中派河特大桥大直径实心桩轴力测试试验研究

高小平，郑孝露，吕仁红，乔勃睿

(安徽省城建基础工程有限公司，安徽 合肥 230001)

0 引言

对于大型桥梁、高层建筑等一些大型建筑结构中所使用的桩基础，通常需要较大的桩长和桩径。公路桥梁所使用的钻孔灌注桩桩径大多在1.5 m以上，甚至有桩径在2.5 m以上[1-4]。对桥梁工程，目前一般把直径不小于2.5 m的桩定义为“大直径桩”，部分使用最大直径高达5 m以上[5]。大直径桩桩身有较大的横向刚度，不仅仅能承受较大的竖向荷载，还能承受较大的横向荷载，并具有抗拔能力。该桩型具有施工工序较少、单桩承载力大、质量可靠且易于检查以及经济效益显著等诸多优点[6]。

目前，大直径桩轴力测试试验研究较少，本文通过中派河特大桥工程的大直径实心桩轴力测试和现场沉桩测试，在钢筋笼中预埋钢筋计、应变片等测试原件，进行受力和变形测试，结合前述理论研究成果，进一步研究其受力机理、承载和变形特性，以期为类似工程提供参考。

1 工程概况

中派河大桥位于江淮沟通段航道与合安高速交叉处，位于合安高速方兴大道收费站与严店收费站之间的中派河上。中派河特大桥全长1 846 m(不含桥台)，共有147根预制墩柱和147个现浇承台，每个桥墩共3组，北引桥75根，南引桥72根。预制墩柱设计采用空心薄壁高强墩，桩下部设置凹槽，以便和承台连接，引桥设计墩高4 m～14.5 m。中派河特大桥段7.063 km采用单侧加宽方案，新建分离式路基宽度20.75 m；其余44.047 km采用双侧加宽方案，路基宽度42 m。采用双向八车道高速公路标准改扩建。为确定在施工过程中，钻孔灌注桩桩身不同位置的桩身轴力、桩侧摩阻力及桩端阻力的分布情况，研究大直径实心桩荷载传递机理，选取北岸1号桩进行轴力测试试验。

1.1 工程场地土层性质

根据桩位钻孔情况，试桩处所揭露的地层从上至下依次为粉质黏土层、粉土层、细砂层、风土层、黏土层、细砂层、全风化泥质岩以及强风化泥质岩。地层参数如表1所示。

表1 地层参数

1.2 桥梁桩型适宜性评价

由于地质条件的差异，施工工艺、抗震性能等的区别，各地区建成的大直径实心桩及空心桩所表现出来的承载性能也是有差别的，其研究进展远远落后于实践。本文从地质环境条件、施工技术等方面加以对比，为中派河特大桥桥梁工程选型提供依据。

1.2.1 地质环境条件对比

对大直径实心桩适用的地层条件，通常适用的土层为黏性土、砂黏土、砂土(含粉砂、细砂、中粗砂)及夹有少量砾石、卵石的土层、软石层。在这些土层中，大直径桩通常按照摩擦桩设计[7]。对一些特殊条件的土层，如砂卵(砾)石地层与普通土层相比有不同特性，这类土层透水性强，结构松散，稳定性差，钻进过程中容易坍塌，扩孔系数大，施工过程中需要充分考虑护壁，确保成孔。在持力层的选择方面应符合以下要求：持力层宜选择中密以上的粉土、砂土、卵砾石和全风化或强风化岩体，且层位稳定。

对大直径空心桩适用的地层条件，适用于山区砂卵石下含有不透水黏土的地层。而对大直径钻埋空心桩，由于桩身周长短，因此桩侧摩阻力较少，而其桩端面积大，致使桩底抗力值极大。因此它适合桩端土极限承载力较大的地层(砂砾石、微风化的软岩)。对于岩石地层，大面积嵌岩成孔困难，可将空心桩底高置其上，改在空心桩内部另加小直径嵌岩桩较为合算。应当指出，如果桩端没有较好的地层作为持力层，采用大直径钻埋空心桩的效果不佳。大直径钻埋预应力空心桩是一种将预制桩和钻孔桩两者的优点结合在一起的全新桩型，能够避免水下浇筑混凝土，从而有效保证混凝土质量，适用于水下桩基工程。波形钢-管桩桩长较短，主要适用于岩溶地区，以减少桩底附近溶洞影响。

