淤积区现浇连续梁桥桩基自平衡试验研究

刘自标

【摘要：】文章以淤积区预应力混凝土现浇连续梁桥的两根工程桩为研究对象，通过现场的自平衡试验，获得入海口淤积土地质条件下桩轴力、侧摩阻力、桩端阻力以及极限承载力的相关数据，研究了桩基在淤积土层的轴力和侧摩阻力的发挥情况，为以后同种地质情况下自平衡试桩提供可靠的依据。结果表明：试桩的轴力变化趋势是平衡点处最大，沿着土层逐渐减小;摩阻力随着荷载的增大而逐渐增大，淤积土层的摩阻力很小，几乎发挥不了承载能力，仅占侧摩阻力承载的3%～5%;桩端反力所能提供的承载能力很小，桩侧摩阻力提供主要的承载能力。

【关键词：】自平衡试验;桩端阻力;侧摩阻力;承载能力

U443.15A451494

0 引言

随着我国交通运输行业的发展，桩基础大量应用在交通基础设施建设中。桩基础与其他基础相比，具有承载力高、沉降少的优点。桩基础应用在桥梁工程中，不仅能够承受水平的荷载，也可以承受竖直荷载，在桥梁设计领域中被广泛应用[1]。本文所研究的预应力混凝土连续梁桥地处入海口地区，地貌属受海水冲积形成的淤积区，上层覆盖层存在不均匀的淤积土。由于淤积区的桩基础受力情况复杂，往往会影响到工程中对桩基础承载力的计算，造成不必要的经济损失和安全事故。目前，对淤积土地区桩基础受力特性研究的理论相对落后，所以分析淤积土地区的桩基承载力特性有很大的必要性[2]。本文通过现场试验，分析淤积土地质对桩基承载能力的影响，探究桩的轴力和摩阻力在淤积土中的分布规律。

1 工程概况

该预应力混凝土现浇连续梁桥全长约201.2 m。桥梁上部结构为35 m+40 m+45 m+40 m+35 m=195 m（见图1），采用A类预应力混凝土现浇连续箱梁。下部结构桥墩采用花瓶式桥墩接承台桩基础;桥台采用肋板式桥台接承台桩基础。其中，桥墩桩基础桩长27 m，桩径为1.0 m，桥台桩基础桩长21 m，桩径为1.2 m，均采用C35混凝土浇筑而成。桥址位于入海口冲积平原区，地势平坦。桥址范围内土层上部主要为1.0～3.0 m厚的冲积淤积质土，在下部主要为10.0～20.0 m厚的粉质黏土及2.0～5.0 m厚的粉细砂。本文分别选取2-1#桩（桥墩桩）和5-2#桩（桥台桩）进行现场自平衡试验研究。见图1。

桥梁桩基根据地质资料采用摩擦桩基础，成孔方式采用机械钻孔。然而，淤积质土对桩基的施工有很大的影响，很容易造成漏浆、塌孔等情况，影响桩基承载力。因此，在这种地质条件下，保证桩基正常发挥承载能力十分重要。本文选取2-1#桩（桥墩桩）和5-2#桩（桥台桩）作为试验桩进行自平衡试验。试桩的主要技术资料见表1。试桩土层的参数情况见下页表2。

2 自平衡试验

2.1 测试系统

自平衡试桩既不需要重力平台，也不需要反力架，更不需要桩顶荷载。自平衡试桩法的基本特点是利用桩基础内力平衡，在桩身埋置荷载箱，利用压力管对荷载箱进行加压，随着压力越来越大，荷载箱箱盖和箱底分离，从而使上段桩侧阻力向下，下段桩侧阻力向上，两者互为反力。当压力增大到桩基所能承受的极限状态时，桩侧摩阻力和桩端阻力都能发挥作用。自平衡试桩法和传统静载试验的加载方式和桩身受力对比如图2所示。荷载箱的组成部分主要有顶盖、活塞、箱壁和底盖[3]。荷载箱直径比桩径略小，在顶盖和底盖上布置位移孔，留作插入位移棒使用。将荷载箱焊接在钢筋笼上，浇筑成桩，就可对荷载箱加压进行桩基测试。加载时，油管通过荷载箱与桩顶连接，桩身的应力首先在荷载箱的位置，在荷载箱中提供了反作用力，因此上部桩段产生桩侧负摩擦力，下部桩段产生桩侧正摩擦力。加压越来越大，荷载箱逐渐被打开，桩基逐渐达到所能承受的荷载极限。由此，根据荷载与位移的独特对应关系，可对桩基的承载力特性进行分析。在试验前可以将钢筋传感器埋设在土层变化处，这样在加载时也可以得到桩轴力随荷载增大的变化关系[4]。

2.2 加载方式

自平衡试验的加载方式[5]：

（1）每级荷载加载后，在初始加載1 h内每15 min测试一次，1 h后，每30 min测试一次，直至沉降稳定。把位移计连接到电脑上，可以直接由电脑绘制出所需要的曲线。轴力计和压力盒数据通过综合测试仪读取并记录。

