徐傳毅

（中鐵東方國(guó)際集團(tuán)有限公司 MRT2，吉隆坡 43200）

0 引言

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)于自平衡實(shí)驗(yàn)的研究越發(fā)全面，自平衡實(shí)驗(yàn)在單樁上的應(yīng)用也朝著樁徑更大，樁體更長(zhǎng)的方向發(fā)展，有水下灌注樁，也有干挖鉆孔樁。限于現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)地的空間大小、實(shí)驗(yàn)設(shè)備的組裝難度、復(fù)雜的地質(zhì)條件，常見的靜荷載實(shí)驗(yàn)方法（堆荷法、反力梁錨樁法）已難以實(shí)現(xiàn)單樁承載力實(shí)驗(yàn)，下面就馬來西亞吉隆坡地區(qū)肯尼山地質(zhì)條件下的旋挖鉆孔樁自平衡實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用與研究做簡(jiǎn)要分析。

1 肯尼山地質(zhì)與土側(cè)摩擦力的關(guān)系

肯尼山地質(zhì)，（Kenny Hill formation），具有 “一致性”特點(diǎn)，地層多為堅(jiān)固的沙與石頭，一般情況下挖掘時(shí)不會(huì)出現(xiàn)地層本身的空洞現(xiàn)象或產(chǎn)生坍塌，所以更容易進(jìn)行隧道挖掘工程，是較為常見的一種地形。在馬來西亞吉隆坡 2014 年進(jìn)行捷運(yùn)系統(tǒng)的地下挖掘時(shí)，從武吉免登站與人民廣場(chǎng)站形成了地層分割，武吉免登站方向的地質(zhì)為肯尼山地質(zhì)，較為容易挖掘。本次研究是基于馬來西亞吉隆坡捷運(yùn)二期大馬城南站的結(jié)構(gòu)旋挖鉆孔樁的樁基荷載實(shí)驗(yàn)進(jìn)行的，也同樣處于肯尼山地質(zhì)情況。

不同的地質(zhì)情況會(huì)影響樁體本身和土層的側(cè)面摩擦力，從而影響自平衡實(shí)驗(yàn)中液壓千斤頂在鋼筋籠中的位置定位，這取決于土壤數(shù)據(jù)的靜態(tài)分析。液壓千斤頂?shù)亩ㄎ粚⒈挥糜谟?jì)算所測(cè)試樁的預(yù)期樁體與地層表面摩擦力和端頭承載力。

理想狀態(tài)下，液壓千斤頂?shù)慕M裝位置應(yīng)位于整體樁的承載力的平衡位置（液壓千斤頂以上表面摩擦力=液壓千斤頂以下表面摩擦力+端頭承載力）。液壓千斤頂?shù)亩ㄎ唤M裝主要目的是平衡樁體的自平衡力，這樣樁體內(nèi)的自平衡受力不會(huì)在某個(gè)方向上的承載力過大或者過小而失去平衡導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)失敗。具體的定位要求根據(jù)地質(zhì)情況進(jìn)行計(jì)算。

本研究是基于肯尼山地質(zhì)特點(diǎn)進(jìn)行 BP2a 旋挖鉆孔樁的自平衡實(shí)驗(yàn)應(yīng)用。采用的實(shí)驗(yàn)方法是自平衡試樁法，其主要裝置是一種特備設(shè)計(jì)的可用于加載的荷載箱，荷載箱主要有兩種形式，一種是主要由千斤頂組、頂蓋、底蓋三部分組成；另一種是采用特殊的方法實(shí)現(xiàn)液壓腔體的密封，從而產(chǎn)生大截面的加壓腔體，并且通過疊加式的壓力單元結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)超過荷載箱原始高度的行程［1］。

2 鉆孔樁及自平衡實(shí)驗(yàn)裝置的施工安裝工藝

現(xiàn)場(chǎng)鋼筋籠提前 2 d 加工完成，液壓千斤頂用 T16 鋼筋焊接綁扎在鉆孔樁鋼筋籠的加強(qiáng)筋上（在圖紙要求的鋼筋以外的鋼筋，主筋不允許焊接，會(huì)降低鋼筋強(qiáng)度），焊接的位置取決于計(jì)算設(shè)計(jì)值。具體流程如下：①鉆孔樁 BP2a 坐標(biāo)現(xiàn)場(chǎng)定位；②旋挖鉆機(jī)下 40 mm 厚 1 220 mm 直徑雙壁護(hù)筒；③旋挖鉆機(jī)鉆孔，全護(hù)筒干挖施工至設(shè)計(jì)底標(biāo)高；④清理孔底，監(jiān)理驗(yàn)孔、鋼筋籠、巖石取芯點(diǎn)荷載強(qiáng)度檢查（要求每0.5 m 取一組 5 個(gè)巖石樣本，一組巖石點(diǎn)荷載強(qiáng)度不小于3 MPa）；⑤檢驗(yàn)通過后下放鋼筋籠；⑥澆筑 C40S4 混凝土，控制澆筑標(biāo)高，需超灌至少 0.6 m。

