改進(jìn)高應(yīng)變法的橋梁基樁承載力檢測(cè)研究

黃健鋒

（清遠(yuǎn)市建設(shè)工程質(zhì)量檢測(cè)站有限公司）

橋梁基樁結(jié)構(gòu)是軟土地區(qū)建筑物和構(gòu)筑物常用的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，將結(jié)構(gòu)荷載通過(guò)基樁有效傳遞到地基深層位置，以此滿足建筑結(jié)構(gòu)的合理變形以及合理沉降要求。當(dāng)前我國(guó)工程建設(shè)得到了十分快速的發(fā)展，在橋梁、高層建筑、大型廠房等建筑結(jié)構(gòu)建設(shè)中，普遍采用了基樁結(jié)構(gòu)[1]。在高等級(jí)公路工程中，每年要建造數(shù)以千計(jì)的橋梁，為了保證地基的承載力，必須采取深地基作為一種最常見(jiàn)的地基形式。基樁的作用是將上層結(jié)構(gòu)的荷載轉(zhuǎn)移到深層穩(wěn)定的巖土地基中，使地基承載力得到極大地改善，地基的沉陷也得到了較好的保護(hù)[2]。但由于橋梁基樁造價(jià)成本相對(duì)較高，通產(chǎn)會(huì)占據(jù)整個(gè)橋梁施工總成本的1/4以上，并且該結(jié)構(gòu)通常設(shè)置在地下或水中，屬于典型的隱蔽性工程。在實(shí)際施工中存在工程繁瑣、技術(shù)要求高、施工難度大等問(wèn)題[3]。除此之外，橋梁基樁通常都是大直徑長(zhǎng)樁結(jié)構(gòu)，并且分布較為反分散，各個(gè)樁結(jié)構(gòu)所在的工程地質(zhì)條件變化差異較大，現(xiàn)場(chǎng)施工場(chǎng)地、設(shè)備等都會(huì)對(duì)其造成不同程度的限制，因此無(wú)法充分發(fā)揮基樁的作用，同時(shí)還會(huì)造成整個(gè)橋梁施工效率的降低。針對(duì)這一問(wèn)題，為向橋梁基樁施工提供新思路，引入高應(yīng)變法，開(kāi)展對(duì)橋梁基樁承載力檢測(cè)方法的設(shè)計(jì)研究。

1 工程概況

以某橋梁建設(shè)項(xiàng)目為例，已知該橋梁項(xiàng)目采用了機(jī)械鉆孔灌注樁，其設(shè)計(jì)樁數(shù)為30 個(gè)，樁徑為1600mm，樁長(zhǎng)22m。基樁的承載力參數(shù)對(duì)橋梁的影響很大，必須通過(guò)測(cè)量得到的相關(guān)資料，以確定單樁的極限承載力是否符合設(shè)計(jì)要求，以便為地基的驗(yàn)收工作提供參考[4]。針對(duì)該建設(shè)項(xiàng)目所在位置進(jìn)行地質(zhì)勘察，并得到如表1所示的土層情況記錄表。

表1 橋梁建設(shè)項(xiàng)目所在地區(qū)土層情況

該橋梁擬建橋梁建設(shè)位置以松散巖型孔隙潛水和破碎巖孔隙裂縫承壓水為主，許多砂體與地面潛流直接連通，水力關(guān)系十分緊密。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)鉆探現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)測(cè)結(jié)果，其壓力水頭與潛水高度基本一致，不會(huì)因承壓水的存在而影響到鉆孔灌注樁的施工。地下水與地表水的水力關(guān)系十分緊密，一般都是從地下排入河流[5,6]。通過(guò)抽水實(shí)驗(yàn)，采用相關(guān)公式進(jìn)行計(jì)算，得出了卵石層的平均滲透率。通過(guò)對(duì)水質(zhì)的分析，得出了地下水不會(huì)腐蝕混凝土的結(jié)論。

2 檢測(cè)設(shè)備與方法

2.1檢測(cè)設(shè)備選型

在明確該橋梁建設(shè)項(xiàng)目基本概況后，為實(shí)現(xiàn)對(duì)其基樁承載力的檢測(cè)，在檢測(cè)前還需要準(zhǔn)備的檢測(cè)設(shè)備包括：重錘、荷載箱、基樁靜載儀、基樁高應(yīng)變承載力檢測(cè)儀器等。針對(duì)橋梁基樁承載力檢測(cè)，首選柴油錘，這一類型重錘與其他類型相比更加便于操作[7,8]。在沒(méi)有柴油錘的情況下，也可根據(jù)實(shí)際情況選擇5T 規(guī)格的方錘激振，對(duì)于灌注樁設(shè)計(jì)容許值小于5000kN 的應(yīng)當(dāng)使用10T 規(guī)格的重錘激振。根據(jù)工程項(xiàng)目中基樁設(shè)置的實(shí)際地質(zhì)情況以及磁刺激檢測(cè)的目的，在遵循荷載箱上下段樁身反力平衡的原則基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)荷載箱的放置位置，如圖1所示。

