黎 庶，喻明燈，張 明

(1.中鐵十二局集團有限公司柳南項目部，廣西南寧 530011;2.中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南長沙 410075)

橋梁基樁自平衡試驗研究＊

黎 庶1，喻明燈1，張 明2

(1.中鐵十二局集團有限公司柳南項目部，廣西南寧 530011;2.中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南長沙 410075)

結(jié)合新建南寧至黎塘鐵路8根橋梁基樁的自平衡試驗數(shù)據(jù)，基于各試驗樁荷載箱位置和樁周土性質(zhì)，分析了荷載箱與自平衡點位置的相對關(guān)系對單樁極限承載力的影響。試驗結(jié)果表明荷載箱位置的正確與否，對確定單樁極限承載力試驗值的準(zhǔn)確性影響顯著，樁周土性質(zhì)對承載力的影響也不容忽視。并提出一種確定自平衡點的輔助手段，即采用［P］=1/2U∑fili+m0A［σ］計算出來的試樁單樁軸向受壓容許承載力反算出自平衡點位置。

自平衡荷載試驗;荷載箱位置;承載力;樁側(cè)摩阻力

單樁承載力的自平衡試驗方法于20世紀(jì)80年代在美國問世［1］，與傳統(tǒng)靜載試驗方法相比具有獨特的優(yōu)勢，如:裝置簡單、費用低、耗時短，特別是在場地受限制和大噸位試驗樁條件下［2］進行承載力試驗時，其優(yōu)勢更加突出，所以在國內(nèi)外工程領(lǐng)域都得到較為廣泛的應(yīng)用。我國東南大學(xué)最先開展此方法的研究應(yīng)用，目前在我國多省市得到推廣應(yīng)用，并制定相關(guān)地方性測試技術(shù)規(guī)程［3－5］和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)［6］。但是，自平衡試驗方法的試驗結(jié)果受荷載箱位置、成樁工藝、試驗方法與環(huán)境等因素的影響，特別是“自平衡點”位置的正確選取與否，對試驗結(jié)果影響很大，若選取不當(dāng)，試驗確定的單樁極限承載力值與真實值將有偏差。

新建南寧至黎塘鐵路NGDK713+475.160～NGDK736+759.49橋梁基樁荷載試驗采用了自平衡靜載試驗。本文選取部分試驗樁，對其環(huán)境情況和承載力試驗值進行分析，揭示荷載箱位置和樁周土性質(zhì)對試驗結(jié)果的影響機理及其影響程度，并提出在確定單樁極限承載力時如何考慮荷載箱位置對試驗結(jié)果的影響的方法，為類似地質(zhì)條件和成樁環(huán)境下基樁的設(shè)計、檢測和施工積累經(jīng)驗和數(shù)據(jù)。

1 試驗原理與方法

自平衡試樁法是接近于豎向抗壓(拔)樁的實際工作條件的試驗方法。其主要原理為:將特制的荷載箱提前預(yù)埋在預(yù)估的樁身平衡點位置(平衡點上下承載力基本一致或有輔助手段使之基本平衡)，將加載設(shè)備與鋼筋籠連接后安裝在樁身平衡點位置，并將高壓油管和位移桿一起引到地面。

試驗采用慢速維持加載法，從樁頂通過輸壓管對荷載箱內(nèi)腔施加壓力，荷載箱向上頂上段樁身的同時向下壓下段樁身(或樁底)，使樁身上部和樁身下部摩阻力及端阻力互為反力。隨著荷載的增加，箱蓋與箱底被推開，從而調(diào)動樁周土的摩阻力與端阻力，直至破壞。試驗裝置示意圖見圖1。

圖1 試驗裝置示意圖Fig.1 Sketch of test equipment

通過提前預(yù)埋的位移桿，可以測得荷載箱加載的每一級荷載所對應(yīng)的上位移及下位移，得到向上、向下2條荷載－位移曲線(Q－S曲線)，如圖2。根據(jù)位移隨荷載的變化特征，分別確定上段樁、下段樁的極限承載力Qu和Qd［7］，對于陡變形Q－S曲線，Qu和Qd取曲線發(fā)生明顯陡變的起始點;對于緩變型Q－S曲線，Qu和Qd分別對應(yīng)于向上位移、向下位移S+=S－=40～60 mm的荷載。二者不是同時達到時，分別取值。

