基于高速公路高架桥钻孔灌注桩静载的试验应用

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　　摘要：文章作者结合我省某高速公路高架桥实例，通过两组四板钻孔灌注桩的静载荷试验，单桩极限承载力均较设计提高30％以上，为优化设计提供了可靠参数，从而节约了相当可观的投资。
　　关键词：高速公路 高架桥 钻孔灌注桩 静载试验
　　
　　1. 概述
　　1.1 公路高架桥工程概况
　　该高速公路高架桥全3980m，是我省目前常见的一条公路高架桥，桥宽2×16.25m，双向６车道，设计时速100km/h，设计荷载：汽-超20、挂-120，155跨，1860根钻孔灌注桩（半幅桥单个桥墩承台下６根钻孔桩）。
　　1.2 桩桩位、工程地质情况
　　根据该高架桥桥位处工程地质复杂多变的特点，选取141#墩、29#墩两处作试桩。这两处桩位的工程地质土层包括了全线的其他性质土层，有很好的代表性。
　　1.3 试验桩设计及施工情况（见表1）
　　14 1#墩1号、2号试桩设计桩长为40.8m；29#墩3号、4号试桩设计桩长为36.1m，设计桩径均为100cm，试桩砼设计强度等级为C25级，与工程桩设计相同。
　　单根试桩设计加载量为1200t，单根锚桩的设计抗拔力为1.25×2000KN，拉力全部由钢筋承担，砼不承受拉力，验算最大裂缝开裂宽度不超过0.25mm。
　　试桩施工情况表
　　序号 项目 1号试桩 2号试桩 3号试桩 4号试桩
　　1 施工工艺 潜水钻进 潜水钻进 正循环 反循环
　　2 砼设计方法M3 32 32 29 29
　　3 砼浇注方量M3 33．2 32．8 32 32
　　4 成孔直径（CM） 102 101 104 104
　　5 沉淀层厚度CM 30 30 10 0
　　6 清孔工艺 二次清孔 二次清孔 二次清孔 二次清孔
　　7 试压块强度Mpa 27．8 28．2 37 38
　　
　　
　　2. 单桩竖向抗压静载荷试验
　　2.1 试脸方法
　　试验采用“六锚一”锚桩反力梁法。
　　2.2加、卸载等级、稳定标准及卸载条件
　　2.2.1加载分级
　　根据试桩桩位工程地质勘探资料，桩基础的设计资料以及有关规范，分析估算承裁力后按9～11级加载。
　　2.2.2测读桩顶沉降量的间隔时间
　　每级加载后，隔5、10、15、15、15min测读一次，累计1h后，每隔30min测读一次。
　　2.2.3沉降相对稳定标准
　　每级荷载作用下，桩顶沉降量在每h内小于0.1mm，并连续出现两次，且每级荷载维持对间不少于2h，即视为稳定，可加下一级荷载。
　　2.2.4终止加载条件
　　根据JGJ94-94规范之规定，只要满足下述条件之一即可终止加载：
　　（1）某级荷载的沉降增量大于前级等量荷载沉降增量的５倍；
　　（2）某级荷载的沉降增量大于前级等量荷载沉降增量的２倍，且24h沉降仍不稳定；
　　（3）己达到锚桩的最大抗拔力。
　　2.2.5 卸载对测的规定
　　每级卸载值为加载值的２倍，卸载后隔15min读一次，读两次后，隔0.5h再读―次，即可卸下一级荷载，全部卸载后，隔３―４h再读―次。
　　2.2.6 锚桩上拔量标准
　　试验的锚桩将作为工程桩使用，其桩―土体系的承载力特征等因素不得破坏，本次试验锚桩最大上拨量控制在５mm以内。
　　2.3 测试结果与分析
　　2.3.1 测试结果
　　根据试验所测荷载Ｐ与沉降值S及试验记录的时间Ｔ和对应的沉降位移S，用计算机绘制成P―S曲线，S―LG（P）（kN）曲线和S―LG（t）曲线。因４号试桩曲线均力陡降型，现摘录４号试桩成果曲线。