圖1 檢測(cè)過(guò)程中荷載箱放置位置示意圖

圖1 中（a）表示按力平衡原理，將荷載箱置于樁體內(nèi)一定的位置，在樁頂阻力與樁端阻力之和達(dá)到極限時(shí)，荷載箱上段的樁側(cè)阻也會(huì)達(dá)到極限，兩者相加，即可求得樁的極限承載力；（b）所表示的放置方式可用于測(cè)試嵌巖樁嵌巖部分的側(cè)向阻力和樁端阻力之和。如果仍然需要測(cè)量土體的極限側(cè)阻，可以在嵌巖段的試驗(yàn)結(jié)束后進(jìn)行樁周段的混凝土，等到混凝土強(qiáng)度達(dá)到一定程度后，才能進(jìn)行試樁[9]；（c）所表示的放置方式應(yīng)用于大頭樁、或當(dāng)樁端阻力比樁側(cè)阻小的情況，需要測(cè)量樁側(cè)阻的極限時(shí)，應(yīng)加大樁底，并將荷載容器置于擴(kuò)大頭上。

在完成對(duì)荷載箱的設(shè)置后，再對(duì)基樁靜載儀進(jìn)行選型。選用PDS-JY464型號(hào)基樁靜載儀，該型號(hào)基樁靜載儀重量為1.4kg，電壓為380/220V，分辨率為0.01mm，準(zhǔn)確度為0.01%，測(cè)量范圍在0～9999KN 之間，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程顯示[10]。該型號(hào)基樁靜載儀可實(shí)現(xiàn)無(wú)線遠(yuǎn)程操控，控制距離超過(guò)1000m，并且能夠保證信號(hào)的安全和穩(wěn)定。針對(duì)檢測(cè)過(guò)程中所需的基樁高應(yīng)變承載力檢測(cè)儀器，選用RSM-PDT870型號(hào)，該型號(hào)基樁高應(yīng)變承載力檢測(cè)儀器存儲(chǔ)為16G 電子硬盤(pán)；采樣間隔為50μs～500μs 分檔可調(diào)；采集模式為兩道加速度+兩道應(yīng)變；噪聲電壓＜20μV；動(dòng)態(tài)范圍≥100dB；工作溫度-20℃～+55℃；外形尺寸為255mm×180mm×60mm。圖2 為基于高應(yīng)變法的橋梁基樁樁身軸向應(yīng)力檢測(cè)設(shè)備組成結(jié)構(gòu)圖。

圖2 基于高應(yīng)變法的樁身軸向應(yīng)力檢測(cè)設(shè)備組成結(jié)構(gòu)圖

利用上述選擇的設(shè)備為后續(xù)基于高應(yīng)變法的承載力檢測(cè)提供輔助條件。

2.2基于高應(yīng)變法的檢測(cè)方法

在完成上述準(zhǔn)備工作后，采用高應(yīng)變法實(shí)現(xiàn)對(duì)橋梁基樁承載力的檢測(cè)，圖3 為基于高應(yīng)變法的檢測(cè)原理圖。

圖3 基于高應(yīng)變法檢測(cè)原理圖

以大錘擊樁為基礎(chǔ)，以高能量沖擊脈沖作用于樁頂，引起樁與土間的相對(duì)位移，由上向下依次激發(fā)樁周土的阻力和巖土的摩擦力，由樁身兩端設(shè)置的加速度傳感器和加速度傳感器，由速度時(shí)程和應(yīng)力波理論進(jìn)行分析，以確定樁的承載能力。在上述原理基礎(chǔ)上，結(jié)合公式（1）計(jì)算得出基樁的承載力具體數(shù)值：

