高速公路江陰高架橋鉆孔灌注樁靜載試驗

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1、概述

    1.1江陰高架橋簡介     錫澄高速公路江陰高架橋位于江陰市區(qū)東側(cè)，北接長江大橋，向南跨越澄江路，濱江路、人民東路、澄張公路等4條主干線，全長3982.23m，是我省目前最長的公路高架橋，橋?qū)?×16.25m，雙向6車道，設(shè)計時速100km/h，設(shè)計荷載：汽-超20、掛-120，155跨，1860根鉆孔灌注樁（半幅橋單個橋墩承臺下6根鉆孔樁）。     1.2樁樁位、工程地質(zhì)情況     根據(jù)江陰高架橋橋位處工程地質(zhì)復(fù)雜多變的特點，選取141#墩、29#墩兩處作試樁。這兩處樁位的工程地質(zhì)士層包括了全線的他質(zhì)土層，有很好的代表性。     1.3試驗樁設(shè)計及施工情況（見表1）     141#墩1號、2號試樁設(shè)計樁長為40.8#；29#墩3號、4號試樁設(shè)計樁長為36.1m，設(shè)計樁徑均為100cm，試樁砼設(shè)計強(qiáng)度等級為C25級，與工程樁設(shè)計相同。
    單根試樁設(shè)計加載量為1200t，單根錨樁的設(shè)計抗拔力為1.25×2000KN，拉力全部由鋼筋承擔(dān)，砼不承受拉力，驗算最大裂縫開裂寬度不超過0.25mm。 試樁施工情況表 序號 項目 1號試樁 2號試樁 3號試樁 4號試樁 1 施工工藝 潛水鉆進(jìn) 潛水鉆進(jìn) 正循環(huán) 反循環(huán) 2 砼設(shè)計方法M3 32 32 29 29 3 砼澆注方量M3 33．2 32．8 32 32 4 成孔直徑
（CM） 102 101 104 104 5 沉淀層厚度CM 30 30 10 0 6 清孔工藝 二次清孔 二次清孔 二次清孔 二次
清孔 7 試壓塊強(qiáng)度Mpa 27．8 28．2 37 38       2、單樁豎向抗壓靜載荷試驗     2.1　試臉方法     試驗采用“六錨一”錨樁反力梁法。     2.2　加、卸載等級、穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)及卸載條件     2.2.1　加載分級     根據(jù)試樁樁位工程地質(zhì)勘探資料，樁基礎(chǔ)的設(shè)計資料以及有關(guān)規(guī)范，分析估算承裁力后按9～11級加載。     2.2.2　測讀樁頂沉降量的間隔時間     每級加載后，隔5、10、15、15、15min測讀一次，累計1h后，每隔30min測讀一次。     2.2.3　沉降相對穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)     每級荷載作用下，樁頂沉降量在每h內(nèi)小于0.1mm，并連續(xù)出現(xiàn)兩次，且每級荷載維持對間不少于2h，即視為穩(wěn)定，可加下一級荷載。     2.2.4　終止加載條件     根據(jù)JGJ94-94規(guī)范之規(guī)定，只要滿足下述條件之一即可終止加載：     （1）某級荷載的沉降增量大于前級等量荷載沉降增量的5倍；     （2）某級荷載的沉降增量大于前級等復(fù)荷載沉降增量的2倍，且24h沉降仍不穩(wěn)定；     （3）己達(dá)到錨樁的最大抗拔力。     ２.２.５　卸載對測的規(guī)定     每級卸載值為加載值的２倍，卸載后隔15min讀一次，讀兩次后，隔0.5h再讀—次，即可卸下一級紙荷載，全部卸載后，隔3—4h再讀—次。     2.2.6　錨樁上拔量標(biāo)準(zhǔn)     試驗的錨樁將作為工程樁使用，其樁—土體系的承載力特征等因素不得破壞，本次試驗錨樁最大上撥量控制在5mm以內(nèi)。     2.3　測試結(jié)果與分析     2.3.1　測試結(jié)果 　　根據(jù)試驗所測荷載Ｐ與沉降值S及試驗記錄的時間Ｔ和對應(yīng)的沉降位移S，用計算機(jī)繪制成P—S曲線，S—LG（P）（kN）曲線和S—LG（t）曲線。因４根試樁曲線均力陡降型，現(xiàn)摘錄４號試樁成果曲線。     2.3.2 成果分析     （1）4號試樁極限承載力的確定：