圖2 試驗示意圖Fig.2 Sketch of experiment

根據(jù)S=S+=S－的原則和式(1)算出一系列點(S，Q)，并連成線即等效Q－S曲線［7］，如圖 3所示，從而求得樁頂荷載對應(yīng)的荷載－沉降關(guān)系，進行試樁承載力的分析。承載力也由式(1)確定

式中:G為上樁段自重;K為綜合考慮軸向變形、正負(fù)摩阻力差異等因素的系數(shù)，通常取值區(qū)間在1.0～1.6，出于安全考慮，本文取K=1.0。

圖3 試樁等效Q－S曲線Fig.3 Equivalent Q－S curves for piles

2 試驗樁成樁情況

本文選用“湘桂鐵路柳州至南寧段擴能改造工程新建南寧至黎塘鐵路”工程8根橋梁基樁的試樁資料，8根試樁分別位于八一橋10，18和26號墩(簡稱 BY－10，BY－18和 BY－26)、兩山村橋1，6和11號墩(簡稱LSC－10，LSC－18和LSC－26)、上坡橋5號墩(簡稱SP－5)和潭滿綠橋9號墩(簡稱TML－9)。八一大橋3根試驗樁成孔方式為人工旋挖，其他樁采用沖擊鉆成孔，水下灌注混凝土施工工藝，各試驗樁概況如表 1所示。試樁地處廣西境內(nèi)，樁位區(qū)域地形起伏不大，試樁段內(nèi)上覆第四系全新統(tǒng)人工棄土();沖洪積()松軟土、粉質(zhì)黏土、細砂、中砂、粗圓粒土;坡洪積)松軟土;下伏基巖為上第三系中新統(tǒng)下段()泥質(zhì)砂巖、粉砂巖、泥巖、礫巖夾炭質(zhì)頁巖。各土層極限摩阻力在20～80 kPa，基本承載力為40～500 kPa。

基樁承載力試驗于2009年12月9日進場開始至2010年1月22日結(jié)束，依據(jù)《鐵路工程基樁檢測技術(shù)規(guī)程》(TB10218－2008)的相關(guān)規(guī)定，同時參照《基樁靜載試驗自平衡法》(交通部 JT/T738－2009)進行試驗。

表1 試樁概況Table 1 Summary of test piles

3 試驗結(jié)果分析

3.1 荷載箱位置對單樁極限承載力的影響

3.1.1 試樁分組

根據(jù)樁長、樁徑和樁周土性質(zhì)等因素不同，將試驗樁分為3組，各試樁分組情況如表2所示。

表2 試樁分組情況表Table 2 Table of test pile group

3.1.2 根據(jù)經(jīng)驗公式反算自平衡點

鉆孔灌注樁單樁軸向受壓容許承載力計算公式為

式中:U為樁身截面周長;li為樁側(cè)或爆擴樁樁端爆擴體頂面以上各土層厚度;m0為樁底支承力折減系數(shù);A為樁底面積;［σ］為樁底地基土的容許承載力。

據(jù)此，根據(jù)地勘資料提供的參數(shù)和樁基設(shè)計參數(shù)，可計算出試樁的［P］。

再利用“自平衡點”定義:上樁段摩阻力+上樁段自重=下樁段摩阻力+端阻力，?。跴］/2=下樁段摩阻力+端阻力或［P］/2=上樁段摩阻力+上樁段自重，即可確定自平衡點位置。

3.1.3 結(jié)果分析

BY－10，BY－18和BY－26號試樁Q－S曲線和等效Q－S曲線如圖4和圖5所示。3根試樁樁徑相同，樁長、樁周土層分布情況相差不大，最大的差異在于荷載箱位置不同，荷載箱分別位于距樁頂24，21和24 m，根據(jù)本文方法，反算出3根樁的平衡點位置分別距樁頂20.23，21.65和22.27 m，而3根樁單樁極限承載力試驗值分別為8 729，11 188和8 729 kN。

