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不同持力层的钻孔灌注桩自平衡法原位试验

发表日期:2019-04-06 10:45:54 文章来源: 分类:[技术百科 ] 浏览次数:

大直径钻孔灌注桩是大型桥梁基础的主要桩型,杭州湾大桥主塔基础为 26 根直径 2.8m,长约 125m 的大直径超长钻孔灌注桩[1],东海长江大桥主桥墩采用直径 2.5m 的灌注桩,桩长也达到了 110m[2]。钻孔灌注桩的承载能力与持力层有密切关系:若桩端持力层为较密实的碎石土层、基岩层等工程性质较好的土层,桩端往往能提供较大的承载力,桩基承载特性表现为端承桩或端承摩擦桩;若桩端位于软粘土中,桩端阻力远小于侧摩阻力,为摩擦桩。此外,若钻孔成桩时清孔不彻底,孔底会淤积较多泥浆沉渣,使桩端持力层工程性质变差,会严重影响端阻的发挥。本试验中的三根试桩桩径均为 1.5m,两根 40m 长的试桩持力层为卵砾石层,一根 64m 长的试桩持力层为中风化泥岩层。拟通过自平衡静载试验,验证桩基承载力能否达到设计要求,并据此探求不同持力层灌注桩的承载特性,以及施工对同一持力层桩基承载力的影响。

南京长江5桥.jpg

一、工程及试桩概况

1.工程概况及地质条件

南京长江五桥位于南京长江三桥下游约 5km 处,全长约10.3km。其中,跨江大桥长约 4.4km,夹江隧道长约1.8km,其余路段长约 4.1km。测试区域地层上部均为第四系松散沉积物,下伏白垩系基岩,地层共划分为 6 大层,层号为①~⑥,试桩区域地质情况见表 1。

试桩区域地质情况表.jpg

2.试桩概况

试桩为工程原位桩,采用钻孔灌注成桩工艺施工,桩身混凝土强度等级为 C35,试桩参数见表 2。试桩静载试验采用自平衡测试法[3],测试荷载由焊接在桩身钢筋笼上的油压荷载箱提供,测试原理详见《基桩静载试验-自平衡法》(JT/T 738-2009)[4]。表 1 试桩区域地质情况表层号 岩土名称 状态 地基承载力容许值 fa0 侧摩阻力标准值 qik

① 杂填土 松散-稍密 -- --

②1 粉质黏土 软塑 100kPa 30kPa

②2 淤泥质粉质黏土 流塑 65kPa 20kPa

③1 粉砂 稍密-中密 100kPa 30kPa

③2 粉细砂 中密-密实 160kPa 50kPa

③3 粉细砂 密实 220kPa 60kPa

③4 粉质黏土 可塑 100kPa 30kPa

④1 中粗砂 密实 350kPa 70kPa

④2 砾砂 中密-密实 450kPa 90kPa

④3 圆砾土 密实 550kPa 130kPa

④4 卵石土 密实 700kPa 150kPa

⑤1 强风化泥岩 极软岩 400kPa 90kPa

⑤11 强风化泥岩 极软岩 350kPa 75kPa

⑤2 中风化泥岩 极软岩 500kPa 120kPa

⑥21 中风化泥岩 极软岩 450kPa 100kPa

表 2 试桩参数

桩号 桩径/m 有效桩长/m 终孔地层 荷载箱位置

1# 1.5 40.0 ④3 圆砾土 距桩端 6.0m

2# 1.5 41.0 ④4 卵石土 距桩端 12.0m

3# 1.5 64.0 ⑤2 中风化泥岩 距桩端 12.0m

在桩身每个土层分界面处均匀布置 4 个钢筋测力计(光纤应变传感器),加载时桩身轴力由桩身预埋的振弦式钢筋测力计测得(试桩 2 采用光纤应变传感器)。采用 4 只电子位移计测量试桩位移量的变化,电子位移计通过磁性表座固定在基准梁上,2 只用来测量荷载箱顶板的位移,2 只用来测量荷载箱底板的位移。

二、测试过程

试桩成桩 15 天后进行自平衡静载测试,根据《基桩静载试验-自平衡法》(JT/T 738-2009)[4],采用慢速维持荷载法加载。加载前通过经验公式计算试桩的承载力,并根据计算值不同持力层的钻孔灌注桩自平衡法原位试验 247 确定每级荷载的大小,每级加载量为估算承载力的 1/15,第一级按两倍分级荷载加载。以试桩 1#为例,实测荷载-位移曲线如图 1 所示。

荷载箱检测数据.jpg

三、数据处理与结果分析

1.试桩的极限承载力

运用荷载传递解析方法,可以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[5]。等效转换后的桩顶荷载-沉降曲线如

图 2 所示。

荷载箱.jpg

试桩 1#的检测于 2018 年 2 月 28 日完成,桩基的承载力安全系数为 2。根据测试结果试桩 1#的实测极限承载力基本满足设计要求,经专家评审会评审,认为试桩 1#的承载力富余较少,极限承载力对应的桩顶沉降值偏大,试桩 2#为试桩 1#的验证桩。根据图 2,试桩 2#和试桩 3#的极限承载力分别约为28,000kN 和 32500kN,均满足设计要求且有较大富余。

