复合地层桥梁桩基双荷载箱自平衡法静载试验研究*

郭 航,龚建伍

(1.武汉科技大学,湖北 武汉 430070; 2.中建三局基础设施建设投资有限公司,湖北 武汉 430070)

0 引言

自平衡测试技术是从钻孔灌注桩试验发展起来的,其应用领域已逐步扩展到打入式钢管桩、预制混凝土管桩、沉管灌注桩等。随着自平衡技术在国内的广泛应用[1],在相继颁布的地方规程及最新的行业规范中也认可了这种测试技术。JGJ 106—2014《建筑基桩检测技术规范》在条文中规定:由于试桩荷载大或场地限制,有时很难甚至无法进行单桩竖向抗压承载力静载检测,有条件时可预埋荷载箱进行桩端荷载试验。JT/T 738—2009《基桩静载试验自平衡法》系统地规定了自平衡法的技术与要求。

自平衡试验最初是在桩端或桩身某个位置埋设单层荷载箱,但随着超长桩的广泛应用,由于加载量或桩径的限制,单层荷载箱已不能满足工程试验的需要[2]。项目采用双荷载箱试验方式[3],为确保试验桩位置地层参数的准确性,采用工程桩位作为试验桩位,后期拟采取措施对试验桩进行加固处理,研究其是否可作为工程桩继续使用;为减少施工过程中对检测装置的影响及确保试验的准确性,项目在试验中对荷载箱的安装细节进行优化,并对荷载箱位置和检测方式进行研究分析,在满足检测要求的前提下为后续自平衡静载试验提供改进参考[4]。

1 工程概况

1.1 桩基设计

项目所在区段位于江汉平原,地貌单元为长江一级阶地,上部地层为1.5～20m厚软土,下部地层主要为砂层,桥梁桩基拟采用钻孔灌注桩,桩径为1.8～2.0m,初步估算桩长为45～80m。

1.2 地层岩性

根据地调及钻探结果,桥址区地层主要为第四系冲湖积成因淤泥质土、冲洪积成因一般黏性土、砂层等。其野外地质特征自地表往下,按路线统一分层,其特征如表1所示。

1.3 水文地质条件

桥址区地下水主要为第四系浅表填土中的上层滞水和砂土层中的孔隙水,前者主要赋存于填土中,无统一自由水面,总体水量贫乏;孔隙水赋存于场区砂土层中,含水层上部局部覆盖有微～弱透水的黏性土,含水层顶板埋深15.4～20.4m。此层地下水丰富,径流性好,与通顺河水力联系密切,主要接受河水侧向径流补给。根据临近工程经验,场地地下水位埋深为1.8～2.6m。

2 双荷载箱自平衡检测试验方案

2.1 试验系统

主要装置是一种特制的荷载箱[5],与钢筋笼相接置于桩身下部,如图1所示。荷载箱预先放置在桩身指定位置,将其高压油管和位移杆引到地面(平台)。由高压油泵在地面(平台)向荷载箱充油加载,荷载箱将力传递到桩身,其上部极限桩侧摩阻力及自重与下部极限桩侧摩阻力及极限桩端阻力相平衡来维持加载,根据向上、向下Q-s曲线判断桩基承载力。

图1 自平衡静载试验示意Fig.1 Self-balancing static load test

2.2 测试仪器设备

1)荷载箱

每根试桩采用2个环形荷载箱。组成荷载箱的千斤顶经法定检测单位标定。荷载箱额定加载值对应的油压值不宜大于45MPa,最大单向加载值对应的油压值不大于55MPa。采用油压表测定油压,根据荷载箱率定曲线换算荷载[6]。

2)位移量测装置

电子位移传感器量程50mm(可调),每根桩用6支,通过磁性表座固定在基准钢梁上(见图2),用于量测桩身荷载箱处向上、向下位移和桩顶位移。每根桩使用8组位移护管和位移杆。位移护管可使用声测管材料(不同于声测管,位移护管需额外布置),位移杆用外径20mm、壁厚3mm的螺纹套筒连接。

图2 基准梁示意Fig.2 Reference beam

3)试桩设计

在试桩内安放上、下2个荷载箱,将桩分成上、中、下3部分(见图3),满足如下条件:Q下≤Q上+Q中,Q中≤Q上,Q下+Q中≥Q上。下层荷载箱以上桩端自重及桩侧摩阻力之和应大于其下桩段的桩侧摩阻力及桩端阻力之和,上层荷载箱以上桩段自重及桩侧摩阻力之和大于2层荷载箱之间桩段的桩侧摩阻力,同时上层荷载箱以下桩段的桩侧摩阻力及桩端阻力之和大于上层荷载箱以上桩段自重及桩侧摩阻力之和[6]。测试顺序为:先进行下荷载箱测试,主要目的是测试桩端阻力和下段桩侧阻力,然后进行上荷载箱测试,首先测试出中段桩承载力,然后关闭下荷载箱,下段桩可提供反力,继续加载,测试出上段桩承载力。

图3 双荷载箱位置示意Fig.3 Position of double load box

4)荷载箱埋设位置及加载值

依据桩基施工工艺、地层分布情况及室内土工试验,假设荷载箱埋于某地层中,计算桩基上、下段桩侧摩阻力,桩端阻力及上段桩自重,通过试算找出试桩平衡点[7]。经计算,2根试桩的荷载箱埋设位置如表2所示。