式中：

Rc——被檢測(cè)的基樁承載力；

Jc——阻尼系數(shù)；

F(t)——反射峰對(duì)應(yīng)時(shí)刻；

Z——安裝傳感器位置上基樁本身阻抗；

V(t)——樁周土阻力。

在檢測(cè)的過(guò)程中，首先，將樁頭上的浮漿、松散、破損部分清理干凈，露出堅(jiān)硬、平整、干凈的混凝土。其次，再在原來(lái)的樁頂上安裝3m 長(zhǎng)的樁帽。樁頂混凝土的強(qiáng)度等級(jí)不能低于C40，其齡期應(yīng)在10 天以上。最后，對(duì)樁身上的主筋進(jìn)行清理，并全部采用接長(zhǎng)的方法，直到灌注樁覆蓋的保護(hù)層下面。在檢測(cè)之前，在樁頭距樁頭1 倍處，采用3mm～5mm 厚的高強(qiáng)度鋼板將樁蓋整個(gè)包覆。在采用柴油機(jī)起重錘作沖擊裝置時(shí)，應(yīng)預(yù)留一定長(zhǎng)度的樁以便于安裝傳感器。在場(chǎng)地上必須進(jìn)行整平和清掃操作，以保證在使用重力錘進(jìn)行沖擊時(shí)，起重裝置不會(huì)發(fā)生傾覆。對(duì)混凝土預(yù)制樁的樁頭造成嚴(yán)重破壞或樁頭發(fā)生較大變形時(shí)，必須將受損部位鋸斷。每根樁的預(yù)備面積略大于5 至10 個(gè)均勻的板料，厚度為20mm。在進(jìn)行高應(yīng)變承載力檢測(cè)時(shí)，應(yīng)該測(cè)量樁身的穿透度，而規(guī)范中規(guī)定的2mm～6mm 的穿透度僅僅是為了確保承載能力分析的可靠性。在檢測(cè)過(guò)程中，使用高精度的水平儀器對(duì)鉆孔進(jìn)行檢測(cè)，在使用打樁機(jī)械進(jìn)行錘擊時(shí)，可以通過(guò)反復(fù)錘擊的總沉降來(lái)確定鉆孔深度。由于在安裝和吊裝落錘過(guò)程中，很難保證豎向，出現(xiàn)偏心現(xiàn)象。對(duì)此，當(dāng)錘子偏心嚴(yán)重時(shí)，可以通過(guò)調(diào)節(jié)導(dǎo)桿進(jìn)行調(diào)整，使其對(duì)中，當(dāng)錘子偏大時(shí)，可以通過(guò)調(diào)節(jié)板子（錘子）的放置或鋪沙子來(lái)解決。

3 檢測(cè)結(jié)果分析

3.1橋梁基樁承載力分析

按照上述操作完成對(duì)該工程項(xiàng)目橋梁基樁的承載力檢測(cè)，針對(duì)承載力檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析。將檢測(cè)結(jié)果記錄如表2所示。

表2 橋梁基樁承載力檢測(cè)結(jié)果

表2 中檢測(cè)結(jié)果說(shuō)明該橋梁基樁的承載力均符合設(shè)計(jì)承載要求，在此基礎(chǔ)上，為進(jìn)一步分析基樁荷載與沉降量之間的關(guān)系，繪制圖4 所示的某基樁荷載-沉降量關(guān)系曲線。

圖4 基樁荷載-沉降量關(guān)系曲線

結(jié)合圖4所示得出，該橋梁建設(shè)項(xiàng)目中基樁荷載達(dá)到38000kN 時(shí)，總沉降量超過(guò)40mm，此時(shí)曲線出現(xiàn)明顯陡降，曲線呈現(xiàn)出陡降形態(tài)。

3.2橋梁基樁極限承載力

再針對(duì)該橋梁基樁的極限承載力進(jìn)行分析，在樁體混凝土齡期28 天之后進(jìn)行的，在樁頂以下的樁體兩側(cè)對(duì)稱設(shè)置加速度傳感器，傳感器與樁頂?shù)拇怪遍g距為3.0m。通過(guò)對(duì)該項(xiàng)目其中6 個(gè)基樁承載力進(jìn)行檢測(cè)，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)調(diào)查和上述承載力分析內(nèi)容，得出了該工程結(jié)構(gòu)的阻尼系數(shù)為0.40。現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果顯示，通過(guò)反復(fù)測(cè)試，橋梁樁基在錘擊激勵(lì)下的振動(dòng)信號(hào)明顯，信噪比高，反復(fù)取樣所獲得的信號(hào)重復(fù)性和頻譜一致性較好，表3為6個(gè)基樁的基本參數(shù)。

表3 基樁承載力基本參數(shù)

根據(jù)表3 中的內(nèi)容，測(cè)定6 個(gè)基樁的極限承載力，并將其繪制成圖5所示。

圖5 基樁極限承載力變化圖

從圖5可以看出，六個(gè)基樁的極限承載力變化差異較大，但基本控制在20200.0kN～22900.0kN范圍內(nèi)，其中最大極限承載力出現(xiàn)在#4 號(hào)基樁，最小極限承載力出現(xiàn)在#2號(hào)基樁。通過(guò)上述檢測(cè)得到的結(jié)果可作為該橋梁建設(shè)項(xiàng)目承載力驗(yàn)收的依據(jù)。將檢測(cè)得到的結(jié)果與該橋梁建筑標(biāo)準(zhǔn)承載力要求限值對(duì)比，針對(duì)承載力較低基樁及周?chē)馏w可采取相應(yīng)的加固措施，確保該橋梁建設(shè)項(xiàng)目的順利實(shí)施。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)本文上述論述，以某橋梁建設(shè)項(xiàng)目為依托，開(kāi)展對(duì)其基樁承載力的檢測(cè)研究。通過(guò)研究得出，將高應(yīng)變法應(yīng)用到對(duì)基樁承載力檢測(cè)當(dāng)中具有極高的可行性，可準(zhǔn)確得出各個(gè)樁基結(jié)構(gòu)承載力以及極限承載力，為橋梁建設(shè)施工提供重要依據(jù)。