該旋挖鉆孔樁的基本參數(shù)如下：樁號(hào)：BP2a；設(shè)計(jì)巖面標(biāo)高（根據(jù)溶洞探測(cè)標(biāo)高得到）：+18.14 mRL；設(shè)計(jì)入巖深度：5 m；設(shè)計(jì)底標(biāo)高：+13.14 mRL。

其實(shí)際情況如下：護(hù)筒頂標(biāo)高（留一節(jié)護(hù)筒高于地面標(biāo)高+32.97 mRL）：+33.84 mRL，截樁標(biāo)高：+24.955 mRL；巖面標(biāo)高：+22.47 mRL；入巖深度：9.6 m；底標(biāo)高：+12.87 mRL；千斤頂安裝位置標(biāo)高：+14.37 mRL（根據(jù)計(jì)算定為實(shí)際底標(biāo)高向上1.5 m）?；炷晾碚摑仓搅浚?3.22 m3，實(shí)際澆筑方量：18 m3，符合所有設(shè)計(jì)要求。7 d 后 BP2a 混凝土強(qiáng)度達(dá)到 40 MPa，達(dá)到實(shí)驗(yàn)要求，可以開始自平衡實(shí)驗(yàn)。

3 實(shí)驗(yàn)過程、結(jié)論

3.1 儀器設(shè)備準(zhǔn)備

儀器設(shè)備包括指示信號(hào)線、液壓油管、注漿管、電焊機(jī)、液壓千斤頂、壓力傳感器、線性可變位移傳感器、支撐橫梁、物理水平計(jì)量器、數(shù)據(jù)采集顯示器、液壓泵。

3.2 儀器設(shè)備安裝

液壓管、指示信號(hào)線、注漿管（用于在自平衡實(shí)驗(yàn)后產(chǎn)生的樁體分隔區(qū)注漿填補(bǔ)空隙）和聲測(cè)管（用于檢測(cè)樁體完整性）都將安裝附著在鋼筋籠上。根據(jù)鋼筋籠總長(zhǎng)度，鋼筋籠的加工將分成幾部分進(jìn)行，在鋼筋籠的下放過程中拼接加固。液壓千斤頂放置于平整的地面上，將第一節(jié)鋼筋籠垂直吊起后與液壓千斤頂拼合并焊接加固，再連接液壓油管和信號(hào)線在液壓千斤頂上，安裝過程要小心管線。

3.3 實(shí)驗(yàn)過程

試驗(yàn)過程主要集中于安裝、測(cè)試 1 180 mm 樁徑的旋挖鉆孔灌注樁，客觀的實(shí)驗(yàn)是為了獲得旋挖鉆孔樁的設(shè)計(jì)參數(shù)，該實(shí)驗(yàn)將以單個(gè)水平標(biāo)高的自平衡實(shí)驗(yàn)配置來執(zhí)行在英標(biāo)體系下的標(biāo)準(zhǔn)。

1）材料：C32/40-20 混凝土、鋼筋籠。

2）設(shè)計(jì)施工數(shù)據(jù)。樁號(hào)：BP 2 a，設(shè)計(jì)巖面標(biāo)高：+18.14 mRL，設(shè)計(jì)入巖深度：5 m，設(shè)計(jì)底標(biāo)高：+13.14 mRL。

3）實(shí)際施工數(shù)據(jù)。套筒頂標(biāo)高：+33.84 mRL；地面標(biāo)高：+32.97 mRL；截樁標(biāo)高：+24.955 mRL；巖面標(biāo)高：+22.47 mRL；入巖深度：9.6 m；底標(biāo)高：+12.87 mRL；千斤頂安裝標(biāo)高：底標(biāo)高以上 1.5 m。

4）混凝土設(shè)計(jì)方量：13.22 m3；實(shí)際方量：18 m3。5）樁的單倍工作荷載：9 000 kN；樁的雙倍極限測(cè)試荷載：18 000 kN。

液壓千斤頂?shù)奈恢枚ㄎ蝗Q于土壤數(shù)據(jù)的靜態(tài)分析。液壓千斤頂?shù)亩ㄎ粚⒈挥糜谟?jì)算所測(cè)試樁的預(yù)期樁體與地層表面摩擦力和端頭承載力。

