自平衡法在河口黄河大桥单桩承载力测试中的应用

廖海东

（甘肃省公路管理局,甘肃 兰州 730030）

自平衡法在河口黄河大桥单桩承载力测试中的应用

廖海东

（甘肃省公路管理局,甘肃 兰州 730030）

河口黄河大桥位于兰州市西固区河口镇，是兰州南绕城高速公路的控制型工程。桥梁上部结构为（177+360+177+2× 40+5×35）m预制箱梁与变截面连续梁组合桥，下部为柱式墩台。桥基主要持力层为白垩系黏土岩，属于弱膨胀性软岩。确定单桩承载力是该桥勘察设计的主要任务之一。基于自平衡法静载试验，对桥址白垩系黏土岩的单桩承载特性进行了系统研究。

自平衡法；单桩承载力；黏土岩；河口黄河大桥

0　引言

单桩轴向承载力是指单桩在产生一定的桩顶变形条件下所能支承的最大轴向静荷载。目前，主要通过静荷载试验、理论计算、经验公式和动力公式等方法来确定。自平衡法是桩基静载荷试验的一种，也称“通莫静载法”，最早由以色列提出。李正祥[1]指出在计算桩基极限承载能力的公式中无法确定自平衡点，荷载箱的放置位置还存在一定的随意性。徐风云[2]认为桩土体系在理论上和实际上都不存在所谓的“自平衡点”，转换理论与分析方法不能模拟工程桩桩土体系的真实受力行为。徐长节等[3]通过实验发现，自平衡法试桩上部桩与静载试验法试桩的桩身受力特性差别完全相反，前者桩侧摩阻力由下及上发挥，后者桩侧摩阻力由上及下发挥．并提出了砂性土、黏性土及圆砾的侧摩阻力折减系数。李君等[4]结合现场桩基原位试验发现，在测试尚未达到桩的极限承载力前,自平衡法等效转换曲线的桩顶位移相对锚桩法试验结果偏于保守。鲍育明等[5]对自平衡法测得的Q1-S1和Q2-S2曲线如何能精确地转化成传统的桩顶Q-S曲线进行了研究,提出了合理确定Q-S曲线的方法。奚笑舟等[6]假定桩侧土与桩间的相互作用符合三折线形式的荷载传递函数，推导出了自平衡法试验中上段桩桩底的荷载-位移曲线的一组解析算式。

本文根据《桩承载力自平衡测试技术规程》（DB32-T291-1999）和《基桩静载试验自平衡法》（JT/T 738-2009），通过自平衡法试验研究了河口大桥白垩系河口群黏土岩桩基承载特性。

1　工程概况

河口黄河大桥是兰州南绕城高速公路的控制性工程。位于兰州市西固区河口乡，全长978.5 m，主桥采用（77+100+360+100+77）m结合梁斜拉桥，桥塔采用钢筋混凝土A型塔，主梁采用工字钢-混凝土结合梁。

桥址处黏土岩岩块天然容重25.4 kN/cm3，天然状态单轴抗压强度12.41 MPa，属于软岩，软化系数为0.83，为不易软化岩石。岩石自由膨胀率为10.3%～39%，局部具弱膨胀性。岩块波速为3.8～4.2 km/s，完整性等级为完整。弹性模量（Es）1.0～2.0 GPa，变性模量（E0）0.8～1.0 GPa。岩体工程特性见表1。

表1　黏土岩岩体抗剪强度

2　自平衡法试验概况

2.1试验目的

通过试桩对桩基的单桩垂直承载力及其他有关参数进行分析比较，验证桩基的单桩垂直承载力及其他计算有关参数值，并验证该工程区域设计桩长的经济合理性。

2.2试桩位置

本次试桩共3根，第1根桩位于大桥2#墩2b-4（编号S1），第2根桩位于大桥3#墩3c-1（编号S2），第3根桩位于大桥8#墩1#桩（编号S3）。

2.3试桩参数

本次试桩参数见表2。

表2　自平衡试桩参数一览表

2.4试验步骤

（1）加载设备。试桩采用三只环形荷载箱（HZX）专利产品（见图1）。

图1　荷载箱

（2）桩基浇筑。将焊接好的钢筋笼放入钻孔，并浇筑混凝土。

（3）荷载箱加压。使用高压油泵和0.4级精密压力表进行加压，压力表最大加压值为60 MPa。

（4）基桩梁架设。布置平衡梁（基准梁），采用I20a工字钢。基准桩采用I20a工字桩打入土中大于2 m。基准梁一端与基准桩铰接，另一端与基准桩焊接，基准梁长度为8.0 m。为尽量减少试桩时外部因素的影响，搭设防风蓬架（保护罩），确保测试时仪表不受外界环境的影响。

（5）位移计安装。位移量测装置试验时每根桩采用6只电子位移计量测试桩位移量的变位，通过磁性表座固定在基准梁上，2只用于量测荷载箱顶板的向上位移，2只用于量测荷载箱底板的向下位移，2只用于量测桩顶向上位移。

