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苏南地区超长大直径钻孔灌注桩自平衡静载试验研究

2015-11-10 323 0

核心提示：王卫国1，秦伟2，戴国亮2（1.苏州市交通设计研究院有限责任公司，苏州,215007；2.东南大学土木工程学院，南京，210096）摘要：依

王卫国¹，秦伟²，戴国亮²

（1.苏州市交通设计研究院有限责任公司，苏州,215007；2.东南大学土木工程学院，南京，210096）

摘要：依托张家港市振兴路大桥桩基工程项目，对苏南地区两根超长大直径钻孔灌注检测桩进行自平衡测试基桩法静载试验研究，确定了检测桩的极限承载力、桩侧摩阻力和桩端阻力等参数，以及承载特性与位移之间的关系。分析了检测桩的承载性能及超长桩的主要控制因素，研究成果为类似桩基工程提供参考。
关键词：软土；超长大直径；钻孔灌注桩；自平衡；静载试验
中图分类号： TU473.1 文献识别码：A
　　0引言
　　钻孔灌注桩由于其单桩承载力大，成桩尺寸灵活，对地质条件要求低,沉降小，抗震性好等优点，可运用于各种桩基工程中，尤其应用在大型桥梁和高层建筑等基础中；目前超长大直径（桩径大于800mm，桩长超过60m）在基岩埋置深的软土地区得到广泛的使用[1]。超长大直径钻孔灌注桩的极限承载力、桩端阻力以及桩侧摩阻力等承载性能的试验检测有利于掌握桩基的设计承载性能的发挥机理。
　　自上世纪80年代以来，自平衡测试桩法[2]在国内外桩基工程中得到愈来愈多的研究和运用，相比于传统的测试桩的静载试验法堆载法和锚桩法[3]，其具有时间成本低，经济性好等特点。1996年，东南大学土木工程学院首次在国内在工程实践中运用该法，通过系统的理论、数值和工程运用研究，形成了一套完整的桩基自平衡测试法体系并在国内外得到广泛的运用[4-7]。
　　本文依托张家港市振兴路大桥桩基工程项目，属于典型的苏南地区地质条件，对该项目的两根超长大直径钻孔灌注检测桩进行自平衡桩基静载试验研究，目的是确定桩基竖向极限承载力，桩身轴力，桩侧摩阻力等参数，分析检测桩的承载性能，并分析了钻孔灌注桩的承载性能的影响因素。
　　1工程概况
　　振兴路大桥为张家港市城北科技新城沙洲湖工程跨越一干河的两座桥之一。该桥为人字形塔、独塔、双索面、墩塔梁固结、混凝土斜拉桥。主桥跨径布置为110m+110m，合计220m。拉索布置形式为扇形，拉索为空间索。
　　由于桥址处软土地基，桩长桩径较大，为确保大桥基桩的安全性，对两个钻孔灌注检测桩进行自平衡法静载荷试验。检测桩采用正循环灌注桩施工工艺，具体参数见表1。

表1 自平衡检测桩相关参数

检测桩编号	桩身直径（mm）	桩长（m）	桩端持力层	单桩容许承载力（kN）	预估最大加载值（kN）
2Z-7#	1800	80.32	粉细砂	10000	2×15000（双向）
2Y-6#	1800	82.19	粉细砂	10000	2×15000（双向）

　　根据勘探结果，拟建场地90.3m以上由第四纪全新世以来的沉积土层组成。按地基土的岩性特征及工程性能的差异性，勘探深度范围内土体可分为10个工程地质层，具体土层物理力学参数见表2。

