复合地层桥梁桩基双荷载箱自平衡法静载试验研究.pdf

26 施工技术(中英文)CONSTRUCTION TECHNOLOGY2023 年 11 月下第 52 卷 第 22 期DOI:10.7672/sgjs2023220026复合地层桥梁桩基双荷载箱自平衡法静载试验研究郭 航1,2,龚建伍1(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)摘要 对于分布有深厚软土层且下部为砂层的江汉平原复合地层,高速公路桥梁桩基一般为超长的大直径摩擦型桩,单桩荷载达 8 00011 000kN,桥梁占比高对工程项目造价影响重大,因此如何降低桥梁造价对控制工程总造价尤为重要。采用双荷载箱自平衡法静载试验,通过计算荷载箱位置、优化荷载箱安装细节、确定分级加载值及测定桩侧、桩端阻力,获取桩侧主要土层及桩端持力层的有关参数和桩基竖向变形参数,测定单桩极限承载力,一方面核验该区域复合地层桩基承载力容许值,另一方面优化荷载箱位置的布设、荷载箱安装细节及检测方法。关键词 桩基础;复合地层;承载力;双荷载箱;自平衡;检测中图分类号 TU753文献标识码 A文章编号 2097-0897(2023)22-0026-06Static Load Test of Double Load Box Self-balancing Method forBridge Pile Foundation in Composite StratumGUO Hang1,2,GONG Jianwu1(1.Wuhan University of Science and Technology,Wuhan,Hubei 430070,China;2.China Construction Third Bureau Infrastructure Construction Investment Co.,Ltd.,Wuhan,Hubei 430070,China)Abstract:For the composite stratum in Jianghan Plain with deep soft soil layer distributed and sand layerat the bottom,pile foundations of expressway bridges are generally super-long large-diameter friction pileswith a single pile load of 8 000 11 000kN.The high proportion of bridges has a great influence on theproject cost.Therefore,how to reduce the bridge cost is particularly important for controlling the totalproject cost.The static load test of double load box self-balancing method is adopted.By calculating theposition of load box,optimizing the installation details of load box,determining the tiered loading valueand measuring the resistance of pile side and pile end,the relevant parameters of the main soil layer ofpile side and the bearing layer of pile end and the vertical deformation parameters of pile foundation areobtained,and the ultimate bearing capacity of single pile is measured.On the one hand,the allowablebearing capacity of pile foundation in composite stratum in this area is verified.On the other hand,thelayout of load box position,the installation details of load box and the detection method are optimized.Keywords:piles;composite stratum;bearing capacity;double load box;self-balancing;detection中建三局集团有限公司科研项目(CSCEC3B-2019-04)作者简介 郭 航,高级工程师,E-mail:2655429197 收稿日期 2023-07-280 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 1062014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 7382009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2023 No.22郭 航等:复合地层桥梁桩基双荷载箱自平衡法静载试验研究27 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 1.520m 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1.82.0m,初步估算桩长为 4580m。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。表 1 地质特征情况Table 1 Geological characteristics地层分布地质特征描述1耕植土黄褐色,稍湿,松散,主要由黏性土组成,夹少量碎石及植物根茎;揭示厚度 0.51.0m,在桥址区范围内局部分布1黏土褐黄、褐灰色,饱和,可塑,含少量高岭土及铁锰氧化物,切面较光滑;埋深 02.0m,揭示厚度 0.85.5m2淤泥质黏土深灰色,饱和,流软塑,局部夹少量腐殖质,有轻微腥臭味;埋深 1.06.0m,揭示厚度 1.37.9m3黏土灰色、褐灰色,饱和,可塑,局部软塑,含少量铁锰氧化物,切面较光滑;埋深 4.89.2m,揭示厚度 1.59.1m4淤泥质黏土深灰色,饱和,软塑,局部夹少量腐殖质,有轻微腥臭味,局部夹有薄层粉土、粉砂;埋深 8.018.3m,揭示厚度 2.510.4m6粉质黏土灰色、青灰色,饱和,可塑,含少量铁锰氧化物,局部夹有薄层稍密状态粉土;埋深 15.519.7m,揭示厚度 2.56.4m1粉砂夹粉土、粉质黏土青灰色,饱和,稍密中密状态,主要成分为石英、长石及少量云母片等,局部夹有薄层粉土、粉质黏土,略具微层理;埋深 14.024.0m,揭示厚度 1.99.0m2粉砂青灰色,饱和,中密状态为主,局部为密实状态,粉砂为主,局部为细砂,主要由石英、长石及少量云母片组成;埋深 22.5055.50m3中砂青灰色,中密-密实状态,饱和,主要由石英、长石及少量云母片组成,局部夹有少量卵石,粒径 2 5cm,圆亚圆形,含量 20%30%,分布不均;部分钻孔局部夹有半胶结的砂岩,敲击声哑,取芯最大超过20.0cm;埋深 48.059.6m,未揭穿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 1.82.6m。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 test2.2 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。