李 浩

(廈深鐵路廣東有限公司,廣東深圳 518048)

隨著我國高速鐵路建設(shè)蓬勃發(fā)展,鐵路橋梁建設(shè)也得到了蓬勃發(fā)展,由于高鐵對線路的平順性要求很高,高鐵橋梁基礎(chǔ)一般采用樁基礎(chǔ)形式。雖然樁基礎(chǔ)目前已得到廣泛的應(yīng)用,施工工藝類型多樣,但對樁的研究還遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于其工程應(yīng)用[1],主要表現(xiàn)為樁的承載力難以準(zhǔn)確計(jì)算出來。這主要因?yàn)樵跇痘A(chǔ)施工過程中樁土間復(fù)雜的相互作用,樁側(cè)摩阻力與樁端阻力難以準(zhǔn)確計(jì)算?，F(xiàn)有的研究表明:樁側(cè)摩阻力的發(fā)揮與樁周土的力學(xué)性質(zhì)、樁土的相對位移量[2]、樁-土接觸性質(zhì)[3]、時(shí)間效應(yīng)[4]、樁端持力層的強(qiáng)度、樁端阻力發(fā)揮程度等因素有關(guān)。此外灌注樁的施工工藝有多種,各有利弊,施工工藝的選擇與現(xiàn)場的地質(zhì)條件關(guān)系密切,對施工進(jìn)度和質(zhì)量有較大的影響。結(jié)合廈深鐵路上長沙灣特大橋的樁基現(xiàn)場,進(jìn)行了靜載試驗(yàn)和施工工藝試驗(yàn)。

1 工程概況

廈深鐵路為一新建時(shí)速超過200km的鐵路,該線潮汕段超過50%線路分布在軟土地區(qū),相當(dāng)部分基礎(chǔ)選用樁基。由于影響成樁質(zhì)量和承載力因素眾多[1～5],為了確保廈深線的施工工期和工程質(zhì)量,選擇合理的設(shè)計(jì)參數(shù)、提高設(shè)計(jì)可靠度、優(yōu)化施工方案、進(jìn)行橋梁樁基試驗(yàn)具有重要的工程指導(dǎo)意義。為此,在廈深鐵路長沙灣特大橋內(nèi)選取268號、269號、270號橋墩進(jìn)行成樁工藝試驗(yàn)、單樁靜載試驗(yàn)和樁身應(yīng)力、應(yīng)變試驗(yàn),分析了樁側(cè)摩阻力傳遞規(guī)律,獲取沿線橋梁樁基礎(chǔ)的承載能力和樁的荷載傳遞規(guī)律,并在滿足樁基承載力的基礎(chǔ)上,優(yōu)化了樁基施工方案,為樁基的施工和設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

2 現(xiàn)場試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)樁概況

長沙灣特大橋位于廈深鐵路DK378+830.804潮汕至惠州段新建工程,268號、269號、270號墩為該橋的3個(gè)試驗(yàn)墩臺,各墩樁位布置如圖1所示。

圖1 樁分布示意

為了解不同施工方法在該工段地層條件下的適應(yīng)性,并為工程樁施工工藝參數(shù)的合理選擇提供依據(jù),對30根樁進(jìn)行了成樁工藝試驗(yàn)。

同時(shí),為了分析不同工藝下樁側(cè)摩阻力傳遞規(guī)律及樁端阻力的大小,確定樁的承載力,為設(shè)計(jì)提供依據(jù),對3個(gè)試驗(yàn)墩臺的樁進(jìn)行了單樁靜載試驗(yàn)和樁身應(yīng)力、應(yīng)變試驗(yàn)。各試驗(yàn)樁的設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

表1 各橋墩試樁設(shè)計(jì)基本參數(shù)

2.2 工程地質(zhì)概況

各橋墩地層分布情況如表2所示。

3 施工工藝試驗(yàn)

3.1 施工工藝試驗(yàn)簡介

灌注樁根據(jù)采用的成孔方法和手段不同,可分為回轉(zhuǎn)鉆孔灌注樁、旋挖灌注樁、沖孔灌注樁、沉管灌注樁、人工挖孔灌注樁等。其中回轉(zhuǎn)鉆孔灌注樁、旋挖灌注樁、沖孔灌注樁在橋樁施工中應(yīng)用較廣泛。

本次試樁樁基均為梅花形布置,樁徑均為1.0 m,其中268號墩采用2臺沖擊鉆機(jī)成孔鉆進(jìn),269號墩采用2臺回轉(zhuǎn)鉆機(jī)成孔鉆進(jìn),270號墩以SANYSR200C型號的旋挖鉆機(jī)進(jìn)行鉆進(jìn)施工,其中2、3、5、8號孔仍采用沖擊鉆進(jìn)行施工。

