桥梁大吨位桩基新静载试验方法的工程应用
第31卷第4期2001年7月
东南大学学报(自然科学版)
JOURNALOFSOUTHEASTUNIVERSITY(NaturalScienceEdition)
Vol131No14July2001
桥梁大吨位桩基新静载试验方法的工程应用
戴国亮 龚维明 蒋永生
(东南大学土木工程学院,南京210096)
摘要:针对桥梁桩基吨位大、试桩场地特殊等特点,采用一种新的静载试桩方法———自平衡试
桩法对其进行测试.首先介绍了自平衡试桩法的基本原理,然后介绍了该方法在南京新三汊河大桥试桩和润扬长江公路大桥南引桥试桩工程实例中的具体运用,该法成功地解决了采用传统静载试验方法难以解决的特殊现场试验条件与大吨位试桩问题,在桥梁桩基中具有广泛的应用前景.
关键词:桥桩;自平衡试桩;静载试验中图分类号:TU47312 文献标识码:A 文章编号:1001-0505(2001)0420054204
桩基础是最古老的基础形式之一.随着现代科学的进步,目前已成为我国桥梁基础中最主要的基础类型之一.单桩承载力的确定是桩基设计的关键问题,而桩的静载试验是确定单桩承载力最可靠的方法.然而传统静载荷试验的装置一直停留在压重平台或锚桩反力架之类的形式上,试验工作费时、费力、费钱,因此人们常力图回避做静载试验,而且单桩承载力越高,越不倾向于做静载试验,以致许多重要的桥梁的大吨位基桩往往得不到准确的承载力数据,基桩的潜力不能发挥.本文针对桥梁桩基吨位大、试桩场地特殊等特点,采用一种新的静载试验方法———自平衡试桩方法进行测试,取得了良好的效果.
1 自平衡试桩法原理简介
自平衡试桩法在桩施工过程中将荷载箱(主要由活塞、顶盖、底盖及箱壁4部分组成)放在桩身指定位置,测试时能直观地反映荷载箱上、下2段桩各自的承载力,为我们区分摩阻力与端阻力的发挥情况提供了强有力的手段.其测试原理示意图如图1所示.试验时,从地面通
过油压管加压,随着压力的增大,荷载箱将同时向上、向下发生变位,并能自动调整桩侧阻力及桩端阻力的作用,直到破坏,根据加载及向上、
图1 测试机理示意图下位移的惟一对应关系,可以绘出向上、向下2条QS曲线.将上段桩
得到的极限抗拔承载力经一定处理后转换为极限抗压承载力与下段桩极限承载力相加即为桩极限承载力[1].这种测桩系统可以省去传统单桩竖向静载试验中,用锚桩横梁反力装置和压重平台反力装置来提供所需的装备、经费和时间.
表1 主要土层物理力学指标综合值
层号①
②1②2②3③④1④土层名称杂填土
淤泥质亚粘土淤泥质亚粘土亚粘土
细砂夹卵砾石强风化泥质粉砂岩弱微风化泥质粉砂岩
抗剪强度指标
)C/kPaφ/(°
14.4
6.37.09.9
9.66.58.313.0
2 应用实例
2.1 南京新三汊河大桥2.1.1 工程概况
力学指标
στ/kPa0/kPa—
65
—
1922～24
28～3065～9590300
该桥地处原惠民河上,紧邻长江.桥位区地
—貌属长江漫滩,勘察深度内上部分布巨厚层软
—
土,其强度低,压缩性高,具流变性和触变性,工—程地质性质差;下部为砂夹卵砾石,厚度及分布
有变化,工程地质性质一般;深部为白垩系泥质粉砂岩,工程地质性质良好.工程力学性质见表1,试桩有
70～7590～95—220～300—400—2900
收稿日期:2001201211. 作者简介:戴国亮,男,1975年生,博士研究生.