1.2.2 施工技术对比

大直径实心桩施工工艺目前比较成熟，其流程较为简单，主要包括：施工准备、平台搭设、钢护筒插打、钻孔(含检孔)、清孔、钢筋笼施工(制造、运输、下放)、混凝土灌注。主要问题表现为泥浆沉淀不易清除，影响端部承载力的充分发挥，并造成较大沉降，由于其自重过大，降低了有效承载力。

空心桩在施工方面存在一些缺点，由于空心桩分节施工，一方面由于施工节段过多使得桩的整体性变差，另一方面也会增加钢筋接头数量，需要克服工序烦琐与施工质量难以控制的挑战，施工要求更高，工期较长[8]。对沉挖空心桩，多以人工开挖为主，不需大型设备，因此在地方公路工程具有重要的现实意义[9]。钻埋空心桩则施工工艺复杂，包括钢护筒的施工、河床覆盖层变截面大直径桩施工、遇到嵌岩面分次扩孔，此外钻机的装拆需要大型器械，成本也较高。

1.2.3 抗震性能对比

一般来说，大直径实心桩的强度较高，抗震能力较强[10]。若实心桩桩身长度范围内存在性质差异较大的土层(液化土或软硬互层)，地震波速差异显著，会致使土层界面位移急剧变化，基桩随土体变形而产生较大内力，容易产生震害。

大直径空心桩配筋少，节段较多，混凝土净截面小，当其穿越软、硬夹层或在液化土中，破坏较为严重，因此不适宜用于8度以上地区的液化土、流塑状软土场地。

1.2.4 桥梁选型

综合本工程地质环境与施工条件，特大桥适宜选用大直径实心桩，充分发挥各层土的侧摩阻力，共同承受桥梁的上部荷载。

2 大直径实心桩轴力测试试验

在桩身不同位置埋设钢筋计，以确定在施工过程中，钻孔灌注桩桩身不同位置的桩身轴力、桩侧摩阻力及桩端阻力的分布情况，研究大直径实心桩荷载传递机理[11]。

2.1 钢筋应力计测量系统

实验所采用的钢筋应变计为振弦式钢筋应变计，钢筋应变计埋设在土层与土层之间界面上。根据工程勘察报告，钢筋计安放位置如表2所示，其所在深度及钢筋计横截面布置如图1所示。结合施工进度，选取关键施工节点(埋设钢筋计、桩基施工、墩柱施工等)开展现场测试工作。

表2 钢筋计位置

2.2 钢筋应力计采集结果

在每个测点钢筋计埋设好后(未下钢筋笼前)进行测量一次，并记录在案，1号桩(即北岸桩)测量结果如表3所示。

表3 1号桩埋设钢筋计初始测量结果(18.3.16)

按照施工进程，对施工完成后钢筋计应力进行监测分析，其中测试结果如表4所示。

表4 1号桩完成后钢筋计测量结果(18.3.29)

3 试验测试结果分析

1)假定：同一截面钢筋与混凝土的变形协调；桩顶下混凝土弹性模量相同；位于桩顶面以下1 m处的1-1截面所受轴力与加载量相同。

2)桩身范围内混凝土弹性模量Ecij的确定：将1-1截面作为标定截面(i=1)，量测该截面钢筋应力计在施工过程中频率变化值，用此推算各载荷等级下钢筋应变εs1j，由于假定混凝土与钢筋协同受力，不出现裂缝，故混凝土应变εc1j=εs1j，由此可以算出各载荷等级下桩身混凝土的弹性模量Ec1j。利用钢筋应变εs1j与桩身混凝土的弹性模量Ec1j的两组数据可以拟合出关于两者之间的相关关系，根据其余各截面在各载荷等级下钢筋应变εsij，再通过其相关关系可以得到各截面在各载荷等级下的Ecij。

