自平衡法承載力試驗(yàn)在某工程中的應(yīng)用

1、自平衡法承載力試驗(yàn)在某工程中的應(yīng)用1.1 自平衡法簡(jiǎn)介在此項(xiàng)技術(shù)問(wèn)世之時(shí)，為保持其在當(dāng)?shù)貦z測(cè)和施工行業(yè)的優(yōu)勢(shì)競(jìng)爭(zhēng)力，通莫靜載法的發(fā)明人并沒(méi)有著力對(duì)外推廣此項(xiàng)技術(shù)。 直到90年代中后期，隨著荷蘭通莫系統(tǒng)有限公司- 這家由專利持有人的后人創(chuàng)辦，并致力于將Afar Vasela 公司系列技術(shù)進(jìn)行市場(chǎng)化推廣的企業(yè)走入人們的視野， 這項(xiàng)技術(shù)的初創(chuàng)者才廣為世人所知。1980年代中期，通莫靜載法(T-pile ®)傳入了美國(guó)，并通過(guò)美國(guó)西北大學(xué)教授Osterberg先生的推廣，在國(guó)際基礎(chǔ)工程行業(yè)進(jìn)行了成功的應(yīng)用。其在美國(guó)的應(yīng)用被稱為Osterberg試樁法，由于知識(shí)產(chǎn)權(quán)等方面的原因，Osterbe

2、rg先生在美國(guó)自行開(kāi)發(fā)了加載裝置，并申請(qǐng)了專利（美國(guó)專利號(hào)4614110）。1990年代后期，通過(guò)美國(guó)和中國(guó)的學(xué)術(shù)交流，由東南大學(xué)于1993年從美國(guó)將該法引進(jìn),并稱之為“自平衡法”。 1.2 自平衡法試驗(yàn)原理該方法是接近于豎向抗壓樁實(shí)際工作條件的試驗(yàn)方法，其加載設(shè)備是荷載箱,它與鋼筋籠連接后安裝在樁身，并將高壓油管和位移棒一起引到地面。試驗(yàn)時(shí)，從樁頂用高壓油泵通過(guò)高壓油管對(duì)荷載箱內(nèi)腔施加壓力，箱頂與箱底被推開(kāi)，產(chǎn)生向上與向下的推力，從而調(diào)動(dòng)樁周土的側(cè)阻力與樁端土的端阻力，直至破壞。將樁周土的側(cè)阻力與樁端土的端阻力迭加，即得到樁的抗壓極限承載力。1.3 自平衡法測(cè)試系統(tǒng)圖1-1 自平衡試驗(yàn)測(cè)試及

3、樁身軸向應(yīng)力測(cè)試系統(tǒng)1.3.1 加載裝置：包括荷載箱（圖1-2、圖1-3）、加載泵和加壓管，用于在樁體內(nèi)部對(duì)樁基進(jìn)行加載，一般采用普通油缸組裝，或裝有荷載箱。 圖1-2 傳統(tǒng)荷載箱 圖1-3 囊式荷載箱1.3.2 位移檢測(cè)系統(tǒng)：用于測(cè)讀樁體各關(guān)鍵層面的位移值。包括位移傳送裝置（位移管、位移絲和測(cè)量結(jié)構(gòu)組成）、位移傳感器（圖1-4）和電腦測(cè)讀系統(tǒng)（或人工記錄）。1.3.3 應(yīng)變檢測(cè)系統(tǒng)（需要測(cè)量具體土層的摩阻系數(shù)時(shí)）：用于測(cè)讀樁體各關(guān)鍵層面的應(yīng)變值。包括應(yīng)變傳感器和電腦測(cè)讀系統(tǒng)。1.3.4 數(shù)據(jù)測(cè)讀系統(tǒng)：用于測(cè)讀測(cè)量值，并對(duì)數(shù)值進(jìn)行存儲(chǔ)記錄。一般采用專用電腦系統(tǒng)（圖1-5）。圖1-4 位移傳感器

4、 圖1-5 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)1.4 自平衡試驗(yàn)方法試驗(yàn)按建筑基樁檢測(cè)技術(shù)規(guī)范（JGJ106-2003）、建筑樁基技術(shù)規(guī)范（JGJ94-94）和樁承載力自平衡測(cè)試技術(shù)規(guī)程（DB32/T291-1999）進(jìn)行：1.4.1 試驗(yàn)條件在樁身強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求的前提下，對(duì)于砂類土，不應(yīng)小于10d；對(duì)于粉土和粘性土，不應(yīng)少于15d；對(duì)于淤泥或淤泥質(zhì)土不應(yīng)少于25天。1.4.2 試驗(yàn)加載方式 一般采用慢速維荷法，即逐級(jí)加載，每級(jí)荷載達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定后加下一級(jí)荷載，直至試樁破壞或達(dá)到試驗(yàn)要求，然后分級(jí)卸載至0。當(dāng)考慮縮短試驗(yàn)時(shí)間，對(duì)工程樁做驗(yàn)證性試驗(yàn)時(shí)，可采用快速維荷法，及每小時(shí)加載一級(jí)。1.4.3 加卸載與位移觀測(cè)1