第4期戴国亮等:桥梁大吨位桩基新静载试验方法的工程应用55
关数据见表2.2.1.2 试桩情况及结果
试桩在水中进行,测试时只需将平衡梁固定在周围桩上,而测试设备引到陆地上,采用慢速维持荷载法,严格按
[2]
(JT《公路桥涵施工技术规范》J041—2000)附录B“试桩试
表2 试桩有关数据
桩号桩径/m桩长/m荷载箱位置/m上段桩质量/MN试1
试2
1.21.5
60.4869.22
58.066.2
1.612.87
(DB32/T292—验办法”和江苏省地方标准《桩承载力自平衡测试技术规程》99)[1]执行.试桩1、试桩2分别
按2×617MN和2×912MN加载.第1级加载为2×670kN和2×920kN,后以每级2×670kN和2×920kN
(b)所示
.递增.测得2根试桩向上、向下的QS曲线如图2(a)、
图2 自平衡试桩QS曲线
从图2可以看出,试桩1、试桩2的QS曲线都属于缓变型.国外在同一根桩上做了大量对比试验,得出如下结论:对于粘性土,施加于桩顶向下的荷载产生的桩侧向上的摩阻力略大于施加于桩底等量而向上的荷载产生的桩侧向下摩阻力;对于无粘性土,向上的摩阻力大于向下的摩阻力.东南大学也做了10多根对比试验,验证了上述结论.试桩1、试桩2上段桩身质量分别为1161MN和2187MN,根据江苏省地方
(DB32/T292—标准《桩承载力自平衡测试技术规程》99),对于粘性土,抗拔桩承载力为抗压桩承载力的018倍.试桩1、试桩2的上、下段桩的极限承载力都未达到,因此,试桩1的极限承载力Ru1≮(617-1161)/018+617=13107MN;试桩2的Ru2≮(912-2187)/018+912=17112MN.
从加载及回弹曲线看,2根试桩上、下段回弹量较小,这反映了桩侧土很差,只有塑性变形的情况;2根试桩荷载箱下部桩长只有2～3m,而回弹值小说明了桩端有一定的沉渣,仅桩身弹性压缩部分得以回弹.2.2 润扬长江公路大桥南引桥试桩2.2.1 工程概况
润扬长江公路大桥桥址位于扬子板块,在历次挤压褶皱及岩浆活动综合作用下,区内地层支离破碎,
地质情况复杂:软土具有触变性,砂土液化(20m以浅),构造破碎,差异风化,因此土体及下卧基岩物理力学指标变化较大.为了验证设计时所采用地质钻探资料的正确性,对引桥采用的桩基础进行试桩试验以确定单桩承载力.根据地质构造情况,南引桥定于45号墩(地质钻孔编号Y48)布置1根试桩,其工程地质柱状图如图3所示.土层力学性能指标见表3.试桩预估单桩极限承载力为34MN,采用传统方法代价太大.
表3 主要土层力学性能指标
编号
12345
名称淤泥质压粘土亚粘土夹粉砂粉细砂强风化岩弱风化花岗质碎裂岩、角砾岩
容许承载力
σ0/kPa
[1**********]200
桩周极限
阻力τ/kPa
[1**********]0
图3 工程地质概况
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东南大学学报(自然科学版)第31卷
试桩Y48直径118m,桩长53179m,有5个岩土层分界面(最上面亚粘土层仅0184m,故忽略).荷载箱位于桩底5m处,在岩土层分界面处,桩身每个截面对称设置4个振弦式钢筋计,共布置20个钢筋计,测试时做砼试块强度、弹性模量试验.2.2.2 测试情况及结果
加载采用慢速维持法,测试按《公路桥涵施工技术规[2]
(JT范》J041—2000)附录B和江苏省地方标准《桩承载力自
[1]
(DB32/T291—平衡测试技术规程》99)、设计院试桩图及地质报告进行.荷载分级:加载采用慢速维持荷载法,共分9级,
每级加载为8,12,16,20,24,28,32,36,40MN;位移观测:每级加载后在第1h内应在5,10,15,30,45,60min测读一次,以后每隔30min测读一次(由电脑控制).
整个测试过程情况正常.由现场实测数据绘制(QS)曲线,如图4所示.加载时桩身轴力分布曲线及桩侧摩阻力分布曲线如图5所示.图6给出了桩侧摩阻力变位曲线
.