圖4 BY－10，BY－18和BY－26試樁Q－S曲線Fig.4 Q－S curve for pile BY －10，BY －18，BY －26

圖5 BY－10，BY－18，BY－26試樁等效Q－S曲線Fig.5 Equivalent Q－S curve for pile BY －10，BY －18，BY －26

從圖4中可以看出，BY－10號試樁上樁段Q－S曲線是緩變型，荷載加至最大未出現(xiàn)破壞，下樁段在荷載達到4 400 kN以后位移迅速增加，表明本樁段已經(jīng)開始進入塑性階段，承載力達到極限，而此時上樁段位移增加緩慢，表明還可以繼續(xù)承載，這與實際荷載箱位置位于計算平衡點之下相符。BY－10上、下樁段極限承載力分別為4 800，4 400 kN，其比值為 1.09。

BY－18號試樁在荷載從0加載到5 200 kN過程中，上下兩樁段都穩(wěn)定，在荷載達到5 600 kN以后，上樁段出現(xiàn)位移猛增現(xiàn)象，而下樁段在荷載加至最大未出現(xiàn)破壞。從圖中可以看出，上、下樁段Q－S曲線較對稱，說明其荷載箱位置恰好位于本樁平衡點附近，而本樁所算出平衡點位置與實際荷載箱位置相差僅0.65 m。BY－18上、下樁段極限承載力分別為5 600，6 000 kN，其比值為0.93。

BY－26號試樁情況與BY－18號試樁類似，BY－26號試樁Q－S曲線在荷載達到4 400 kN就出現(xiàn)明顯拐點，下樁段加載至最后沒有破壞。BY－18上、下樁段極限承載力分別為4 400，4 800 kN，其比值為 0.92。

SP－5，BY－10，TML－9和LSC－11號試樁Q－S曲線和等效Q－S曲線如圖6和圖7所示。

圖6 SP－5，BY－10，TML－9，LSC－11試樁Q－S曲線Fig.6 Q－S curve for pile SP －5，BY －10，TML －9，LSC －11

圖7 SP－5，BY－10，TML－9，LSC－11試樁等效Q－S曲線Fig.7 Equivalent Q－S curve for pile SP －5，BY － 10，TML－9，LSC －11

SP－5號樁下樁段在荷載4 000 kN加載到4 400 kN過程中，位移迅速由43.73 mm增加到78.42 mm，表明下樁段已經(jīng)開始進入塑性階段，不能繼續(xù)承載;而此過程中上樁段位移增加緩慢，上樁段仍能繼續(xù)承載，荷載為4 000 kN時位移僅為21.69 mm。上、下樁段Q－S曲線顯示，在整個加載過程中，下樁段位移明顯大于上樁段位移，這種現(xiàn)象也印證了荷載箱位置位于平衡點之下。

BY－10號樁情況與SP－5號樁類似，下樁段在荷載達到4 400 kN時出現(xiàn)拐點，此時位移為29.61 mm;上樁段Q－S曲線呈漸變發(fā)展，圖形沒有明顯的拐點，荷載加到最大都未出現(xiàn)破壞現(xiàn)象，荷載箱位置位于平衡點之下。

LSC－11號樁情況跟SP－5號樁情況恰好相反，下樁段呈漸變發(fā)展，上樁段Q－S曲線在荷載為3 420 kN時出現(xiàn)轉(zhuǎn)折點，此時上、下樁段對應(yīng)位移為 30.52，13.71 mm，荷載箱位置位于平衡點之上。

TML－9號樁在荷載達到4 950 kN之前，上、下樁段Q－S曲線對稱性較好，均呈漸變發(fā)展;荷載為4 950 kN時，上、下樁段對應(yīng)位移分別達到32.25，36.1 mm;荷載達到4 950 kN之后，上樁段出現(xiàn)位移迅速增加現(xiàn)象。TML－9號樁Q－S曲線對稱性較好，本組4根樁中，TML－9號樁荷載箱位置雖然偏上，但最接近平衡點位置，上、下樁段QS曲線較對稱、承載力充分發(fā)揮，所以其所測的單樁極限承載力最大，也最接近真實值。