表2 各橋墩地層分布情況匯總

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

通過30根樁的現(xiàn)場施工工藝試驗(yàn),得出成樁過程中幾個(gè)重要的施工參數(shù),見表3。

表3 各墩位的鉆孔工效分析

從表3并結(jié)合現(xiàn)場施工可知:旋挖鉆機(jī)成孔平均功效最大,為7.82 m/h,遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他兩種成孔方法的功效,且在厚度較大的淤泥、沙層條件下,其擴(kuò)孔現(xiàn)象不明顯,同時(shí)混凝土灌注的充盈系數(shù)較小,基本控制在1.14以內(nèi)。綜上分析,選擇旋挖鉆機(jī)成孔,優(yōu)點(diǎn)在于成孔周期短、孔形好,其混凝土灌注的充盈系數(shù)最能體現(xiàn)其優(yōu)越性,所以在滿足樁的承載力要求的情況下,優(yōu)先選用旋挖鉆機(jī)成孔工藝。

4 承載力性狀試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)裝置

單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)采用錨樁橫梁反力裝置,如圖2所示。

圖2 錨樁橫梁反力裝置示意

加載采用3個(gè)5 000 kN油壓千斤頂并聯(lián),通過電動(dòng)油泵驅(qū)動(dòng)加載,千斤頂?shù)暮狭νㄟ^試樁中心。為了在樁基試驗(yàn)過程中測量樁身的應(yīng)變,以分析豎向靜載試驗(yàn)過程中樁側(cè)摩阻力和樁端阻力的分布以及試驗(yàn)過程中樁身應(yīng)變(應(yīng)力)變化情況,結(jié)合樁基所在位置地質(zhì)分層情況,每根試樁設(shè)若干個(gè)測試截面,每個(gè)測試截面埋有2～4個(gè)鋼筋計(jì),樁底埋設(shè)壓力盒以測量試樁的端阻力。

4.2 承載力試驗(yàn)結(jié)果分析

采用以上裝置進(jìn)行單樁靜力載荷試驗(yàn),采用分級加載方法,其中268號墩和269號墩的單樁加載至設(shè)計(jì)承載力的2倍,270號墩的單樁加載至設(shè)計(jì)承載力的1.5倍。通過現(xiàn)場試驗(yàn)對268號墩的 5、6、7號樁,269號墩的4、5號樁,270號墩的5、6、7號樁進(jìn)行靜載試驗(yàn),可以得出單樁的Q-S曲線及S-lg t曲線,鑒于268號墩、269號墩和270號墩中的各個(gè)單樁的載荷-沉降曲線性狀特征相似,在此分別給出了3個(gè)墩中典型的Q-S曲線及S-lg t曲線,如圖3、圖4所示。

圖3 樁身Q-S曲線

從圖3和圖4可以看出,各樁的Q-S曲線無明顯的陡降段或第二拐點(diǎn),S-lg t曲線無明顯的下彎段。對于268號墩的單樁而言,試驗(yàn)荷載加至9 000 kN時(shí),對應(yīng)的累計(jì)沉降量為26.68 mm,試樁能較快穩(wěn)定,卸載后試樁的回彈變形分別為10.04 mm,回彈變形占累計(jì)變形量的37.6%。依據(jù)規(guī)范,該試樁的豎向極限承載力均大于9 000 k N;同理,對于269號墩的單樁而言,試樁的豎向極限承載力大于9 480 k N,對于270號墩的單樁而言,試樁的豎向極限承載力大于6 700 k N。從上分析可知:268號墩、269號墩和270號墩的單樁均滿足設(shè)計(jì)承載力要求。

圖4 樁身S-lg t曲線

4.3 樁側(cè)摩阻力試驗(yàn)分析

4.3.1 樁身軸力分析

試驗(yàn)加載前讀取鋼筋計(jì)的初讀數(shù),待初讀數(shù)讀取完畢后即開始加載,每級荷載穩(wěn)定后分別測定每個(gè)安裝截面測量元件在該級荷載下的變化量即可得出鋼筋應(yīng)力隨荷載變化曲線。根據(jù)各橋墩試樁實(shí)測鋼筋應(yīng)力曲線,由于樁壓縮變形中鋼筋與混凝土一般不會脫離,根據(jù)變形協(xié)調(diào)原理,可得出樁身的實(shí)測截面應(yīng)變:用應(yīng)變乘以彈性模量、樁截面積即可得樁身軸向力分布曲線[6],如圖5所示。

圖5 樁身軸力隨樁深變化規(guī)律

從圖5可以看出,在淤泥層軸力斜率較大,表明軸力在該層傳遞較快,隨著載荷增大,軸力斜率變化不大,表明該層側(cè)摩阻力充分發(fā)揮;在強(qiáng)風(fēng)化英安巖中,隨著加載增大,該層中樁身斜率逐漸變大,表明該層側(cè)摩阻力逐漸增大,當(dāng)載荷增大到一定的程度,斜率基本不變,表明該層側(cè)摩阻力充分發(fā)揮,其他土層如粉砂層、淤泥質(zhì)粉砂、粗角礫層等與此相似;在整個(gè)加載過程中,樁端力隨著加載不斷地增大,表明樁端阻力尚未發(fā)揮到最大。