图4 自平衡试桩QS曲线
图5 自平衡试桩加载轴向力和桩侧摩阻力分布
根据图4的QS曲线,荷载箱上部土层在最后一级荷载下已达到极限值,而下部土层则未达到.从
加、卸载曲线看,荷载箱下部土层弹性变形为414mm,塑性变形为9117mm.荷载箱上部土层由于达到极限
值,故塑性变形很大.考虑加载1800t情况,其桩身压缩变形(即荷载箱处向上位移减去桩顶向上位移)为14123mm.图5的加载桩身轴力分布曲线与传统堆载轴力分布曲线原则上一致,即加载处轴力最大.由于土摩阻力的作用,桩身轴力随着距荷载箱距离增大而减小.卸载时桩身轴力分布曲线与加载桩身轴力曲线基本相同,当荷载完全卸至零时,每个截面上仍有一定的轴力,这是由于桩土系统是弹塑性变形及桩侧摩阻力仍然存在所致.荷载箱位于第5层土中间,从该层侧阻力发挥情况看,荷载箱上部向下的摩阻力明显小于荷载箱下部同层土向上的摩阻力,这与桩抗压、抗拔桩侧阻力发挥情况一致.从图5的桩侧摩阻力分布曲线可知,随着外力的增加,每层土的摩阻力逐渐增加,且离加载处(荷载箱)近的土层摩阻力首先发挥作用,然后远处的土层摩阻力才逐渐发挥.同时可以得出,每层土并未达到极限值时就开始将荷载传递到邻近土层中,即摩阻力的发挥与桩土相对位移有关.图6所示的桩侧摩阻力变位曲线,表示各土层的摩阻力随着桩土总的相对位移的增大而增大的现象,且摩阻力的发挥基本上与位移成正比.从图中可见,当1,2,3土层在桩土总的相对位移达到10mm,第4土层在桩土总的相对位移25mm时,曲线基本上成水平线,土摩阻力达到极限值.第5土层在最后一级荷载作用下,荷载箱上部桩侧土完全达到极限值,而下部土层仍在弹塑性中.桩端QS曲线由下述原则求得:荷载箱所施加荷载扣除下部土层的侧阻力即为桩端阻力(此时下部5m土层取统一的第5层土下部摩阻力值),荷载箱向下的位移扣除下段桩身混凝土弹性压缩即为桩端向下位移,该位移包括沉渣压缩及土层变形,其结果如图7所示.
(DB32/T291—根据江苏省地方标准《桩承载力自平衡测试技术规程》99)[1],Y48桩极限承载力取为
2-3
Ru=+20=38172MN
018
第4期戴国亮等:桥梁大吨位桩基新静载试验方法的工程应用57
图6 桩侧摩阻力变位曲线 图7 桩端阻力变位曲线
稍大于预估值.由于上、下2段桩不是同时破坏,这样取值偏于安全[4].
3 结 论
本文针对桥梁桩基吨位大、试桩场地特殊等特点,采用一种新的静载试验方法———自平衡试桩法进行测试取得了满意的效果.从自平衡试桩原理及以上工程实例可看出,自平衡试桩相对于传统静载方法具有
以下优点[4]:
1)装置较简单,不占用场地,不需运入数百吨或数千吨物料,不需构筑笨重的反力架,试桩准备工作省时省力,特别是对于桥梁工程的水中试桩和大吨位试桩,传统方法是难以实现的.
2)试验费用省.尽管荷载箱为一次性投入器件,但与传统方法相比可节省试验总费用1/3～2/3,试验荷载越大,经济性越好,且大大缩短了试桩工期.
自平衡试桩法在江苏已有广泛应用,并已开始在外省推广应用,如安徽、河南、浙江、云南等省.自平衡试桩法的荷载传递机理较为复杂,还需积累大量的试桩对比试验,但作为工程应用,具有足够的精度,相信该法不久将在全国广泛推广应用,特别是在桥梁桩基中将具有广泛的应用前景.
参考文献
1 DB32/T291—99桩承载力自平衡测试技术规程2 JTJ041—2000公路桥涵施工技术规范.北京:人民交通出版社,2000.295～299
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EngineeringApplicationsofANewStaticLoadTesting
MethodforPileswithLargeBearingCapacityinBridge
DaiGuoliang GongWeiming JiangYongsheng
(CollegeofCivilEngineering,SoutheastUniversity,Nanjing210096,China)
Abstract: Undertheconditionsoflargebearingcapacityandthespecialtestingsiteofpilesinbridge,anewstatic
loadtestingmethod,theself2balancedtestingmethod,isadopted.Themainprincipleofthismethodanditsapplica2tionsinNanjingNewSanchaRiverBridgeandRunyangYangziRiverHighwayBridgeareintroduced.Thismethodcansolvethespecialtestingsiteconditionsandthelargebearingcapacityofbridgepiles,whichwillfindwideapplicationprospectinbridgepiles.Keywords: bridge;self2balancedmethod;staticloadtesting