三根试桩的 Q-s 曲线在加载前期比较接近,当荷载提高至17,000kN 左右时,试桩 1#的 Q-s 曲线出现了较为明显的拐点,试桩 2#和试桩 3#则继续保持缓变,试桩 1#的极限承载力明显小于其余两根试桩。结合表 2 可知试桩 1#的荷载箱位于距桩端 6m 处,试桩2#和试桩 3#的荷载箱均位于距桩端 12m 处。荷载箱位置偏下导致在加载过程中荷载箱上部桩段的侧摩阻力不能充分发挥,端阻却会较早发挥,而桩端能提供的承载力有限,所以出现承载力较小、沉降量较大的结果。此外,如果试桩 1#在施工时清孔不彻底,孔底淤积的泥浆沉渣也有可能影响下段桩端阻和侧摩阻力的发挥,从而导致上述现象的发生。

2.试桩的侧摩阻力

桩身应变量可由桩身预埋的钢筋应力计或光纤应变传感器测出,带入桩身截面的混凝土和钢筋弹性模量即可求出相应位置的轴力 PZ 。桩身量测截面之间的轴向力之差值 PZ 与桩身量测截面之间桩段的侧表面积 F 之比即为桩侧各土层的摩阻力 sq ,即 / q P F s Z。各试桩的侧摩阻力分布如图 3~图 5 所示。

荷载箱.jpg

自平衡.jpg

荷载箱.jpg

根据图 3,试桩 1#荷载箱下部桩段的侧摩阻力随荷载的增长较快:当加载值达到 13,344kN 时,侧摩阻力已达200kPa,荷载增至 20,016kN 时,侧摩阻力增至 300kPa248左 右 , 已 经 远 大 于 地 勘 资 料 给 出 的 侧 摩 阻 力 标 准 值(150kPa),但是荷载箱上部桩段的侧摩阻力没有被充分调动。于此相对应的,试桩 2#在对应荷载下,荷载箱下部桩段的侧摩阻力小于试桩 1#,但是荷载箱上部桩段的侧摩阻力得到了较为充分的发挥。上述现象也间接证明试桩 1#荷载箱位置偏下,导致上部桩段的侧摩阻力不能充分发挥。试桩 3#持力层为中风化泥岩,参照图 3 和图 5,可知中风化泥岩层与卵砾石层中的桩侧摩阻力发挥特性较为相似。在满足桩身沉降要求的前提下,中风化泥岩层和卵砾石层能提供的最大侧摩阻力都约为 200kPa。

3.桩端阻力

将布置在桩身最下部的应变计测得应变值转换为轴力当作桩端阻力,三根试桩的桩端阻力-位移曲线如图 6 所示。

荷载箱.jpg

试桩 1#和试桩 2#持力层均为卵砾石层,两根试桩的桩端位移都大于 20mm,试桩 1#的桩端位移甚至达到了45mm。可以认为二者的端阻都得到较为充分的发挥,极限值也较为接近,约为 3,500kN。但是,端阻相同的情况下,试桩 1#的桩端位移更大:对应端阻为 3,000kN 时,试桩 1#对应的桩端位移约为 35mm,而试桩 2#对应的桩端位移仅为 15mm 左右。荷载箱的位置不会使试桩 1#的端阻发挥滞后于试桩2#,这说明试桩1#桩端土的工程性质比试桩2#差,鉴于试桩 1#和试桩 2#有相同的持力层,排除土层的不确定性,可以推知试桩 1#在施工过程中桩底淤积了较多的沉渣,对端阻的发挥产生了较为不利的影响。试桩 3#的持力层为中风化泥岩,桩端位移很小,加载至最后一级荷载时桩端位移不足 10mm。该试桩的端阻一直在稳步增长,加载结束时,端阻达 6,000kN,并且端阻-位移曲线显示试桩 3#的端阻仍有很大的发挥空间。但是该试桩桩长较长,加载过程中桩身压缩变形较大,由于桩顶位移=桩端位移+桩身压缩量,因此在限制桩顶沉降量的条件下,其端阻得不到充分发挥。

四、结论

通过对三根工程原位桩进行承载力自平衡测试,得到如下结论:

1、试桩在卵砾石层和中风化泥岩层中的极限侧摩阻力较为接近,约为 200kPa;但是中风化泥岩层能提供超过6,000kN 的桩端阻力,卵砾石层能提供的桩端阻力仅为3,500kN 左右;

2、64m 长桩的中风化泥岩持力层能提供 6,000kN 以上的端阻力,但是在加载过程中桩身压缩量较大,当桩顶沉降达到设计允许值的时候桩端位移较小,端阻得不到充分发挥;

3、若施工过程中桩底有较多的沉渣,会破坏桩端土层的工程性质,严重影响桩端阻力的发挥;

4、进行单荷载箱自平衡静载测试时,要注意合理选择荷载箱位置,荷载箱位置偏下会导致荷载箱上部桩段侧摩阻力得不到充分发挥,测出的试桩承载力偏小、桩端位移偏大。

本文关键词:钻孔灌注桩自平衡测试端阻力侧摩阻力荷载箱

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