（6）试验后荷载箱处压浆

试桩试验结束后，对3根试桩进行了荷载箱处的压浆处理（见图2）。

图2　试桩荷载箱处压浆

3　试验测试

加载采用慢速维持荷载法，以试桩S1为例。当加载至第15级（对应加载值为2×38 000 kN）时，荷载箱向上位移较大，位移迅速增加至32.92 mm，此时荷载无法稳定，荷载箱上部上抬（见图3），开始卸载。

图3　S1桩头上抬

根据现场实测数据绘制的Q-s曲线、s-lgt曲线（见图4、图5）。试桩荷载箱下段桩极限承载力取第15级加载值Quxi=38 000 kN，试桩荷载箱上段桩极限承载力取第14级加载值Qusi=35 462 kN。

图4　S1桩Q-s曲线

图5　S1桩lgt-s曲线

从S1桩Q-s曲线分析可知，上段桩和下段桩发挥曲线均为缓变型曲线形态。

4　成果分析

4.1单桩竖向抗压极限承载力确定

《基桩静载试验自平衡法》（JT/T738-2009）根据各试桩的最终加载值，确定试桩的极限承载力（见表3）。

4.2轴力测试及相关指标计算

（1）轴力计算

S1试桩桩加载轴力分布如图6所示。

图6　S1基桩轴力分布图

（2）桩侧阻力和桩端阻力如图7所示。

图7　S1桩侧摩阻力-位移曲线

（3）S1桩端阻力如图8所示。

图8　S1桩端阻力-位移曲线

4.3试桩转换结果

（1）极限承载力

采用等效转换方法，各试桩极限承载力取等效转换方法计算结果（见表4）。

表4　极限承载力及位移一览表

从表4可以看出，桩S2位移为134 mm时，极限承载力达到75 707 kN，而桩S3位移为18.58 mm时，极限承载力达到8 055 kN。发生位移差别不大，但达到的极限承载力尽10倍。这主要是因为桩S3基岩埋深为13 m，桩径为2.5 m，而桩S2基岩埋深为6.8 m，桩径为1.8 m。

（2）桩端承载力

各桩桩端承载力见表5。由表5可以看出，对于形同桩径的桩S1（基岩埋深12.01 m）和桩S2（埋深6.8 m），S2发生位移5.05，桩端承载力即可达到19 367 kN，而S1发生位移15.65，桩端承载力即可达到18 758 kN。

表5　桩端承载力一览表

如表6所示，桩径为1.8 m时（桩S3），桩端阻力占21.14%。当桩径为2.5 m时，端阻力比例平均值为26.18%（桩S1和桩S2），可见，随着桩径的增大，端阻力所占比例增大。

4.4试桩转换结果

岩土层设计参数取值见表7。S1、S2、S3试桩单桩设计承载力分别为60 000 kN、60 000 kN、4 000 kN，其实测承载力分别为70 048 kN、75 707 kN、8 182 kN。

表6　承载力构成一览表

表7　岩土层设计参数建议值　kPa

5　结论

（1）河口群黏土岩极限承载力荷载箱下段极限承载力分别为35 462 kN、38 000 kN、3 733 kN；荷载箱上段极限承载力分布为38 000 kN、38 000 kN、4 000 kN。

（2）河口群黏土岩上段桩和下段桩发挥曲线均为缓变型曲线形态。

（3）基岩埋深和试桩桩径对基岩极限承载力的测定有一定影响。

（4）黏土岩实测强风化层最大侧阻力平均值84.8，中风化最大侧阻力平均328.3。

（5）3根试桩的承载力均可以满足设计要求。因3根试桩的荷载箱下段桩均未达到极限值，试桩的极限承载力均大于实测值。嵌岩桩上部土体没有充分发挥，与桥梁地基基础规范中发挥系数基本一致。

[1]徐风云.桩承载力自平衡法的可靠性之质疑[J].公路，2004（7）: 12-19.

[2]徐长节，李碧青，蔡袁强.自平衡法试桩的承载特性试验研究[J].浙江大学学报 :工学版,2012,46（7）:1263-1268.

[3]李君，吕 黄，杨喜雄.自平衡法在大直径钢管桩中的应用与浅析[J].华南港工，2009(114):26-29.

[4]胡柏学，袁铜森，杨春林，等.静载试验与自平衡法在岩溶地区应用对比分析[J].公路工程，2009,34（5）:1-12.

[5]王勇，吕茂丰.自平衡法在特大桥桩基承载力试验中的应用[J].湖南理工学院学报:自然科学版，2010,23（4）：76-78.

[6]鲍育明，刘亚文，李志成，等.自平衡法在桩基承载力检测中的应用[J].解放军理工大学学报:自然科学版，2003,4（3）:49-52.

[7]李正祥.铁路桥梁工程单桩承载力测试的自平衡法[J].铁道标准设计，2010(6)：63-66.

U445.55

B

1009-7716（2016）10-0100-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.10.031

2016-06-28

廖海东（1974-），男，甘肃天水人，高级工程师，从事交通建设项目技术、质量行业管理工作。