LSC－11，SP－5，BY－10和TML－9這4根樁樁徑都是1 m，樁長和樁周土層分布情況差異不大(詳見表 1)，而荷載箱位置分別位于距樁頂19，25，24和22 m處。根據(jù)本文方法，反算出4根樁的平衡點位置分別距樁頂 26.32，21.27，20.43 和21.85 m，荷載箱位置與反算出平衡點位置距離依次減小，分別為 7.32，3.73，3.57 和 0.15 m，單樁極限承載力試驗值依次增加分別為6 729，7 909，8 729和9 918 kN。

對比4根試樁，LSC－11，SP－5，BY －10和TML－9號樁Q－S曲線都有明顯拐點，LSC－11下樁段，SP－5上樁段，BY－10下樁段，TML－9上樁段分別在荷載為3 420，4 000，4 400和4 950 kN時出現(xiàn)拐點，每根樁在出現(xiàn)拐點時，對應(yīng)的另一樁段位移由小到大，分別為LSC－11上樁段，SP－5下樁段，BY－10上樁段，TML－9下樁段13.71，21.69，29.61 和36.1 mm，4 根樁上、下樁段Q－S曲線對稱關(guān)系也越來越對稱，試樁承載力發(fā)揮也越來越充分，所以所測單樁極限承載力值也越來越接近真實值。

在自平衡荷載試驗中，確定單樁極限承載力試驗值時，應(yīng)結(jié)合上、下樁段Q－S曲線特征綜合考慮確定。當(dāng)上、下樁段Q－S曲線不對稱時，對稱越不明顯，曲線出現(xiàn)拐點時，對應(yīng)的位移越小，說明樁承載力發(fā)揮越不充分。所以，確定單樁極限承載力時，應(yīng)根據(jù)Q－S曲線走向及拐點出現(xiàn)時的位移大小，在根據(jù)常規(guī)方法確定的單樁極限承載力基礎(chǔ)上乘以1.0～1.3的系數(shù)。當(dāng)上、下樁段Q－S曲線對稱關(guān)系清楚，無明顯拐點或出現(xiàn)拐點時對應(yīng)的位移大于40 mm時，可認(rèn)為樁承載力發(fā)揮充分，按常規(guī)方法確定單樁極限承載力。

3.2 土層對單樁極限承載力的影響

LSC－1，LSC－6和LSC－11號試樁Q－S曲線和等效Q－S曲線如圖8和圖9所示。

圖8 兩山村大橋試樁Q－S曲線Fig.8 Q－S curve for pile of Two Village Bridge

圖9 兩山村大橋試樁等效Q－S曲線Fig.9 Equivalent Q － S curve for pile of Two Village Bridge

LSC－1在荷載達到4 950 kN時才出現(xiàn)位移猛增，樁體開始進入塑性階段，而LSC－11號樁在荷載為3 420 kN時就開始破壞，這是由兩樁上樁段土層情況決定的，如表3所示。LSC－1號樁上樁段土層主要是黏性土，所提供的樁周摩阻力較大，荷載箱(距樁頂25m)以上樁周土提供極限摩阻力為4 387.6 kN。在樁－土相對位移較小時就被激發(fā);LSC－11號樁上樁段土層主要是砂類土，所提供的樁周摩阻力很小，荷載箱(距樁頂25 m)以上樁周土提供極限摩阻力為2 680.1 kN。側(cè)摩阻力的發(fā)揮需要較大的樁－土相對位移［8］。

表3 巖土物理力學(xué)指標(biāo)Table 3 The targets of physical and mechanical rock

4 結(jié)論

(1)荷載箱位置是自平衡試驗試樁承載力的關(guān)鍵因素之一。準(zhǔn)確確定荷載箱位置，使上樁段和下樁段承載力充分發(fā)揮，力求同時達到承載極限，對承載力的準(zhǔn)確確定具有重要意義。在自平衡試驗確定自平衡點位置時，除根據(jù)已有資料和經(jīng)驗來確定以外，利用單樁軸向受壓容許承載力公式反算自平衡點也是一種行之有效的方法。