理想狀態(tài)下，液壓千斤頂?shù)慕M裝位置應(yīng)位于整體樁的承載力的中間位置（表面摩擦力+端頭承載力）。液壓千斤頂?shù)亩ㄎ唤M裝主要目的是平衡樁體的自平衡力，這樣樁體內(nèi)自平衡在某一個(gè)方向上的承載力測(cè)試失敗不會(huì)過早的發(fā)生。具體的定位要求是來自樁的設(shè)計(jì)和土質(zhì)情況。

使用校準(zhǔn)后的刻度壓力計(jì)來檢測(cè)液壓千斤頂讀數(shù)，用這種方式來導(dǎo)出旋挖鉆孔樁在自平衡實(shí)驗(yàn)過程中的承載力數(shù)值。

液壓千斤頂?shù)奈灰朴?jì)量由傳感線傳輸，分為上下兩個(gè)部分，傳感線的末端將連接在 LVDT（線性垂直位移轉(zhuǎn)換器）來檢測(cè)位移變化：樁頭頂部放置 4 個(gè)位移傳感器；液壓千斤頂上部 3 個(gè)位移傳感器；液壓千斤頂下部 3 個(gè)位移傳感器。

LVDT 的檢測(cè)范圍在 0～50 mm 之間，精度在0.01 mm。

旋挖鉆孔樁自平衡實(shí)驗(yàn)將在樁的混凝土強(qiáng)度達(dá)到要求后進(jìn)行（至少在澆筑完成的 7 d 后），以保證在試驗(yàn)后能維持樁體最大強(qiáng)度要求。液壓千斤頂使用液壓系統(tǒng)進(jìn)行內(nèi)部增壓，在鉛垂線方向向上產(chǎn)生豎向摩擦力，并且同時(shí)產(chǎn)生向下的較小豎向摩擦力和樁基承載力，總和等于向上的豎向摩擦力（見圖 1）。

圖1 樁的自平衡受力示意圖

自平衡試驗(yàn)循環(huán)荷載設(shè)計(jì)值是根據(jù)規(guī)范及測(cè)試專業(yè)團(tuán)隊(duì)建議進(jìn)行安排，先從 0 至單倍荷載，再減壓至 0 后，提升至 2 倍，測(cè)試荷載最高達(dá)到樁體單倍荷載的 2 倍大小，并在荷載大小變化的不同階段維持不同的時(shí)間，本次試驗(yàn)樁體設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)工作荷載為 9 000 kN，試驗(yàn)實(shí)際達(dá)到了 18 000 kN 的測(cè)試荷載，試驗(yàn)總時(shí)長(zhǎng) 7.67 h（見圖 2）。

圖2 自平衡實(shí)驗(yàn)循環(huán)荷載設(shè)計(jì)值

液壓千斤頂在安裝之前需根據(jù)平衡受力位置進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)土體和巖石的不同摩擦受力情況計(jì)算出液壓千斤頂上部與下部的荷載值，再結(jié)合千斤頂能夠提供的壓力值，確定出千斤頂?shù)钠胶馕恢?，達(dá)到最終實(shí)驗(yàn)?zāi)康模ㄒ妶D 3）。

圖3 樁的平衡受力位置估算表

實(shí)驗(yàn)裝置中的定位鋼管、定滑輪、位移指示器、磁吸底座、計(jì)數(shù)器、液壓泵、標(biāo)準(zhǔn)梁、液壓油管、千斤頂?shù)仍诂F(xiàn)場(chǎng)根據(jù)安裝設(shè)計(jì)圖進(jìn)行排布（見圖 4）。在樁體上部、千斤頂上部和千斤頂下部根據(jù)樁體直徑分別安裝不同數(shù)量的傳感器，其中本實(shí)驗(yàn)中的鉆孔樁直徑為 1 180 mm，根據(jù)表格數(shù)據(jù)應(yīng)該安裝的傳感器數(shù)量分別為 4 個(gè)（樁體上部）、3 個(gè)（千斤頂上部）、3 個(gè)（千斤頂下部）。

圖4 液壓千斤頂及傳感器安裝設(shè)計(jì)圖

3.4 實(shí)驗(yàn)通過分析及結(jié)論

根據(jù)試驗(yàn)應(yīng)進(jìn)行兩次循環(huán)達(dá)到 200 % 工作荷載（18 000 kN）后卸壓，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果應(yīng)同時(shí)滿足以下 3 點(diǎn)要求（英標(biāo)規(guī)范要求）。

1）首次 0 % 荷載的平均糾偏值（Average corrected settlement）為 0 mm。單倍工作荷載循環(huán)的殘余沉降（residual settlement）為 1.2-0=1.2 mm＜6 mm。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果，殘余沉降均未超過 6 mm，符合規(guī)范：樁頂殘余沉降，在最終釋放工作荷載后，不超過 6 mm。