5、) 加載分級(jí)：每級(jí)加載為預(yù)估極限荷載的1/101/15，第一級(jí)可按2倍分級(jí)荷載加荷。2) 位移觀測(cè)：每級(jí)加載后在第1h內(nèi)應(yīng)在5、15、30、45、60（min）測(cè)讀一次，以后每隔30min測(cè)讀一次，每次測(cè)讀值記入試驗(yàn)記錄表。3) 位移相對(duì)穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)：每一小時(shí)的位移不超過(guò)0.1mm并連續(xù)出現(xiàn)兩次（由1.5h內(nèi)連續(xù)三次觀測(cè)值計(jì)算），認(rèn)為已達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定，可加下一級(jí)荷載。4) 終止加載條件：當(dāng)出現(xiàn)下載情況之一時(shí)，即可終止加載。（a）已達(dá)到極限加載值；（b）某級(jí)荷載作用下，樁的位移量為前一級(jí)荷載作用下位移量的5倍；（c）某級(jí)荷載作用下，樁的位移量大于前一級(jí)荷載作用下位移量的2倍，且經(jīng)24h尚未達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定

6、；（d）累計(jì)上拔量超過(guò)100mm。5) 載與卸載位移觀測(cè)：每級(jí)卸載值為每級(jí)加載值的2倍。每級(jí)卸載后隔15min測(cè)讀一次殘余沉降，讀兩次后，隔30min再讀一次，即可卸下一級(jí)荷載，全部卸載后，隔34h再讀一次。2 單樁豎向抗壓極限承載力的確定2.1 根據(jù)位移隨荷載的變化特征確定極限承載力對(duì)于陡變型Q-S曲線（圖2-1）取Q-S曲線發(fā)生明顯陡變的起始點(diǎn)；對(duì)緩變形Q-S曲線（圖2-2），按位移值確定極限值，極限側(cè)阻取對(duì)應(yīng)于向上位移S上=4060mm對(duì)應(yīng)的荷載；極限端阻取S下=4060mm對(duì)應(yīng)荷載，或大直徑樁的S下=（0.030.06）D(D為樁端直徑，大樁徑取低值，小樁徑取高值)的對(duì)應(yīng)荷載。 Q Q

7、 S S 圖2-1陡變型Q-S曲線 圖2-2緩變型Q-S曲線2.2根據(jù)位移隨時(shí)間的變化特征確定極限承載力下段樁取S-lgt曲線尾部出現(xiàn)明顯向下彎曲的前一級(jí)荷載值，上段樁取S-lgt曲線尾部出現(xiàn)明顯向上彎曲的前一級(jí)荷載值。 分別求得上、下段樁的極限承載力Qu上、Qu下，然后考慮樁自重影響，得出單樁豎向抗壓極限承載力為Qu =(Qu上- W)/+ Qu下 （1）式中：W荷載箱上部樁自重；土的容重；對(duì)于粘性土、粉土取0.8；對(duì)于砂土取0.7。2.3自平衡測(cè)試曲線的等效轉(zhuǎn)換假定：1)等效的受壓樁也分為上、下段樁，分界截面即為自平衡樁的平衡點(diǎn)截面，側(cè)摩阻力用平均值qsm表示，下段樁Q下=oAp；2)自平

8、衡法的下段樁與等效受壓樁下段的位移相等；3)受壓樁上段的樁身壓縮量S為樁端及樁側(cè)荷載兩部分引起的彈性壓縮變形之和，即：S=S1+S2 （2）式中，S1受壓樁在樁端Q下作用下產(chǎn)生的彈性壓縮變形量；S2受壓樁上段在樁側(cè)摩阻力作用下產(chǎn)生的彈性壓縮變形量。S1=S2=由于在受壓過(guò)程中樁身的側(cè)阻力先發(fā)揮，所以在轉(zhuǎn)換曲線中，分兩段來(lái)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。首先，在上段樁身側(cè)阻力完全發(fā)揮之前，根據(jù)Q上S上上曲線，求出相應(yīng)的Q、S值，具體過(guò)程如下：S=S1+S2= （3）式中，L為上段樁長(zhǎng)度，Ep為樁彈性模量，Ap為樁身截面面積。由此，可以將自平衡法測(cè)得的向上、向下兩條QS曲線轉(zhuǎn)換為受壓樁的一條等效樁頂QS曲線。此時(shí)，受壓