4.3.2 樁側(cè)摩阻力試驗(yàn)分析

根據(jù)樁的受力平衡[6],得出樁側(cè)摩阻力的大小,各樁端阻力、總摩阻力與荷載之關(guān)系曲線如圖6、圖7所示。

圖6 各土層樁側(cè)摩阻力與荷載關(guān)系曲線

圖7 樁側(cè)摩阻力和樁端阻力與荷載關(guān)系曲線

從圖6可以看出:淤泥層的樁側(cè)摩阻力首先發(fā)揮至最大,隨后隨加載增大基本保持不變。隨后淤泥質(zhì)粉砂或粉砂也逐漸發(fā)揮至最大,與淤泥層中的側(cè)摩阻力略有不同,淤泥質(zhì)粉砂或粉砂隨著加載增大,其側(cè)摩阻力有一定增大,但隨著載荷水平增大,其增加的數(shù)量逐漸減少,表現(xiàn)在圖6上,曲線斜率逐漸減少;全風(fēng)化英安巖與粗角礫土隨加載增大,其側(cè)摩阻力與粉砂相似,都有一定的強(qiáng)化現(xiàn)象,強(qiáng)化效應(yīng)略大于粉砂;強(qiáng)風(fēng)化英安巖中樁側(cè)摩阻力隨加載水平強(qiáng)化效應(yīng)比較明顯,且極限側(cè)摩阻力也較大,是主要的持力層。

從圖7可以看出,在外載小于3 000 k N時(shí),外載基本由樁側(cè)摩阻力承擔(dān),這時(shí)樁端阻力很小,隨著載荷增大,樁端阻力開始增大,但在初期,增加量較小,表現(xiàn)在曲線上其斜率較小,這表明樁側(cè)摩阻力尚未完全發(fā)揮,隨著外載繼續(xù)增大,樁端阻力顯著增大,這能在圖7樁端阻力與載荷關(guān)系曲線上表現(xiàn)出來,而在這個(gè)過程中,樁側(cè)總摩阻力增加量較小,這表明樁側(cè)摩阻力總體上已基本完全發(fā)揮。

綜上分析,對268號墩、269號墩和270號墩而言,加載至最大載荷后,樁側(cè)摩阻力基本已經(jīng)完全發(fā)揮,樁端阻力尚未充分發(fā)揮,不同地層中樁側(cè)極限摩阻力的大小如表4所示。

表4 各土層極限側(cè)摩阻力大小 kPa

表4結(jié)果表明:各橋墩試樁實(shí)測的分層側(cè)摩阻力差異較小,表明了現(xiàn)場試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可信性,可以取每層的均值作為今后工程樁設(shè)計(jì)樁側(cè)摩阻力的依據(jù),相應(yīng)土層樁極限側(cè)摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值淤泥可取25 k Pa、淤泥質(zhì)粉砂可取50 k Pa、粉砂可取 60 kPa、粗角礫土可取 100 k Pa、粉質(zhì)黏土可取48 k Pa、全風(fēng)化英安巖可取 68 k Pa、強(qiáng)風(fēng)化英安巖可取110 k Pa。

5 結(jié)論

本文采用3種成孔工藝進(jìn)行成樁,進(jìn)行施工工藝試驗(yàn)比較,結(jié)合載荷試驗(yàn)結(jié)果可知,3種成樁方法成樁后,樁的承載力均滿足設(shè)計(jì)要求,從經(jīng)濟(jì)性和工期考慮,宜選用旋挖鉆鉆進(jìn)成樁;通過樁靜載試驗(yàn)表明樁的承載力滿足設(shè)計(jì)要求;另外,通過現(xiàn)場試驗(yàn)確定了樁的承載力性狀,分析了樁在土中側(cè)摩阻力傳遞規(guī)律,分析結(jié)果表明:各土層摩阻力不能同時(shí)發(fā)揮到極限,淤泥質(zhì)土首先達(dá)到極限,且隨著載荷增加,摩阻力基本保持不變;其次是粉砂、粗角礫土、全風(fēng)化英安巖達(dá)到極限,但隨著加載水平增大,其極限摩阻力有一定的加強(qiáng);強(qiáng)風(fēng)化英安巖最后達(dá)到極限,其極限摩阻力隨載荷增加強(qiáng)化比較明顯,是樁主要的持力層;而樁端阻力在加載過程中,加載初期基本為0 k N,隨著加載增大,樁端阻力逐漸增加,但是整個(gè)加載過程中,樁端阻力尚未達(dá)到極限。

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