表2 土的主要物理力学指标

土层代号	土层名称	土层厚度（m）（5#检测桩）	土层厚度（m）（6#检测桩）	含水量 W （%）	重度 γ （KN/m³）	孔隙比 e	塑性指数 I_p	液性指数 I_L	直剪（固快）		三轴不固结不排水剪		压缩模量E_s1-2
土层代号	土层名称	土层厚度（m）（5#检测桩）	土层厚度（m）（6#检测桩）	含水量 W （%）	重度 γ （KN/m³）	孔隙比 e	塑性指数 I_p	液性指数 I_L	内聚力 C （KPa）	内摩擦角 φ （°）	内聚力 C （KPa）	内摩擦角 φ （°）	压缩模量E_s1-2
①	素填土	1.30	1.20	32.2	18.5	0.910	15.2	0.78			33	1.7	3.47
②	粉质粘土	2.10	1.70	31.0	18.8	0.868	15.3	0.69	34	14.2	39	1.2	5.57
③	粉质粘土夹粉土	3.30	2.80	32.2	18.6	0.900	13.2	0.87	27	14.3	33	1.7	6.65
④	粉土	5.70	6.30	30.7	18.7	0.858	9.7	0.99	11	21.5	12	3.7	7.78
⑤	粉质粘土	4.30	4.30	31.0	18.7	0.870	14.4	0.73	30	14.1	34	1.8	6.22
⑥	粉质粘土	15.20	15.20	29.3	19.0	0.820	15.0	0.59	35	13.9	41	1.8	6.60
⑦	粉土	16.80	16.70	29.5	18.8	0.819	7.9	0.98	11	25.4	10	20.7	8.95
⑧	粉质粘土	7.80	8.60	28.0	19.2	0.780	14.7	0.51	38	14.3	45	1.7	6.97
⑨	粉土夹粉砂	6.70	5.70	29.2	18.8	0.824	8.2	0.95	11	16.1	（10）	（20.5）	7.71
⑩	粉砂	26.80	27.05	28.2	19.0	0.784	8.1	0.84	10	25.3	9	21.4	13.33

　　2试验方法及设备
　　2.1试验方法
　　自平衡法是基桩静载试验的一种新方法。该法是把一种特制的加载装置－荷载箱，和钢筋笼焊接在一起埋入桩内，将荷载箱的高压油管引到地面，然后浇注成桩。由高压油泵在地面向荷载箱充油加载，荷载箱将力传递到桩身，其上部桩身的摩擦力与下部桩的摩擦力及端阻力相平衡－自平衡来维持加载，如图1。根据向上向下Q-s曲线、s-lgT曲线、s-lgQ曲线以及等效转换曲线确定基桩承载力，检测示意图见图1。

图1桩基自平衡加载系统及桩身轴向应力测试系统

　　在桩承载力自平衡测试中，测定了荷载箱的荷载、垂直方向向上和向下的变位量，以及桩在不同深度的应变。通过桩的应变和断面刚度，通过计算出轴向力分布，进而求出不同深度的桩侧摩阻力，利用荷载传递解析方法，将桩侧摩阻力与变位量的关系、荷载箱荷载与向下变位量的关系，换算成桩顶荷载对应的荷载—沉降关系。
　　2.2 加载及位移量测设备
　　(1)加载设备
　　每根检测桩采用一只环形荷载箱（HZX）专利产品；使用高压油泵和0.4级精密压力表进行加压，压力表最大加压值为60MPa。
　　(2)位移量测设备
　　检测时每根桩采用6只电子位移计量测试桩位移量的变位，通过磁性表座固定在基准梁上，2只用于量测荷载箱顶板的向上位移，2只用于量测荷载箱底板的向下位移，2只用于量测桩顶向上位移。
　　（3）应力量测装置
　　桩身轴力用钢筋应变计量测；在岩土层分界面处，桩身对称布置4个。
　　2.3测试过程
　　加载采用慢速维持荷载法，测试按《基桩静载试验自平衡法》（JT/T 738-2009）进行，按照《公路桥涵施工技术规范》（JTGT F50-2011）附录B“检测试验办法”进行，每级加载值为预估极限承载力的1/15。按15级14次加载，第一次按两倍荷载分级加载,卸载分5级进行。
　　2Z-7#检测桩加载至第11级（对应加载值为2×12000kN，）时，向上位移29.69mm，向下位移92.42mm，因此时向下位移较大出现拐点，故终止加载，开始卸载。2Z-7#检测桩极限承载力Qus取第11级加载值12000kN；Qux 取第10级加载值11000kN。
　　2Y-6#检测桩加载至第11级（对应加载值为2×12000kN，）时，向上位移27.46mm，向下位移98.58mm，因此时向下位移较大出现拐点，故终止加载，开始卸载。2Y-6#检测桩极限承载力Qus取第11级加载值12000kN；Qux 取第10级加载值11000kN。
　　3试验结果分析
　　3.1竖向抗压极限承载力
　　单桩竖向抗压极限承载力的计算根据《基桩静载试验自平衡法》（JT/T738-2009）有关规定进行，根据各试桩的加载极限值，可按下式确定试桩i的极限承载力：