　　2.3.2 成果分析
　　（1）4号试桩极限承载力的确定：
　　最大加载值：13000k
　　桩顶最大竖向位移值：80.04mm
　　卸载后残余沉降量：71.81mm，占总沉降量的89.7%。残余沉降量较大，其桩―土体系已达破坏状态，
　　卸载后桩顶回弹值：8.23mm，占总沉降量的10.3%。
　　观测历时：92.5h。
　　根据“JGJ94-94”规程终止加载条件，第１１级荷载12000kN，沉降增量ΔS11/ΔS10>2，且经24h沉降仍不稳定，根据终止加载条件之（2）条规定、应该结束加载，但是加该级荷载对的总沉降量尚小，又加一级荷载以便进一步观察桩内各截面的应力和桩底反力变化情况。
　　①根据P―S曲线或S―lg（P）曲线显著陡降来确定极限承载力
　　当４号试桩在加载至11000kN后，P―S曲线上出现明显下弯、及S―lg（P）曲线出现明显的拐点、曲线陡降，确定极限承举载力为11000kN。
　　②根据桩顶下沉随时间发展的规律。
　　当4号试桩在加载至12000kN时，S―lg（t）曲线的尾部出现明显转折，存在下弯段特征，取该级荷载的前一级荷载11000kN为该桩的单桩极限承载力。
　　（2）极限摩阻力、极限端承力的椎算
　　利用S―lg（P）图，可以从极限承载力里将极限摩阻力和极限端承力分开，具体作法是将以极限荷载为起点的直线段延长与横坐标相交，其交点与坐标原点间的荷载值即为极限摩阻力、剩余部分为极限端承力。
　　用儿何方法得到推算方程：
　　fu=（Pu/Pmax）α×Pu
　　α=1/（Smax/Su-1）
　　式中：fu为桩的极限摩阻力；
　　Pu为桩的极限承载力；
　　Pmax为桩的破坏荷载；
　　Smax为桩的总沉降量；
　　Su为桩的极限承载力对应的沉降量。
　　2.2.3 结论
　　根据两组对比试验结果绘制出的P―S、S―lg（P）以及S―lg（t）曲线，两组试验桩的极限承载力取值建议如表２。
　　
　　表2 极限承载力推荐表
　　桩位 试桩号 单桩极限承载力（KN） 推荐极限承载力
　　141＃墩 1号试桩 8800 141＃墩 8000
　　 2号试桩 8000
　　29＃墩 3号试桩 11000 29＃墩 11000
　　 4号试桩 11000
　　
　　3. 试桩应力测试
　　3.1试验目的
　　在试桩的加、卸载过程当中，对桩身轴力进行连续动态测试，目的在于分分析桩一土系统桩侧阻力、桩尖瓜力的发挥请况及发展过程，同时利用桩顶位移观测资料、试块抗压资料及应力测试结果对试桩的各截面前位移发展进行分析。
　　3.2数据处理
　　3.2.1基本原理
　　钢筋计的直接测读量为振弦的频率值f，单位Hz，按下式即可转换成钢筋计的应力σgi
　　σgi=（f-f1）＊A
　　式中：σgi――测读的钢筋应力（MPa）
　　f―一测读的钢筋计频率值（Hz）
　　f1――工作初频，单位Hz；
　　A――为钢筋计的率定参数。
　　事实上由于部分钢筋计率走参数Ａ，在不同的荷载等级下有少许偏差，可采用分段内插的方法求取σgi，以保证测试精度。
　　当现场测试出钢筋计应力σgi后，钢筋的测试应变εg可由下式计算：
　　式中钢筋计的弹性模量为Eg=2.1×105MPa，
　　钢筋砼的弹性模量Eght=Eh+（Eg-Eh）＊μ
　　式中：Eh混凝土的抗压弹性模量（MPa）；
　　Eght第i个截面钢筋砼的抗压模量（MPa）。
　　因此，桩柱体任一测试截面Ai的轴力计算可用下式，即
　　Ni=σghi*A4t
　　当轴力已知时，可利用简单的静力平衡原理推出侧壁摩阻力的大小，Ni+1-Ni-Fi=0
