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，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，橋寬2×16.25m，雙向6車道，設計時速100km/h，設計荷載：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、工程地質情況     根據江陰高架橋橋位處工程地質復雜多變的特點，選取141#墩、29#墩兩處作試樁。這兩處樁位的工程地質士層包括了全線的他質土層，有很好的代表性。     1.3試驗樁設計及施工情況（見表1）     141#墩1號、2號試樁設計樁長為40.8#；29#墩3號、4號試樁設計樁長為36.1m，設計樁徑均為100cm，試樁砼設計強度等級為C25級，與工程樁設計相同。
    單根試樁設計加載量為1200t，單根錨樁的設計抗拔力為1.25×2000KN，拉力全部由鋼筋承擔，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 潛水鉆進 正循環(huán) 反循環(huán) 2 砼設計方法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)定標準及卸載條件     2.2.1　加載分級     根據試樁樁位工程地質勘探資料，樁基礎的設計資料以及有關規(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)定標準     每級荷載作用下，樁頂沉降量在每h內小于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荷載沉降增量的2倍，且24h沉降仍不穩(wěn)定；     （3）己達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　錨樁上拔量標準     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。     2.3　測試結果與分析     2.3.1　測試結果 　　根據試驗所測荷載Ｐ與沉降值S及試驗記錄的時間Ｔ和對應的沉降位移S，用計算機繪制成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“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24h沉降仍不穩(wěn)定，根據終止加載條件之（2）條規(guī)定、應該結束加載，但是加該級荷載對的總沉降量尚小，又加一級荷載以便進一步觀察樁內各截面的應力和樁底反力變化情況。
    ①根據P—S曲線或S—lg（P）曲線顯著陡降來確定極限承載力
    當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根據樁頂下沉隨時間發(fā)展的規(guī)律　　
    當4號試樁在加載至12000kN時，S—lg（t）曲線的尾部出現(xiàn)明顯轉折，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相交，其交點與坐標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的沉降量。     2.3.3　結論     根據兩組對比試驗結果繪制出的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、試樁應力測試     3.1 試驗目的     在試樁的加、卸載過程當中，對樁身軸力進行連續(xù)動態(tài)測試，目的在于分析樁一土系統(tǒng)樁側阻力、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、試塊抗壓資料及應力測試結果對試樁的各截面前位移發(fā)展進行分析。     3.2 數據處理     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，按下式即可轉換成鋼筋計的應力σgi σgi=（f-f1）＊A     式中：σgi——測讀的鋼筋應力（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。     事實上由于部分鋼筋計率走參數Ａ，在不同的荷載等級下有少許偏差，可采用分段內插的　方法求取σgi，以保證測試精度。
    當現(xiàn)場測試出鋼筋計應力σgi后，鋼筋的測試應變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     當軸力已知時，可利用簡單的靜力平衡原理推出側壁摩阻力的大小， 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 數值處理 　　經過一系列復雜的數據計算和數據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     從表中實測數據可以看出，摩擦樁前樁端反力所占比例極小，遠未達到依據《橋規(guī)》設計的樁尖承載力。     （2）實測數據顯示，樁側庫摩力大小與勘察報告提供的參數值及根據規(guī)范和土層分類、物理性質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），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），側阻力測試信明顯高于地勘報告值及規(guī)范值?！?br />     ⑤下同位置土層的側阻力發(fā)揮與樁頂沉降之間的關系是上部土層側限力發(fā)揮僅需較小的樁頂沉降，一般樁頂沉降在5～7mm時，側阻力已充分發(fā)揮；而中下部側阻力則隨樁頂沉降是不斷增加的趨勢；樁端的側阻力似乎在極限狀態(tài)下，仍未充分發(fā)揮。
　（３）樁端反力的測試值明顯偏低，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，一般結構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本次試驗的樁細長比均較大、141#墩L/D=40.8，而29#墩L/D=36.1，這樣大的細長比，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有關外，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，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）樁基礎作為承重結構，在公路橋梁上應用非常廣泛，其理論日趨成熟，但長細比≥30的細長樁，長細比越大，其實際承載尤與理論承載力相差越大，因為長細比的增加大大降低了樁身與樁尖承載力的分擔比，樁身上部土層發(fā)生相對滑移，而下部土層還未達到極限狀態(tài)，從而降低了樁的承載力，設計上又優(yōu)先選用長細比盡量小的樁型；
    （2）土層深度的影響，在臨界深度范圍內，粘性土埋深越深，在土層自重應力作用下，其廁阻力應該越大，即同種土層，在不同深度，應該有不同的側摩阻力。