　　式中：

为试桩

的单桩极限承载力，单位为KN；

为试桩

上段桩的加载极限值，单位为kN；

为试桩

下段桩的加载极限值，单位为KN；

为试桩

荷载箱上部桩自重，单位为KN；

为试桩

的抗托系数，根据荷载箱上部土的类型确定：粘性土、粉土

；砂土

；岩石

，若上部有不同类型的土层，

取加权平均值。（本试验中取

）。
　　根据检测结果，2Z-7#检测桩极限承载力为23174kN，对应位移为114.7mm。2Y-6#检测桩极限承载力为23088kN，对应位移为115.1mm。桩顶荷载位移曲线分别见图2和3。

图2 2Z-7#桩转换曲线

图3 2Y-6#桩转换曲线

　　从图中可知，两根检测桩的桩顶荷载位移曲线走势重合，均满足设计极限承载力20000KN的要求，其极限承载力和对应的位移也基本一致。曲线均在桩顶荷载达到22000KN左右是出现拐点，极限承载力已经充分发挥。7#桩的极限承载力略大于6#桩，但6#的沉降量较之7#桩稍大。
　　通过分析现场检测数据，根据行业标准《公路桥涵施工技术规范》（JTGT F50-2011）和《基桩静载试验自平衡法》（JT/T 738-2009）规范综合分析，各检测桩竖向抗压极限承载力见表3。

表3 检测桩竖向抗压极限承载力

检测桩编号	(kN)	(kN)	(kN)		(kN)
2Z-7#	12000	11000	2261	0.8	23174kN
2Y-6#	12000	11000	2330	0.8	23088kN

　　3.2 桩身轴力及桩侧摩阻力
　　（1）桩身轴力计算
　　应变量可由桩身预埋的振弦式钢筋测力计读数求得，其计算步骤为先根据钢筋计频率读数求得钢筋计所受力，并以此求算钢筋计应变量

。钢筋计受力计算公式为：

（2）

为钢筋计在某级荷载作用下的应变量；

为钢筋计所受力(kN)；

为钢筋计系数(kN/Hz²)；

为钢筋计在某级荷载作用下的频率读数(Hz)；

为钢筋计频率初读数(Hz)；
　　在同级荷载作用下，试桩内混凝土所产生的应变量等于钢筋所产生的应变量，相应桩截面微单元内的应变量即为钢筋的应变量，其计算公式如下：

　　式中：

为某级荷载作用下桩身截面混凝土产生的应变量；

为某级荷载作用下桩身截面混凝土产生的应力值（kN/m²）；

为某级荷载作用下钢筋产生的应力值（kN/m²）；

为混凝土的塑性系数；

为桩身混凝土弹性模量（kN/m²）。

为钢筋弹性模量（kN/m²）。

为桩身截面混凝土的净面积（m²）；

为桩身截面纵向钢筋总面积（m²）；

为某级荷载作用下桩身某截面的轴向力（kN）；
　　在建立试桩标定截面处的

相关方程后，各量测截面的桩身轴向力

值便可由相应的相关方程求得。随着标高变化2Z-7#和2Z-6#检测桩的轴力变化曲线如图4和5。从图中可知，桩身轴力随着深度的增加趋势几乎相同，随着分级加载，轴力逐渐发挥出来。在标高-75m左右均出现明显的拐点，出现拐点之前，轴力随着深度增加而增加，拐点之后，轴力随着深度增加而减小。