9、樁樁頂?shù)刃Ш奢d即為：Q=+Q下與等效樁頂荷載Q對(duì)應(yīng)的樁頂位移為S，則有：S=S上+S （4）在式中，Q上、S上可由Q上S上曲線直接測(cè)定，W、S可通過(guò)計(jì)算求得。有關(guān)Q下的取值如下：對(duì)自平衡法而言，每一加載等級(jí)上荷載箱產(chǎn)生的向上、向下的力是相等的，但所產(chǎn)生的位移量是不相等的。因此，Q下應(yīng)該是對(duì)應(yīng)于自平衡法Q下S下中，下段樁位移絕對(duì)值等于S上時(shí)的下段樁荷載，即在自平衡法向下的Q下S下曲線上使S下=S上時(shí)所對(duì)應(yīng)的荷載。當(dāng)上段樁身側(cè)阻力發(fā)揮至極限時(shí)Q上不變，再根據(jù)相應(yīng)的Q下S下曲線測(cè)定Q下和S下，由下述公式求出等效荷載Q和對(duì)應(yīng)的樁頂位移S：Q=+Q下S=S下+SS=S1+S2= （5）sQss-+0Q-

10、Q+0sQ轉(zhuǎn)換曲線靜載曲線Q由此得到傳統(tǒng)的靜載荷試驗(yàn)的一系列點(diǎn)（Qi，Si），i=1,2,n，從而得到等效的樁頂荷載、位移曲線（如圖3-1）。圖3-1 自平衡測(cè)試曲線的等效轉(zhuǎn)換3 自平衡法試樁施工及設(shè)備安裝注意要點(diǎn)試樁嚴(yán)格按設(shè)計(jì)圖紙施工。同時(shí)，由于自平衡測(cè)樁法的需要，應(yīng)做到以下幾點(diǎn)：1）試樁成孔后，垂直度用可靠的檢測(cè)設(shè)備檢測(cè)；2）地面上綁扎和焊接鋼筋籠。由施工單位負(fù)責(zé)，測(cè)試單位配合，位移棒與鋼筋籠綁扎成整體，確保護(hù)管不滲泥漿；3) 荷載箱立放在平整地面上，吊車將上節(jié)鋼筋籠吊起與荷載箱上頂板焊接，保證鋼筋籠與荷載箱在同一水平面上，在電焊喇叭筋，喇叭筋上端與主筋、下端與內(nèi)圓邊緣電焊，保證荷載箱水平

11、度小于3%，然后將荷載箱下底板與下節(jié)鋼筋籠連接，焊接下喇叭筋；4）埋荷載箱前檢查樁徑，樁長(zhǎng)（包括荷載箱），油管及鋼管長(zhǎng)度，鋼管距離。吊車將測(cè)試設(shè)備與鋼筋籠放入樁底，埋完荷載箱，保護(hù)油管及鋼管封頭，以防雜物漏入；5）試樁混凝土標(biāo)高同工程樁，灌注混凝土?xí)r導(dǎo)管通過(guò)荷載箱到達(dá)樁端進(jìn)行混凝土灌注，當(dāng)混凝土接近荷載箱時(shí)，拔導(dǎo)管速度放慢，當(dāng)荷載箱上部混凝土大于2.5m時(shí)，導(dǎo)管底端方可拔過(guò)荷載箱，澆灌混凝土至設(shè)計(jì)樁頂。荷載箱下部混凝土塌落度宜大于180mm，以便于混凝土在荷載箱處上翻。4 工程實(shí)例4.1 試樁概況表5-1工程名稱樁號(hào)樁長(zhǎng)(m)樁徑(m)設(shè)計(jì)承載力(kN)最大加載量(kN)試樁方法1#橋2515

12、21.25648713000錨樁法1#橋404521.25647913000自平衡法1#橋15201.50637013000堆載法4.2 自平衡法測(cè)試曲線 ?？陔p線特大橋404#試樁采用自平衡承載力試驗(yàn)方法，最大加載量為1300噸（上下各650噸），其荷載位移測(cè)試曲線如圖5-1所示。圖 5-1 自平衡法荷載位移測(cè)試曲線4.3 自平衡法轉(zhuǎn)換曲線與錨樁和堆載法曲線對(duì)比 把上面自平衡法測(cè)試曲線經(jīng)轉(zhuǎn)換方法轉(zhuǎn)換后與?？陔p線特大橋251#錨樁法試樁和青萊高速濰河特大橋5#堆載法試樁所測(cè)曲線進(jìn)行比較可以看出，該方法測(cè)試曲線經(jīng)轉(zhuǎn)換后跟傳統(tǒng)方法測(cè)試曲線基本吻合（如圖5-2）。圖5-2 自平衡法轉(zhuǎn)換曲線與錨樁和堆載法曲線對(duì)比4.4 三種靜載方法比較通過(guò)對(duì)三種承載力檢測(cè)方法在安全性、經(jīng)濟(jì)性、時(shí)間、受場(chǎng)地限制程度、最大噸位等方面的對(duì)比，得出自平衡較傳統(tǒng)靜載方法的優(yōu)勢(shì)（表5-2）。表5-2樁號(hào)最大加載量(kN)試樁方法安全性經(jīng)濟(jì)性所需時(shí)間受場(chǎng)地限制程度最大噸位25113000錨樁法一般15萬(wàn)左右2.5天較大4000噸左右40413000自平