    最大加載值：13000k     樁頂最大豎向位移值：80.04mm     卸載后殘余沉降量：71.81mm，占總沉降量的89.7％。殘余沉降量較大，其樁—土體系已達(dá)破壞狀態(tài)，     卸載后樁頂回彈值：8.23mm，占總沉降量的10.3％。     觀測歷時：92.5h。     根據(jù)“94-94”規(guī)程終止加載條件，第11級荷載12000kN，沉降增量ΔS11/ΔS10>2，且經(jīng)24h沉降仍不穩(wěn)定，根據(jù)終止加載條件之（2）條規(guī)定、應(yīng)該結(jié)束加載，但是加該級荷載對的總沉降量尚小，又加一級荷載以便進(jìn)一步觀察樁內(nèi)各截面的應(yīng)力和樁底反力變化情況。
    ①根據(jù)P—S曲線或S—lg（P）曲線顯著陡降來確定極限承載力
    當(dāng)4號試樁在加載至11000kN后，P—S曲線上出現(xiàn)明顯下彎、及S—lg（P）曲線出現(xiàn)明顯的拐點、曲線陡降，確定極限承舉載力為11000kN。
    ②根據(jù)樁頂下沉隨時間發(fā)展的規(guī)律　　
    當(dāng)4號試樁在加載至12000kN時，S—lg（t）曲線的尾部出現(xiàn)明顯轉(zhuǎn)折，存在下彎段特征，取該級荷載的前一級荷載11000kN為該樁的單樁極限承載力。
    （2）極限摩阻力、極限端承力的椎算
    利用S—lg（P）圖，可以從極限承載力里將極限摩阻力和極限端承力分開，具體作法是將以極限荷載為起點的直線段延長與橫坐標(biāo)相交，其交點與坐標(biāo)原點間的荷載值即為極限摩阻力、剩余部分為極限端承力。
　　用兒何方法得到推算方程： fu=（Pu/Pmax）^α×Pu　
α=1/（Smax/Su-1） 式中：fu為樁的極限摩阻力； 　　　Pu為樁的極限承載力； 　　　Pmax為樁的破壞荷載； 　　　Smax為樁的總沉降量； 　　　Su為樁的極限承載力對應(yīng)的沉降量。     2.3.3　結(jié)論     根據(jù)兩組對比試驗結(jié)果繪制出的P—S、S—lg（P）以及S—lg（t）曲線，兩組試驗樁的極限承載力取值建議如表２。 極限承載力推薦表　　　　　表２ 樁位 試樁號 單樁極限承載力
（KN） 推薦極限
承載力 141＃墩 1號試樁 8800 141
＃墩 8000 2號試樁 8000 29＃墩 3號試樁 11000 29＃墩 11000 4號試樁 11000       3、試樁應(yīng)力測試     3.1 試驗?zāi)康?    在試樁的加、卸載過程當(dāng)中，對樁身軸力進(jìn)行連續(xù)動態(tài)測試，目的在于分析樁一土系統(tǒng)樁側(cè)阻力、樁尖瓜力的發(fā)揮請況及發(fā)展過程，同時利用樁頂位移觀測資料、試塊抗壓資料及應(yīng)力測試結(jié)果對試樁的各截面前位移發(fā)展進(jìn)行分析。     3.2 數(shù)據(jù)處理     3.2.1　基本原理 　　鋼筋計的直接測讀量為振弦的頻率值f，單位Hz，按下式即可轉(zhuǎn)換成鋼筋計的應(yīng)力σgi σgi=（f-f1）＊A     式中：σgi——測讀的鋼筋應(yīng)力（MPa）     f—一測讀的鋼筋計頻率值（Hz）     f1——工作初頻，單位Hz；     A——為鋼筋計的率定參數(shù)。     事實上由于部分鋼筋計率走參數(shù)Ａ，在不同的荷載等級下有少許偏差，可采用分段內(nèi)插的　方法求取σgi，以保證測試精度。
    當(dāng)現(xiàn)場測試出鋼筋計應(yīng)力σgi后，鋼筋的測試應(yīng)變εg可由下式計算：     式中鋼筋計的彈性模量為Eg=2.1×10⁵MPa，     鋼筋砼的彈性模量Eght=Eh+（Eg-Eh）＊μ     式中：Eh混凝土的抗壓彈性模量（MPa）； 　　　　 Eght第i個截面鋼筋砼的抗壓模量（MPa）。