　　桩端反力计算可采用下式：
　　G=Ni-π＊R＊L0＊τi
　　式中Ｇ为桩端反力，在这里i=1表示Ni为桩柱体第一测试断面处的轴力。
　　桩柱体各测试断面的沉降位移按下式计算：

　　其中：n是试桩的测试断面，在这里n=10；
　　Si为第i个测试断面的沉降推算值（mm）；
　　St为桩顶沉降，由位移计测出（mm）。
　　3.2.2数值处理
　　经过一系列复杂的数据计算和数据处理后得到了试桩断面轴力图、摩阻力图以及断面沉降图。
　　3.3成累分析
　　（1）1号、2号、3号及4号试桩侧阻力及桩端土反力见表3。
　　
　　表3 单位：KN
　　桩位 141＃墩 29＃墩
　　试桩号 1号试桩 2号试桩 3号试桩 4号试桩
　　代表符 fu Ru fu Ru fu Ru fu Ru
　　承载力（KN） 8559 241 7697 303 10578 422 10143 857
　　比例% 97 3 96 4 96 4 92 8
　　
　　
　　从表中实测数据可以看出，摩擦桩前桩端反力所占比例极小，远未达到依据《桥规》设计的桩尖承载力。
　　（2）实测数据显示，桩侧库摩力大小与勘察报告提供的参数值及根据规范和土层分类、物理性质有出的测阻力不尽相同，主要表现力：
　　①桩柱体上部（约15m以内），各土层的极限摩阻力试验测试值与地勘报告值及规范值基本吻合；
　　②桩柱体中下部，各上层的极限摩阻力试验测试值较地勘报告值及规范值偏大，约大15～20％；
　　③桩柱体底部，侧阻力测试值与地勘报告值及规范值基本吻合；
　　④个别测区（分布在中下部），侧阻力测试信明显高于地勘报告值及规范值。
　　⑤下同位置土层的侧阻力发挥与桩顶沉降之间的关系是上部土层侧限力发挥仅需较小的桩顶沉降，一般桩顶沉降在5～7mm时，侧阻力已充分发挥；而中下部侧阻力则随桩顶沉降是不断增加的趋势；桩端的侧阻力似乎在极限状态下，仍未充分发挥。
　　（３）桩端反力的测试值明显偏低，钻孔灌注桩在使用阶段工作状态下桩顶沉降很小，一般在2～３mm左右，砼处于弹性压缩阶段，而端阻力的完全发挥需要重大柱顶沉降，一般结构是不容许这样大的沉降。在这里就端部反力不能发挥的原因作如下分析：
　　①本次试验的桩细长比均较大、141#墩L/D=40.8，而29#墩L/D=36.1，这样大的细长比，对端阻力的发挥是有影响的。
　　②端部反力的发挥除了与该土层的性质有关外，钻孔后的沉淀层厚度（虚土厚度）对端反力的发挥也有较大的影响，本次试验的两个桩位，桩尖持力层十的性质是接近的，但141#墩的端反力明显小于29#墩，而29#墩４号试桩施工采用了反循环钻机，沉淀层厚度较菏，其端阻力在极限状态对，比３号试桩大了一倍。由此可见，采用反循环施工工艺对控制沉淀层厚度，提高桩的端阻力是十分有利的。
　　（4）从桩顶及各测试断面沉降资料可明显看出，桩柱体的弹性压缩变形盘较小，各截面的沉降特征主要力桩――土体系间的相对滑动。
　　
　　4. 几点思考
　　桩基础作为承重结构，在公路桥梁上应用非常广泛，其理论日趋成熟，但长细比≥30的细长桩，长细比越大，其实际承载尤与理论承载力相差越大，因为长细比的增加大大降低了桩身与桩尖承载力的分担比，桩身上部土层发生相对滑移，而下部土层还未达到极限状态，从而降低了桩的承载力，设计上又优先选用长细比尽量小的桩型；土层深度的影响，在临界深度范围内，粘性土埋深越深，在土层自重应力作用下，其厕阻力应该越大，即同种土层，在不同深度，应该有不同的侧摩阻力。

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