图4 2Z-7#桩轴力曲线

图5 2Z-6#桩轴力曲线

　　（2）桩侧摩阻力计算
　　各土层桩侧摩阻力

可根据下式求得：

　　式中：

为桩侧各土层的摩阻力（kN/ m²）；

为桩身量测截面之间的轴向力

之差值（kN）；

为桩身量测截面之间桩段的侧表面积（m²）。
　　根据检测数据，两根检测桩的桩侧摩阻力及其与位移的关系曲线图，如图6-图8所示。从图6可知，桩侧的摩擦力通过分级加载逐渐发挥出来，而且桩上部和下部的侧摩阻力发挥不同步。在标高-80m到-90m，2Z-6#桩的侧摩阻力较之2Z-7#桩较小。在标高-75m左右出可见，每级加载过程中摩阻力均有明显的变化，与轴力在此处出现峰值拐点相对应。

(a) 2Z-7#桩

(b) 2Z-6#桩
图6 2Z-7#桩侧摩阻力深度分布曲线

图7 2Z-7#桩侧摩阻力-位移曲线图

图8 2Z-6#桩侧摩阻力-位移曲线图

　　从图7和8可知，2Z-7#检测桩只有3个标高段的摩阻力的到充分的发挥，主要是标高为-68m到-90m的部分，而2Z-6#检测桩则有4个标高段，主要是标高为-70m到-90m的部分，这与自平衡法荷载箱埋设的位置密切相关。
　　3.3桩端阻力
　　2Z-7#桩端阻力－位移曲线如图9所示，均属于缓变形曲线。桩端极限阻力为4534kN，相应位移为96.53mm。2Y-6#桩端阻力－位移曲线如图10所示。桩端极限阻力为4281kN，相应位移为96.57mm。

图9 2Z-7#桩端阻力-位移曲线

图10 2Y-6#桩端阻力-位移曲线

　　从图中可知，两个桩的桩端阻力位移曲线基本重合，桩端沉降量几乎相同，但2Z-7#桩端极限阻力比2Z-6#桩稍大，桩端沉降量稍微低于桩顶沉降（见图2和3），相差均在10mm以内，说明桩身的压缩量较小，有利于超长大直径钻孔灌注桩的承载特性发挥。
　　3.4承载特性分析
　　检测桩承载力及端阻力、侧阻力构成见表4。从表中可知，两根桩的桩侧阻力在桩的承载力构成中占主要部分，说明检测桩的桩侧摩阻力承担了大部分的桩顶荷载，桩端阻力承担不到20%的桩顶荷载。

表4 检测桩承载特性

检测桩	2Z-7#		2Y-6#
检测桩	数值	比例	数值	比例
桩侧阻力（kN）	18640	80.43%	18807	81.46%
桩端阻力（kN）	4534	19.57%	4281	18.54%
桩顶荷载（kN）	23174	——	23088	——

　　4 结论
　　通过苏南地区典型粘土层地质条件的两根超长大直径灌注桩自平衡法试验，分析了其荷载-位移特性和摩阻力及端阻力的发挥特性，主要结论如下：
　　（1）两根试桩的荷载-位移曲线均属于缓变形曲线， 2Z-7#检测桩极限承载力为23174kN；2Y-6#检测桩极限承载力为23088kN，两根检测桩承载力均满足设计要求极限承载力20000kN，但是桩顶位移较大；
　　（2）检测桩桩侧摩阻力承担了主要的桩顶荷载，桩端阻力承担了接近20%的桩顶荷载，但桩底位移较大，属于典型的端承摩擦桩，这与施工中采用正循环清孔有关，施工中需加强桩底沉渣的处理；
　　（3）桩侧摩阻力随着分级加载逐渐发挥出来，但桩的上部和下部发挥并不同步。
　　参考文献
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