28 施工技术(中英文)第 52 卷图 2 基准梁示意Fig.2 Reference beam3)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 box4)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试桩编号设计桩顶反力/kN预估极限承载力/kN荷载箱加载值/kN桩长/m荷载箱埋至桩端距离/mSZ18 44620 000上荷载箱 27 000下荷载箱 26 30056252SZ26 48416 500上荷载箱 26 400下荷载箱 24 00052232 5)荷载箱与钢筋笼的连接优化增设 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。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 loadbox and reinforcement cage6)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。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 47 所示。3.2 检测过程数据分析 1)SZ1SZ1 Q-s 曲线如图 5 所示。由图 5 可知,下荷载箱加载至 26 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 27 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2023 No.22郭 航等:复合地层桥梁桩基双荷载箱自平衡法静载试验研究29 表 3 加载分级Table 3 Load classificationkN加载分级SZ1SZ2下荷载箱上荷载箱下荷载箱上荷载箱预加载2700263026402400第 2 级21 40021 26021 2802800第 3 级22 10021 89021 92021 200第 4 级22 80022 52022 56021 600第 5 级23 50023 15023 20022 000第 6 级24 20023 78023 84022 400第 7 级24 90024 41024 48022 800第 8 级25 60025 04025 12023 200第 9 级26 30025 67025 76023 600第 10 级27 00026 30026 40024 000第 11 级25 60025 04025 12023 200第 12 级24 20023 78023 84022 400第 13 级22 80022 52022 56021 600第 14 级21 40021 26021 2802800第 15 级0000表 4 SZ1 位移汇总(下段桩)Table 4 Summary of SZ1 displacement(lower section pile)载荷/kN累计历时/min累计沉降/mm累计上拔/mm累计桩顶位移/mm1 2601200.180.0901 8902400.570.480.052 5203601.250.890.133 1504802.691.380.293 7806006.741.960.414 41072012.102.600.755 04084018.343.611.135 67096025.334.741.566 3001 00561.716.282.1501 18559.782.240.71最大上位移6.28mm上位移回弹4.04mm回弹率64.30%最大下位移61.71mm下位移回弹1.92mm回弹率3.12%表 5 SZ1 位移汇总(上段桩)Table 5 Summary of SZ1 displacement(upper pile section)载荷/kN累计历时/min累计沉降/mm累计上拔/mm累计桩顶位移/mm1 4001200.160.1702 1002400.350.330.032 8003600.910.520.183 5004802.011.180.624 2006004.482.821.484 9007208.705.513.125 60084015.569.085.876 30096024.4613.5210.237 0001 14037.8021.8118.295 6001 20037.3721.6218.184 2001 26036.9421.2417.832 8001 32036.4920.6417.381 4001 38035.8319.9616.5801 56034.8719.0815.60最大上位移21.81mm上位移回弹2.74mm回弹率12.54%最大下位移37.80mm下位移回弹2.92mm回弹率7.73%表 6 SZ2 位移汇总(下段桩)Table 6 Summary of SZ2 displacement(lower section pile)载荷/kN累计历时/min累计沉降/mm累计上拔/mm累计桩顶位移/mm8001200.520.310.001 2002401.240.530.031 6003602.350.850.092 0004804.311.220.182 4006007.461.620.372 80072011.772.480.773 20084017.813.271.413 60096025.154.212.264 0001 14034.566.333.443 2001 20034.396.183.322 4001 26034.135.653.081 6001 32033.695.062.778001 38032.834.432.3401 56031.07-3.731.77最大上位移6.33mm上位移回弹2.60mm回弹率41.13%最大下位移34.56mm下位移回弹3.49mm回弹率10.10%表 7 SZ2 位移汇总(上段桩)Table 7 Summary of SZ2 displacement(upper pile section)载荷/kN累计历时/min累计沉降/mm累计上拔/mm累计桩顶位移/mm1 2801200.080.210.001 9202400.280.340.122 5603600.920.880.403 2004802.212.140.643 8406004.014.722.384 4807207.938.014.965 12084013.9211.588.245 76096021.3615.5812.656 4001 08030.3721.4719.175 1201 14030.1021.3218.643 8401 20029.5620.7018.132 5601 26028.9920.0517.811 2801 32028.3019.3017.1501 50027.5818.3616.57最大上位移21.47mm上位移回弹3.11mm回弹率14.50%最大下位移30.37mm下位移回弹2.79mm回弹率9.18%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。2)SZ2SZ2 Q-s 曲线如图 6 所示。由图 6 可知,下荷载箱加载至 24 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26 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,30 施工技术(中英文)第 52 卷图 5 SZ1 Q-s 曲线Fig.5 Q-s curve of SZ1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。3)检测结果(见表 8)单桩的极限承载力按照下式进行计算:Qu=Quu-Wi+Qum+Qud(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;i为桩的修正系数,黏性土、粉土=0.8,砂土=0.7,岩土=1,若上部有不同类型的土层,i取加权平均值(根据勘测资料,经加权计算 1=0.79,2=0.78)。