桥墩桩基础大吨位静载大应变试验及补强处理研究

刘国庆

（中国水电建设集团十五工程局有限公司 陕西 西安 710065）

1 工程概况

汉中市汉江城市桥闸工程位于汉中市城区的汉江河段下游，是集城市游乐景观与城市交通、车辆过境等为一体的大型综合性城市基础设施工程。该工程由拦河闸和交通桥两大部分组成。其中拦河闸由30孔升卧式闸门和174m长的溢流堰组成，闸门净宽17.5m/16.5m，闸门中心间距20m，正常挡水高程502.50m。交通桥由五跨单跨跨径100m钢管混凝土拱桥及30孔20m跨径的预应力引桥及526 m两岸引道组成。桥长1160m，主桥桥面宽28.6m，引桥宽27m。设计荷载为城-A级。

桥墩基础均采用Φ1.5m、Φ1.3钻孔灌注桩基础。主桥及引桥桥墩桩基分别长40.0m、22.0m，桩端均采用在第十层半胶结圆砾加砾砂层。全桥共完成桩基施工144根，主桥部分共完成40.0m桩基施工55个（17#-22#），引桥部分共完成桩基施工89根（1#-16#、23#-35#）。对引桥的每个桥墩桩基其中一个做超声波检测，另外两个做小应变检测（1#、35#灌注桩2个做超声波检测、2个做小应变检测），共完成超声波检测31根，小应变检测58根，另外对1-1、1-3进行了大应变检测；对主桥的每根灌注桩进行了超声波检测，共完成超声波检测55根，另外对18-8、19-5进行了桩基静载试验，对18-8、19-5附近的地质情况进行了补堪，对18-8钻孔取岩芯，对18-2、18-6、18-7、18-8、19-1、19-5进行了大应变试验。

2 静载试验

2.1 试验目的

为确保相关结构的安全可靠，通过静载试验确定单桩竖向极限承载力。

2.2 试验概况

静载试验是在主桥桩基18-8、19-5上进行，静载试验于2005年4月26日开始，至2005年5月6日结束。19-5试验总历时59小时，其中加载49小时，卸载10小时。18-8试验总历时52小时，其中加载42小时，卸载10小时。

2.3 试验依据

《建筑桩基检测技术规范》JGJ106-2003

《建筑地基基础设计规范》GB50007-2011

《公路桥涵施工技术规范》JTG/TF50-2011

2.4 试桩和锚桩的布置

2个试桩分别布置在18-8和19-5上，每个试桩用4个锚桩反力加载，其中3个用工程桩，另一个在承台下增加，这样对提高基础承载力有一定的帮助，具体布置见图1所示。

图1 试桩和锚桩布置图

2.5 试验方法

试验采用慢速荷载维持法，即逐级加载，每级加载达到相对稳定后，开始施加下一级载荷，直至达到试验荷载。依据设计要求，本次桩基静载试验的试验荷载预计施加14000kN，然后分级卸载至零。

2.6 试验加载系统

试验加载采用3×6300kN液压千斤顶加载。其加载反力装置采用锚桩主、副梁反力装置。加载液压系统采用0.4精度等级的高精度压力表测定油压，并事先对千斤顶标定曲线换算荷载。

2.7 试验测量系统

2.7.1 基准梁

基准梁是测量试桩在加载过程中沉降的唯一参考物，确保在试验过程中不受气温、振动及其它外界因素影响而发生竖向变位。基准梁在安装时一端固支，另一端简支且可水平移动。根据现场条件18号墩将相邻工程桩作为基准桩。

2.7.2 百分表

百分表是为测试试桩在每级荷载下的沉降量而布设的，在试桩周对称位置布置2个量程为50mm的百分表。安装百分表时应注意以下问题：

（1）百分表的磁性表架在基准梁上固定牢靠。

（2）百分表导杆和支架应紧密接触并使百分表导杆竖直，开始加载前应将百分表初读数调整为零。

2.7.3 固定架

固定架式固定在试桩上的三角架，用L35角钢加工制成并用膨胀螺栓对称固定在桩头上。固定架随桩的沉降一起沉降，三脚架与其接触的百分表反映出试桩的沉降数值。固定架安装牢靠。

2.7.4锚桩监控

由于锚桩采用工程桩，在对试桩加载过程中，为了防止锚桩的上拔量超过规定值，每级加载后，对都锚桩的上拔量进行测量。同时对锚桩的混凝土进行观察，观察有无裂缝产生，确保锚桩在加载过程中不会造成破坏。