(2)在確定單樁極限承載力時，應(yīng)根據(jù)上、下樁段Q－S曲線特征，即對稱關(guān)系、有無拐點、拐點處對應(yīng)的位移大小等因素綜合確定。

(3)土層性質(zhì)對樁側(cè)摩阻力的發(fā)揮影響顯著，進而影響單樁承載力。本文試驗中，粉質(zhì)黏土極限側(cè)摩阻力大于細砂極限側(cè)摩阻力，且在較小的樁－土相對位移的情況下就能發(fā)揮，而砂類土側(cè)摩阻力發(fā)揮較慢。

［1］ Jori Osterberg.New device for load testing driven piles and drilled shaft separates friction and end bearing［J］.Piling and Deep Foundations，1989.421 －427.

［2］龔維明，蔣永生，翟 晉.樁承載力自平衡測試法［J］.巖土工程學(xué)報，2000，22(5):532 －536.

GONG Wei-ming，JIANG Yong-sheng，ZHAI Jin.Selfbalanced loading test for pile bearing capacity［J］.Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2000，22(5):532－536.

［3］江蘇省地方標(biāo)準(zhǔn).DB32/T291－1999，樁承載力自平衡測試技術(shù)規(guī)程［S］.1999.

Jiangsu local standards，DB32/T291 － 1999，Technical code for self－balanced measurement method of pile bearing capacity［S］.1999.

［4］山東省地方標(biāo)準(zhǔn).DBJ/T14－055－2009，基樁承載力自平衡檢測技術(shù)規(guī)程［S］.

Shangdong local standards.DBJ/T14－055－2009，Technical code for self－balanced measurement method of pile bearing capacity［S］.

［5］安徽省地方標(biāo)準(zhǔn).DB34/T648－2006，樁承載力自平衡法深層平板載荷測試技術(shù)規(guī)程［S］.

Anhui local standards.DB34/T648 － 2006，Technical code for self－balanced measurement method of pile bearing capacity［S］.

［6］中華人民共和國交通行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).JT/T738－2009，基樁靜載試驗－自平衡法［S］.

Transportation industry standurds of the People＇s Republic of China.JT/T738 －2009，Static loading test of foundation pile － self－ balanced method［S］.

［7］龔維明，戴國亮，蔣永生，等.樁承載力自平衡測試?yán)碚撆c實踐［J］.建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報2002，23(1):82 －88.

GONG Wei-ming，DAI Guo-liang，JIANG Yong-sheng，et al.Theory and practice of self－ balanced loading test for pile bearing capacity［J］.Journal of Building Structures，2002，23(1):82 －88.

［8］馬 曄，王 陶.超長鉆孔樁自平衡法荷載試驗研究.巖土工程學(xué)報［J］.2005，27(3):275－278.

MA Ye，WANG Tao.Experimental study on bearing behavior of super－long drilled pile with the self－balanced load test method［J］.Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2005，27(3):275 －278.

Self－balanced loading tests for bridge pile foundation

LI Xu1，YU Ming-den1，ZHANG Ming2

(1.Liouzhou － Nanning Project Departmen of China Railway 12th Bureau Group Co.Ltd，Nanning 530011，China;2.School of Civil Engineering，Central South University，Changsha 410075，China)

Combined with self－balancing loading test data on eight bridge piles from new Nanning to Litang railway，the position effects between osterberg cell and the self－balanced point on ultimate bearing capacity of pile were analyzed based on the location of the osterberg cell for test piles and the properties of the surrounding soil.The results show that accuracy of ultimate bearing capacity of single pile can seriously depend on whether the osterberg cell was put in the right position or not.The properties of soil around the pile also can not be ignored.The self－balance position，presented an aids，can be back － calculated by allowable bearing capacity of axial compression for single pile.

self－balancing loading test;position of osterberg cell;bearing capacity;pile shaft resistance

U443.15

A

1672－7029(2011)06－0033－06

2011－05－30

中鐵十二局集團有限公司項目(中鐵十二局集團科［2010］45號)

黎 庶(1974－)，男，湖南邵陽人，工程師，從事鐵路工程施工與管理等工作