表 8 检测结果Table 8 Test results桩号极限加载值/kN上中下扣除自重/kN修正系数i抗压极限承载力/kNSZ17 00070005 6701 1830.7920 033SZ26 4006 4004 0001 1070.7817 1863.3 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图 6 SZ2 Q-s 曲线Fig.6 Q-s curve of SZ2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 0.500.55,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。2023 No.22郭 航等:复合地层桥梁桩基双荷载箱自平衡法静载试验研究31 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。参考文献:1 王贤栋,邢皓枫.自平衡试桩法的研究进展J.江西建材,2021(4):11-13.WANG X D,XING H F.Research progress of pile self-balancedload test methodJ.Jiangxi building materials,2021(4):11-13.2 尤田,郭佳嘉.基于双荷载箱的超长桩自平衡试桩法试验研究J.施工技术(中英文),2022,51(12):32-36.YOU T,GUO J J.Experimental study on self-balancing test pilemethod for super-long piles based on double load cell J.Construction technology,2022,51(12):32-36.3 欧阳小华.超长桩基承载力检测的双荷载箱自平衡法及工程应用研究J.施工技术,2018,47(11):88-91.OUYANG X H.Study on application of double load box self-balance method for measuring the bearing capacity of super longpile foundation J.Construction technology,2018,47(11):88-91.4 尹军衡.桩基承载力自平衡检测技术与具体应用J.绿色科技,2020(8):161-162.YIN JH.Self-balancingdetectiontechnologyandspecificapplication of pile foundation bearing capacity J.Journal ofgreen science and technology,2020(8):161-162.5 东南大学土木工程学院.基桩自平衡法静载试验用荷载箱:JT/T 8752013S.北京:人民交通出版社,2014.Institute of Civil Engineering,Southeast University.Load box forself-balanced static load test of pile:JT/T 8752013 S.Beijing:China Communications Publishing,2014.6 何均龙.自平衡检测法在安哥拉 LNG 工程中的应用J.水运工程,2011(4):153-158.HE J L.Application of self-balanced testing method for AngolaLNG project J.Port&waterway engineering,2011(4):153-158.7 王殿会,郝欣欣.自平衡法在基坑桩基承载力检测中的应用J.建筑机械,2022(7):41-44.WANG D H,HAO X X.Application of self balance method inbearing capacity test of foundation pit pile foundation J.Construction machinery,2022(7):41-44.8 李春奎.地铁盖挖换乘车站桩基自平衡极限承载力检测技术J.铁道建筑技术,2022(8):166-169,175.LI C K.Testing technology of self-balancing ultimate bearingcapacity of pile foundation in the middle of metro cover diggingand transfer stationJ.Railway construction technology,2022(8):166-169,175.9 于正浩,方能榕,陈华,等.超深地下连续墙竖向承载力自平衡检测施工关键技术J.科学技术创新,2020(33):128-129.YU Z H,FANG N R,CHEN H,et al.The key technology of self-balanced detection of vertical bearing capacity of ultra-deepunderground diaphragm wall J.Scientific and technologicalinnovation,2020(33):128-129.(上接第 25 页)7 王勇,李国芬,黄凯健,等.水泥/石灰对滨海盐渍路基土性能的影响J.南京林业大学学报(自然科学版),2014,38(5):165-169.WANG Y,LI G F,HUANG K J,et al.Effect of cement andlimestone on performance of inshore saline subgrade soil J.Journal of Nanjing Forestry University(natural and sciences),2014,38(5):165-169.8 王沛,柴寿喜.固化滨海盐渍土路用性能的室内试验与现场测试J.工程地质学报,2011,19(3):440-446.WANG P,CHAI S X.Laboratory and in-situ tests on solidifiedsaline soils for highway fillings J.Journal of engineeringgeology,2011,19(3):440-446.9 杨晓华,王利鑫,张莎莎,等.无机材料改良硫酸盐渍土微观机理分析J.建筑科学与工程学报,2023,40(2):129-137.YANG X H,WANG L X,ZHANG S S,et al.Analysis onmicroscopic mechanismofsulfatesalinesoilimprovedbyinorganic materials J.Journal ofarchitectureandcivilenvironment,2023,40(2):129-137.10 何中江,柴寿喜,李敏.干湿循环对石灰粉煤灰固化石油污染土抗压强度的影响J.工程地质学报,2018,26(2):438-444.HE Z J,CHAI S X,LI M.Effect of wetting and drying cycles onthe compressive strength of oil-contaminated soil treated with limeand fly ash J.Journal of engineering geology,2018,26(2):438-444.11 马吉倩.天津市滨海新区盐渍土路基处治技术研究D.西安:长安大学,2009.MA J Q.Study on treatment technology for saline soil subgrade inTianjinBinhaiNewArea D.Xian:ChanganUniversity,2009.