2.8 加、卸载方法

试桩从成桩到开始试验的间歇时间在桩身混凝土强度等级达到设计要求的情况下，不少于28天。

试验采用慢速荷载维持法，即逐级加载，每级加载达到相对稳定后加下一级荷载，直至试桩破坏或达到设计加载承载力，然后分级卸载至零。

测读沉降量的时间间隔：每级加载后间隔5、10、15分钟各测读一次，以后每隔15分钟测读一次，累积一小时后每隔30分钟测读一次。

稳定标准：在每级荷载作用下，每小时的沉降量不超过0.1mm，并连续出现两次（由1.5小时内连续三次观测值计算），即认为已达到相对稳定，可加下一级荷载。

当出现下列情况之一时，即终止加载：

（1）某级荷载作用下，试桩的沉降量为前一级荷载作用下沉降量的5倍；

（2）某级荷载作用下，试桩的沉降量大于前一级荷载作用沉降量的2倍，且24小时未达到相对稳定；

（3）当荷载～沉降曲线呈缓变型时，可加载至桩顶总沉降量60mm～80mm；

（4）已达到最大试验荷载（14000 kN）；

（5）锚桩抗拔最大位移大于等于25mm。

每级卸载值为每级加载值的2倍。每级卸载后隔15分钟读一次残余沉降，读两次后隔30分钟再读一次，即可卸下一级荷载。全部卸载后，隔3～4小时再测读一次。

2.9 数据处理

桩顶沉降由对称布置的4只百分表读数推算。每级荷载稳定时桩顶总沉降量Si（mm）：

式中，ao——百分表的初读数；

ai——各级荷载稳定时百分表读数；

各级荷载作用下的沉降量ΔSi（mm）:

桩顶沉降的计算值取4只百分表测量读数的平均值。

2.10 试验结论

（1）当试验荷载达到加载最大值14000kN时，19-5桩顶最大沉降量为28.820mm。

（2）19-5试桩的极限承载力大于14000kN。

（3）19-5试桩所用的四个锚桩的上拔量均小于25mm，说明试验过程未对锚桩造成影响，可以正常使用。

（4）当试验荷载达到加载最大值12000kN时，18-8桩顶最大沉降量为71.365mm。

（5）根据《建筑桩基检测技术规范》（JGJ106-2003），18-8试桩的极限承载力为11000kN。

（6）18-8试桩所用的四个锚桩的上拔量均小于25mm，说明试验过程未对锚桩造成影响，可以正常使用。

由于18-8试桩的极限承载力为11000kN，小于设计极限承载力14000kN，为了进一步验证单桩竖向极限承载力，又进行了大应变试验。

3 基桩动力检测（大应变检测）

3.1 检测依据

《建筑桩基检测技术规范》JGJ106-2003 J256-2003。

3.2 检测部位

1-1、1-3 、18-2、18-6、18-7、18-7、19-1、19-5。

3.3 仪器设备

检测仪器为FDP-204PS基桩动测仪一套。锤击设备为15t重锤，由吊车配合试验。

3.4 检测方法及原理

本次检测，采用高应变动测法对工程桩进行现场测试，用拟合法进行分析。其试验原理是：试验时在桩顶以下不小于一倍桩径处的桩侧对称安装应变传感器和加速度传感器，用重锤锤击桩顶，在锤击过程中用FDP-204PS型基桩动测仪进行信号采集，用专用分析程序对采集信号进行分析，得出所测桩在自然含水状态下的单桩竖向极限承载力。

在室内采用波形拟合法专用程序对现场采集到的信号进行分析。波形拟合法的基本原理是：首先把桩划分若干分段（单元），假定各分段的桩、土参数，如桩身阻抗、土的阻力及其沿桩身分布、最大弹限及阻尼系数等。用实测的波形速度或力，作为已知边界条件进行波动程序计算，求得力或速度波形，两者进行比较，直到两者吻合达到满意为止，此时可认为对桩、土参数的假定与实际情况接近，从而得到单桩极限承载力、桩侧阻力分布、计算的荷载～沉降（Q～S）关系线等结果。

3.5 检测结果

共进行了8根试桩在自然含水量状态下的竖向极限承载力检测，除18-8基桩试验资料异常外，其余七根基桩试验均采集到了有效的信号，锤击贯入度正常。通过现场测试资料的电算分析，得出7根试桩在自然含水量状态下的竖向极限承载力，见表1。

18-8桩共进行三次锤击，第一锤虽采集到加速度、实测力信号，但贯入度为负值；第二锤未采集到有效的加速度、实测力信号，贯入度为负值，且在第二次锤击后，桩头混凝土已开裂；第三次锤击后，桩头测量基点混凝土局部劈裂，仍未采集到有效的加速度、实测力信号。

表1 试桩竖向极限承载力实验结果

由于18-8用静载试验的方法和大应变的方法检测单桩竖向极限承载力不满足设计要求。因此对该桩基需要进行补强处理。

4 桩基补强处理

18-8桩基的补强处理方案经过设计单位、业主单位和施工单位的研究，决定采取加桩的方法进行补强处理，具体见图2。

图2 18号桩补强处理布置图

5 结语

作者通过在汉江城市桥闸拦河闸和交通桥工程项目成功使用桥墩桩基础大吨位静载试验、大应变试验及补强处理的施工方法，对144个桩基施工的成功应用，对施工完桩基分别进行了超声波、小应变、大应变、钻孔取芯及静载试验等项目的质量检测，说明该方法经济、可行，能够保证质量、安全和进度的需要。该项目获得了国家“鲁班奖”，值得在今后桥梁施工中加以推广和应用。※