圖5 為千斤頂單側(cè)荷載值在時(shí)間變化下的曲線，根據(jù)荷載循環(huán)設(shè)計(jì)的要求有不同的維持時(shí)間，使曲線呈現(xiàn)階梯式變化，可以看到第一次循環(huán)的單側(cè)壓力為 4 500 kN，第二次循環(huán)的單側(cè)壓力為 9 000 kN，滿足試驗(yàn)要求。

圖5 荷載-時(shí)間曲線

2）在單倍工作荷載下，泄壓后最大樁頂沉降值為：4.0-0=4.0 mm＜12 mm。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果，最大樁頂沉降未超過 12 mm，符合規(guī)范：工作荷載時(shí)最大樁頂沉降不超過 12 mm。

圖6 為千斤頂上部與下部及樁頂位移值在單側(cè)荷載變化下的曲線，上部位移和下部位移在不同試驗(yàn)荷載下的變化量之和即為總的位移量。樁頂位移變化由圖 6 可見其峰值滿足試驗(yàn)要求。

圖6 荷載-位移曲線

3）在 2 倍工作荷載下，泄壓后最大樁頂沉降值為：9.38-0=9.38 mm＜38 mm。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果，最大樁頂沉降未超過 38 mm，符合規(guī)范：兩倍工作荷載的最大位移量不超過樁徑的 10 %（D＞380 mm）或不超過 38 mm（D≤380mm）。

圖7 為千斤頂上部與下部及樁頂位移值在試驗(yàn)時(shí)間變化下的曲線，兩處峰值分別在單倍和雙倍工作荷載的時(shí)間范圍。

圖7 位移-時(shí)間曲線

圖8 為不同荷載下泄壓樁頂、樁底沉降的變化曲線，由該圖 8 可以得到樁頂沉降值在單倍荷載和雙倍荷載下的具體數(shù)值，可見在 18 000 kN 荷載下，樁頂沉降值達(dá)到了 9.38 mm。

圖8 極限（雙倍）荷載-沉降曲線

分析上述試驗(yàn)結(jié)果，試驗(yàn)區(qū)域肯尼山地質(zhì)條件下（Kenny Hill formation）的旋挖鉆孔樁阻力特征值達(dá)到18 000 kN，滿足設(shè)計(jì)要求。

3.5 實(shí)驗(yàn)失敗終止標(biāo)準(zhǔn)

本次試驗(yàn)屬于成功試驗(yàn)示范，在結(jié)構(gòu)受力樁上取得相應(yīng)試驗(yàn)結(jié)果，若在試驗(yàn)中出現(xiàn)以下異常數(shù)據(jù)，應(yīng)考慮及時(shí)終止試驗(yàn)，避免危險(xiǎn)事件發(fā)生。

1）在達(dá)到極限承載力之前，已達(dá)到預(yù)先確定的設(shè)計(jì)試驗(yàn)荷載并完成實(shí)驗(yàn)周期。

2）在試樁上、下方向的受力均超過樁身的極限設(shè)計(jì)承載力。

3）樁體形變達(dá)到樁徑 5 % 或液壓千斤頂 120 mm 最大行程的較小值（如果需要卸載周期，液壓千斤頂最大行程應(yīng)限制在 80 mm，以便活塞在卸載過程中恢復(fù)）。

4）達(dá)到液壓千斤頂?shù)臉O限壓力。

4 結(jié)語

自平衡法以其經(jīng)濟(jì)、安全、快捷、簡(jiǎn)便的優(yōu)點(diǎn)，在大直徑混凝土灌注樁的承載力檢測(cè)中發(fā)揮著極大的優(yōu)勢(shì)。工程實(shí)踐表明，應(yīng)用該試驗(yàn)方法對(duì)大直徑混凝土灌注樁的承載力進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的結(jié)果，可以滿足實(shí)際工程需要［2］。BP2a 旋挖鉆孔樁進(jìn)行了完整的荷載實(shí)驗(yàn)過程，未達(dá)到實(shí)驗(yàn)失敗終止標(biāo)準(zhǔn)。實(shí)驗(yàn)證明，在馬來西亞肯尼山地質(zhì)條件下，施工完成的旋挖鉆孔樁可以達(dá)到實(shí)驗(yàn)規(guī)范要求的極限荷載，適宜使用自平衡法進(jìn)行樁的極限荷載實(shí)驗(yàn)，但是分析認(rèn)為樁體的位移數(shù)據(jù)太小，不足以完全表現(xiàn)樁體的側(cè)向摩擦力，導(dǎo)致本次試驗(yàn)獲得的承載力較為保守，在今后的實(shí)驗(yàn)研究中需繼續(xù)積累資料數(shù)據(jù)，提高精度。Q