表2 荷载箱至桩端距离及加载值Table 2 Distance from load box to pile end and load value

5)荷载箱与钢筋笼的连接优化

①增设L形加强筋 由于荷载箱和下段钢筋笼的质量较大,仅靠主筋与荷载箱的焊接强度不能承担此质量,分别在荷载箱的顶部和底部主筋焊接处增设L形加强筋。②增设导向钢筋 为了灌注混凝土时导管能顺利通过荷载箱,在荷载箱上、下设置喇叭状的导向钢筋,避免导管直接碰撞荷载箱,影响其埋设质量。另外,试验过程中靠近荷载箱处受力较大,喇叭筋同时起加强作用。荷载箱与钢筋笼连接优化如图4所示。

图4 荷载箱与钢筋笼连接优化示意Fig.4 Optimization of connection between load box and reinforcement cage

6)加、卸载分级设置

将试桩预估最大加载值均分10级加载,其中每一级加载量取分级荷载的2倍;每级卸载量为加载时分级荷载的2倍。加卸载均匀连续,每级荷载在维持过程中变化幅度不超过分级荷载的10%[8]。加载分级如表3所示。

表3 加载分级Table 3 Load classification kN

3 试验结果与分析

3.1 位移观测

位移观测采用慢速维持荷载法。每级加(卸)载后第1h内在第5,10,15,30,45,60min测读位移,以后每隔30min测读一次,达到相对稳定后方可加(卸)下一级荷载。卸载到0后观测2h,测读时间间隔同加载时间间隔[9]。SZ1,SZ2位移汇总如表4～7所示。

表4 SZ1位移汇总(下段桩)Table 4 Summary of SZ1 displacement (lower section pile)

表5 SZ1位移汇总(上段桩)Table 5 Summary of SZ1 displacement (upper pile section)

表6 SZ2位移汇总(下段桩)Table 6 Summary of SZ2 displacement (lower section pile)

表7 SZ2位移汇总 (上段桩)Table 7 Summary of SZ2 displacement(upper pile section)

3.2 检测过程数据分析

1)SZ1

SZ1Q-s曲线如图5所示。由图5可知,下荷载箱加载至2×6 300kN时,荷载箱下段位移增量大于前级增量的5倍,且位移总量超过40mm,向下的曲线出现明显陡变,故终止加载;上荷载箱加载至2×7 000kN 时,已达到设计要求的最大加载量,且荷载箱上、下位移达到稳定标准,故终止加载。该桩下段桩极限加载值为5 670kN,中段桩极限加载值为 7 000kN, 上段桩极限加载值为7 000kN。

图5 SZ1 Q-s曲线Fig.5 Q-s curve of SZ1

2)SZ2

SZ2Q-s曲线如图6所示。由图6可知,下荷载箱加载至2×4 000kN时,已达到设计要求的最大加载量,且荷载箱上、下位移达到稳定标准,故终止加载;上荷载箱加载至2×6 400kN时,已达到设计要求的最大加载量,且荷载箱上、下位移达到稳定标准,故终止加载。该桩下段桩极限加载值为4 000kN,中段桩极限加载值为6 400kN,上段桩极限加载值为6 400kN。

图6 SZ2 Q-s曲线Fig.6 Q-s curve of SZ2

3)检测结果(见表8)

表8 检测结果Table 8 Test results

单桩的极限承载力按照下式进行计算:

(1)

式中:Qu为单桩竖向承载力特征值;Quu为上段桩的极限加载值;Qum为中段桩的极限加载值;Qud为下段桩的极限加载值;W为上段桩的自重与附加质量之和;γi为桩的修正系数,γ黏性土、粉土=0.8,γ砂土=0.7,γ岩土=1,若上部有不同类型的土层,γi取加权平均值(根据勘测资料,经加权计算γ1=0.79,γ2=0.78)。

3.3 试桩与工程桩的转换

试验完成后,拟通过预埋管对荷载箱处进行压力注浆,借助一定的桩检方式研究分析试验桩是否可作为工程桩使用。

1)注浆位置 荷载箱打开位置为下连接板处,通过特制的位移管可在打开处预留注浆孔,进行荷载箱测试后桩体间隙及周边注浆。

2)注浆工艺 将所有注浆管打开,其中一根注入清水,待其他注浆管均流出清水后,改注水泥浆;待其他注浆管均流出水泥浆后,将出浆管封管,开始荷载箱注浆。

3)注浆参数 注浆材料采用强度等级为42.5以上的水泥,浆液的水灰比宜为0.50～0.55,并掺入一定量微膨胀剂,确保浆体强度达到桩身强度要求,无收缩。注浆量根据现场试验确定,原则上不小于荷载箱张开体积的2倍。注浆流量≤75L/min,注浆压力为2.0MPa,持续时间为5min。

4 结语

通过试桩结果分析,得到如下结论。

1)双荷载箱静载试验可适用于复合地层下的大直径、超长桩基极限承载力检测。

2)荷载箱位置的细节优化为桩基的顺利灌注和静载试验的成功操作提供了支撑。

3)分级加载得出的极限承载力基本上能准确反映桩基的实际极限承载力。

并提出如下建议。

1)在满足时间要求的前提下,分级次数尽量加大,得出的承载力容许值会更接近实际。

2)后续对试桩的加固处理还需进行进一步研究分析,需通过合理的桩检方式检验注浆加固的完整性,以满足作为工程桩的条件。