    因此，樁柱體任一測試截面Ai的軸力計算可用下式，即 Ni=σ_ghi*A4_t     當(dāng)軸力已知時，可利用簡單的靜力平衡原理推出側(cè)壁摩阻力的大小， N_i+1-N_i-F_i=0     樁端反力計算可采用下式： G=Ni-π＊R＊L₀＊τi     式中Ｇ為樁端反力，在這里i=1表示Ni為樁柱體第一測試斷面處的軸力。     樁柱體各測試斷面的沉降位移按下式計算：     其中：n是試樁的測試斷面，在這里n=10； 　　　　　Si為第i個測試斷面的沉降推算值（mm）； 　　　　　St為樁頂沉降，由位移計測出（mm）。     3.2.2 數(shù)值處理 　　經(jīng)過一系列復(fù)雜的數(shù)據(jù)計算和數(shù)據(jù)處理后得到了試樁斷面軸力圖、摩阻力圖
以及斷面沉降圖。     3.3 成累分析     （1）1號、2號、3號及4號試樁側(cè)阻力及樁端土反力見表3。 單位：KN 表３ 樁位 141＃墩 29＃墩 試樁
號 1號試樁 2號試樁 3號試樁 4號試樁 代表
符 fu Ru fu Ru fu Ru fu Ru 承載
力
（KN） 8559 241 7697 303 10578 422 10143 857 比例% 97 3 96 4 96 4 92 8     從表中實測數(shù)據(jù)可以看出，摩擦樁前樁端反力所占比例極小，遠(yuǎn)未達(dá)到依據(jù)《橋規(guī)》設(shè)計的樁尖承載力。     （2）實測數(shù)據(jù)顯示，樁側(cè)庫摩力大小與勘察報告提供的參數(shù)值及根據(jù)規(guī)范和土層分類、物理性質(zhì)有出的測阻力不盡相同，主要表現(xiàn)力：
    ①樁柱體上部（約15m以內(nèi)），各土層的極限摩阻力試驗測試值與地勘報告值及規(guī)范值基本吻合；
    ②樁柱體中下部，各上層的極限摩阻力試驗測試值較地勘報告值及規(guī)范值偏大，約大15～20％；
    ③樁柱體底部，側(cè)阻力測試值與地勘報告值及規(guī)范值基本吻合；
    ④個別測區(qū)（分布在中下部），側(cè)阻力測試信明顯高于地勘報告值及規(guī)范值。　
    ⑤下同位置土層的側(cè)阻力發(fā)揮與樁頂沉降之間的關(guān)系是上部土層側(cè)限力發(fā)揮僅需較小的樁頂沉降，一般樁頂沉降在5～7mm時，側(cè)阻力已充分發(fā)揮；而中下部側(cè)阻力則隨樁頂沉降是不斷增加的趨勢；樁端的側(cè)阻力似乎在極限狀態(tài)下，仍未充分發(fā)揮。
?。ǎ常抖朔戳Φ臏y試值明顯偏低，鉆孔灌注樁在使用階段工作狀態(tài)下樁頂沉降很小，一般在2～3mm左右，砼處于彈性壓縮階段，而端阻力的完全發(fā)揮需要重大柱頂沉降，一般結(jié)構(gòu)是不容許這樣大的沉降。在這里就端部反力不能發(fā)揮的原因作如下分析：
　　①本次試驗的樁細(xì)長比均較大、141#墩L/D=40.8，而29#墩L/D=36.1，這樣大的細(xì)長比，對端阻力的發(fā)揮是有影響的。
　?、诙瞬糠戳Φ陌l(fā)揮除了與該土層的性質(zhì)有關(guān)外，鉆孔后的沉淀層厚度（虛土厚度）對端反力的發(fā)揮也有較大的影響，本次試驗的兩個樁位，樁尖持力層十的性質(zhì)是接近的，但141#墩的端反力明顯小于29#墩，而29#墩４號試樁施工采用了反循環(huán)鉆機(jī)，沉淀層厚度較菏，其端阻力在極限狀態(tài)對，比３號試樁大了一倍。由此可見，采用反循環(huán)施工工藝對控制沉淀層厚度，提高樁的端阻力是十分有利的。
?。?）從樁頂及各測試斷面沉降資料可明顯看出，樁柱體的彈性壓縮變形盤較小，各截面的沉降特征主要力樁——土體系間的相對滑動。     4、幾點思考     （1）樁基礎(chǔ)作為承重結(jié)構(gòu)，在公路橋梁上應(yīng)用非常廣泛，其理論日趨成熟，但長細(xì)比≥30的細(xì)長樁，長細(xì)比越大，其實際承載尤與理論承載力相差越大，因為長細(xì)比的增加大大降低了樁身與樁尖承載力的分擔(dān)比，樁身上部土層發(fā)生相對滑移，而下部土層還未達(dá)到極限狀態(tài)，從而降低了樁的承載力，設(shè)計上又優(yōu)先選用長細(xì)比盡量小的樁型；
    （2）土層深度的影響，在臨界深度范圍內(nèi)，粘性土埋深越深，在土層自重應(yīng)力作用下，其廁阻力應(yīng)該越大，即同種土層，在不同深度，應(yīng)該有不同的側(cè)摩阻力。