)定

試驗(yàn)采用慢速維持荷載法，按1 000 kN進(jìn)行逐級加載，每級荷載達(dá)到相對穩(wěn)定后加下一級荷載，直到終止加載。在所有試驗(yàn)設(shè)備安裝完成后、試驗(yàn)之前，應(yīng)進(jìn)行一次系統(tǒng)檢查，也就是預(yù)加載試驗(yàn)，如一切正常，則卸載至零，待位移傳感器及加載系統(tǒng)回零后，方可進(jìn)行正式加載[8]。

正式加載分級進(jìn)行，逐級等量加載，第一級取分級荷載的兩倍；卸載分級進(jìn)行，每級卸載量取加載時(shí)分級荷載的兩倍，逐級等量卸載。

2.3.2 沉降測量規(guī)定

當(dāng)試驗(yàn)達(dá)到終止加載條件時(shí)即開始卸載，每級荷載卸載后，觀測樁頂?shù)幕貜椓浚^測辦法與沉降相同。回彈穩(wěn)定后，再卸下一級荷載。卸載到零后，在2 h內(nèi)每30 min觀測一次，開始30 min內(nèi)，每15 min觀測一次[9]。

2.3.3 終止加載條件

當(dāng)出現(xiàn)下列情況之一時(shí)，可終止加載：

1)總位移量不小于40 mm，本級荷載的下沉量不小于前一級荷載的下沉量5倍時(shí)，加載即可終止。取此終止時(shí)荷載小一級的荷載為極限荷載。

2)總位移量不小于40 mm，本級荷載加上后24 h未達(dá)穩(wěn)定，加載即可終止。取此終止時(shí)荷載小一級的荷載為極限荷載。

2.4 試樁過程

試驗(yàn)樁成孔后，立即采用孔壁回聲儀對成孔質(zhì)量進(jìn)行檢測；試驗(yàn)樁和錨樁成樁并達(dá)到一定齡期后，采用低應(yīng)變法對其進(jìn)行了樁身完整性檢測，均為Ⅰ類樁。

在垂直向荷載作用下，K9+752試樁在19 000 kN之前基本上還處于彈性變形階段，且樁頂沉降也比較小，在此之后產(chǎn)生一定的變形，當(dāng)荷載加為23 000 kN時(shí)，樁頂累計(jì)總沉降為42.8 mm，按每級2 000 kN進(jìn)行卸載，卸載后未恢復(fù)沉降為31.31 mm；12+431.7試樁基本上還處于彈性變形階段，但樁頂沉降比前者要大，當(dāng)荷載加17 000 kN時(shí)，樁頂累計(jì)總沉降為47.63 mm，至此之后按每2 000 kN進(jìn)行卸載，卸載后未恢復(fù)沉降為38.31 mm。

K9+752試樁試驗(yàn)準(zhǔn)備工作全部完成后，4月1日～4月2日進(jìn)行了垂直靜載試驗(yàn)工作，加載到23 000 kN時(shí)，試樁沉降達(dá)到42.80 mm，終止加載，并卸荷。K12+431.7試樁試驗(yàn)準(zhǔn)備工作全部完成后，4月9日～10 日進(jìn)行了垂直靜載試驗(yàn)工作，加載到17 000 kN時(shí)，試樁沉降達(dá)到47.63 mm，終止加載，并卸荷。

3 試驗(yàn)結(jié)果及總結(jié)

3.1 試驗(yàn)結(jié)果

2個(gè)試樁通過試驗(yàn)并整理，形成了試樁的Q-S曲線、S-lgt曲線、Ni-H曲線、P-τ曲線等，根據(jù)沉降隨荷載的變化特征確定極限承載力，K9+752試樁的極限承載力為19 000 kN，K12+431.7試樁的極限承載力為16 000 kN。以K9+752試樁為例，取單樁極限荷載19 000 kN之前不同土層的最大單位摩阻力，整理實(shí)測極限摩阻力和規(guī)范參考值等形成推薦值成果(見圖2)，可知規(guī)范計(jì)算參考值往往與現(xiàn)場靜載試驗(yàn)結(jié)果相差較大，該成果可用于指導(dǎo)設(shè)計(jì)和施工[10]。

3.2 試驗(yàn)總結(jié)

通過現(xiàn)場試驗(yàn)和整理分析，總結(jié)如下：

1)采用旋挖鉆和回旋鉆成樁工藝經(jīng)濟(jì)合理，切實(shí)可行。

2)樁的側(cè)阻力分布呈梯形分布，隨著樁頂荷載不斷增加，端阻力相應(yīng)增加；隨著加載，樁周土層自上而下發(fā)揮側(cè)阻力，上層土加載至一定荷載時(shí)，樁周側(cè)阻力幾乎不增加。

3)深厚軟基超長樁試驗(yàn)結(jié)果指出樁側(cè)摩阻力和樁端阻力不是同時(shí)發(fā)揮，在設(shè)計(jì)荷載作用下，樁端幾乎不發(fā)揮作用，樁側(cè)摩阻力的發(fā)揮通常要早于端阻力的發(fā)揮。

4)通過規(guī)范計(jì)算和現(xiàn)場靜載荷試驗(yàn)對比，設(shè)計(jì)工作者們可高效地確定合理的樁基工程設(shè)計(jì)參數(shù),優(yōu)化設(shè)計(jì)樁長。

3.3 試驗(yàn)結(jié)論的應(yīng)用效果

結(jié)合本次實(shí)測結(jié)論，可以很好的根據(jù)樁頂荷載對摩擦型或端承型樁基進(jìn)行選擇定型；上述圖2，規(guī)范參考值往往與現(xiàn)場靜載試驗(yàn)結(jié)果相差較大，同時(shí)規(guī)范參考值范圍一般較大，對于設(shè)計(jì)工作者來說選擇具體值的不確定性較大，再以細(xì)砂、青灰色、中密土層(標(biāo)高-18.83 m以下土層)為例，實(shí)測值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于規(guī)范參考值(最大值70 kN/m2)，成果推薦值最終選定極限摩阻力為70 kN/m2，極大的減少了樁基工程長度和工程造價(jià)。

上述現(xiàn)場靜載試驗(yàn)實(shí)測結(jié)果參考性很大，從而更好地做到了工程設(shè)計(jì)的安全性與經(jīng)濟(jì)合理性協(xié)調(diào)考慮。本項(xiàng)目最小設(shè)計(jì)樁長為45 m，最大設(shè)計(jì)樁長為75 m，優(yōu)化后樁基具體情況見表1。

表1 鉆孔樁優(yōu)化后樁基情況一覽表

4 結(jié)論

本項(xiàng)目超長大直徑鉆孔灌注樁錨樁法試樁現(xiàn)場施工及試驗(yàn)順利地實(shí)施，為該地區(qū)橋梁樁基的設(shè)計(jì)與施工提供了參考依據(jù)。雖說試樁過程直接成本上增加支出700多萬元，但作為大型項(xiàng)目綜合施工質(zhì)量和工期效益來看，上述試驗(yàn)成果應(yīng)用意義重大，減小了基礎(chǔ)的選型和工期的不確定性，避免了資源浪費(fèi)和因樁基承載力不足留下安全隱患的情況，最終節(jié)省了工期和工程造價(jià)，早日實(shí)現(xiàn)了運(yùn)營通車，對軟土地區(qū)高等級橋梁工程下部構(gòu)造實(shí)施具有很好的借鑒意義。