3)某一截面桩身轴力PZj计算公式为：

PZj=ECjACjεCj+ESjASjεSj=(ECjACj+ESjASj)εSj

(1)

其中，ECj,ESj分别为混凝土弹性模量、钢筋弹性模量(ES取200 GPa);ACj，ASj分别为同一截面处混凝土面积、钢筋总面积；εCj，εSj分别为同一截面处混凝土与钢筋的应变。

4)钢筋计受力的计算公式：

(2)

其中：

(3)

5)第i量测截面处在第j级荷载下的桩身轴力：

Pij=ECijACiεSij+ESASiεSij

(4)

6)桩侧摩阻力计算fij：

(5)

其中，fij为i截面至i+1截面之间在第j级荷载量下的桩侧摩阻力，kPa；Pij为i截面在j级荷载量下的轴力,kN;Ai为i截面至i+1截面之间的桩侧面积，m2。

将平均钢筋轴力PS与钢筋弹性模量ES代入式(2)，就可以得出钢筋计应变。据此由式(4)计算出桩身轴力，如表5所示。同样的，将各个截面平均轴力画图给出，如图2所示。从图2可知，靠近桩顶截面1轴力变化较大，其余各个截面轴力随施工时间变化基本保持一致。这是由于上部墩柱施工导致桩顶附近荷载变化较大，而桩基深部敏感性较低导致。

将施工期间钢筋计频率平方F2统计计算钢筋轴力，如表5所示(压力为负)。将钢筋轴力按截面深度绘图，如图2所示。由表5可知，整体上钢筋轴力随深度逐渐增大。从轴力数值来看，深部截面轴力水平很高。根据施工进度，该阶段是钢筋笼焊接与混凝土浇筑阶段，桩中轴力变化主要是混凝土收缩及大直径桩较大自重引起的。因此从桩顶到桩底，混凝土的自重随深度增大而增大，反映初期混凝土自重以及混凝土收缩导致的轴力异常。因此，下面计算时，需要扣除混凝土自重等因素的影响，对计算结果进行校核。

表5 施工期钢筋轴力计算结果

总体来看，施工期间大直径实心桩轴力随深度逐渐增加，由自重应力分布所决定。由于大直径桩自重大，导致整体轴力处于较高水平。

由于施工前期上部结构施工尚未完成，上部荷载水平较小，该桩截面轴力随时间无明显变化。

4 结语

本文以中派河大桥主墩大直径桩工程为基础，通过文献调查、现场试验等对大直径实心桩进行综合分析，为该项目确定了桩型，提供了必要的设计辅助支持，主要得到以下结论：

1)钻孔灌注桩通常适用的土层为黏性土、砂黏土、砂土(含粉砂、细砂、中粗砂)及夹有少量砾石、卵石的土层、软石层，此时大直径桩通常按照摩擦桩设计；沉挖空心桩特别适用于山区砂卵石下含有不透水黏土的地层；而大直径钻埋空心桩适合桩端土极限承载力较大的地层(砂砾石、微风化的软岩)。大直径钻孔灌注桩施工工艺目前比较成熟，其流程较为简单。大直径管桩施工工艺不够完善，且施工节段过多使得桩的整体性变差，另一方面也会增加钢筋接头数量，工序烦琐且施工质量难以控制。综合分析，结合本工程地质环境与施工条件，选用大直径实心桩更佳。

2)总体来看，施工期间大直径实心桩轴力随深度逐渐增加，由自重应力分布所决定。由于大直径桩自重大，导致整体轴力处于较高水平。在试验过程中，其轴力与变形处于安全状态，表明该设计安全可靠。