（2）测试稳定标准判定：加载的每一级荷载在加载1 h后，每30 min读一次数，如相邻的读数相差<0.1 mm时可判定本级荷载已稳定。

（3）试验时如果荷载沉降值没有达到稳定状态，不可以进行下一级荷载的加载。

2.3 终止加载条件

（1）在试验时，如果总位移量已经超过了40 mm，或者本级荷载的沉降量已经超过了上一级荷载沉降量的5倍还没有稳定，这时可以终止加载，取上一级荷载作为极限荷载。

（2）在试验时，如果总位移量已经超过了40 mm，而且本级荷载加载过后24 h桩基沉降还没有稳定，这时可以终止加载，取上一级荷载作为极限荷载。

（3）如果总位移<40 mm，但是加载的荷载值已经达到了荷载箱设计的极限荷载，可以终止加载。

3 试验结果分析

3.1 桩身轴力分析

由桩身预埋的钢筋计测出应变量，根据应变量可以确定各个截面的轴力，计算公式如下[6]：

F=K（f2-f20）（1）

式中：F——钢筋计所受的力（kN）;

K——钢筋计标定系数;

f——钢筋计在某级荷载下的读数（Hz）;

f0——钢筋计的初始频率读数（Hz）。

由于钢筋的轴力和应变是一一对应的，知道了钢筋的应变，就可以求出各个截面的轴向力，具体公式如下：

εc=εs（2）

σc=εcEc（3）4B4B2C53-3603-4BBD-9438-556F2FA071AE

σs=εsEs（4）

Pz=σsAs+νσcAc（5）

式中：

εc——某级荷载下桩身截面由混凝土产生的应变量;

εs——钢筋计的应变量;

σc——某级荷载下桩身截面由混凝土产生的应力值（kN/m2）;

σs——某级荷载下由钢筋产生的应力值（kN/m2）;

ν——混凝土塑性系数;

Ec——混凝土的弹性模量（kN/m2）;

Es——钢筋的弹性模量（kN/m2）;

Ac——桩身截面上混凝土的净面积（m2）;

As——桩身截面上纵向钢筋的总面积（m2）;

Pz——某级荷载下桩身某截面轴向力（kN）。

由以上公式求得在每一级荷载下各土层的桩身轴力。绘制轴力沿桩长的分布曲线，如图3、图4所示。

从图3和图4可知，在同一层土中，桩身的轴力随着荷载等级的增大而逐渐增大。在同级荷载下轴力的分布规律是在荷载箱处最大，并沿着土层逐渐减小。在图3中标高为0.21～1.19 m段和图4中标高为-0.29～1.17 m段桩身轴力增长较缓慢，说明处于淤积区的桩身摩阻力几乎不发挥承载作用。

3.2 桩侧摩阻力分析

试桩各土层的侧摩阻力可以由试桩各土层的桩身轴力实测值计算求得，根据各土层的静力平衡条件，按以下公式求得[6]：

qs=ΔPZΔF（6）

式中：qs——桩周各土层的实测摩阻力（kN/ m2）;

ΔPZ——桩身各截面之间轴向力PZ的差值（kN）;

ΔF——桩身各截面之间桩段侧表面积（m2）。

按照式（6）以及上述原理求得桩身各层的侧摩阻力如图5和图6所示。

由图5和图6可以得到桩身的侧摩阻力分布规律：随着荷载等级的增加，在同一层土中，侧摩阻力也随之增大。淤积土层的摩阻力很小，几乎不发挥承载能力，仅占总侧摩阻力承载的3%～5%。图5和图6的第二层和第四层侧摩阻力较大是因为这两层的土质相比于其他土质所能发挥的承载作用更大。

3.3 桩端阻力分析

为了获得实测的桩端阻力值，在桩端放置两个压力盒，根据压力盒的应变实测值，利用相关公式进行换算得到桩端阻力。具体的桩端阻力换算公式如下[7]：

Pn=Kε（7）

qp=PnA0（8）

式中：qp——桩底单位面积下的桩端阻力（kN/m2）;

Pn——计算得到的桩端竖向力（kN）;

A0——桩端的桩体面积（m2）;

K——标定系数。

桩端的阻力分布规律见下页图7和图8。

由图7和图8可知：当刚开始加载时，桩端阻力很小，由桩侧的摩阻力担当主要的承载任务，也可以看出桩侧摩阻力是先于桩端阻力发挥作用的。随着荷载的增大，桩侧摩阻力与桩端阻力开始同时发挥作用，表现出来的是随着荷载的增大，桩端阻力也增大。从图7～8的曲线也可以明显地看出，在由桩侧摩阻力承担承载作用时，桩端阻力较小，当二者共同承担承载作用时，桩端阻力逐渐增加。

3.4 极限承载力分析

将试桩自平衡试验得到的结果，按照规范要求转换为传统静载荷试验的等效桩顶荷载-沉降曲线，得到试桩等效桩顶荷载-沉降曲线[8]。2-1#桩的P-S曲线如图9所示，5-2#桩的P-S曲线如图10所示。

总体上来看，两根桩的P-S曲线都是缓变型曲线，加载到荷载设计值时，2-1#试桩的最大位移值为15.45 mm，5-2#试桩的最大位移值为17.32 mm，均满足终止加载条件。

试桩的承载特性见表3。

由图9～10和表3可知该桥的两根试桩均达到设计要求。承载特性为：2-1#试桩和5-2#试桩的总侧摩阻力分别为桩承载力的85.3%和83.8%，桩端阻力分别为总承载力的14.7%和16.2%。

4 结语

通过对该桥两根工程桩的现场测试可以得到如下结论：

（1）在同一层土中，随着荷载等级的逐级增大，桩身的轴力也随着增大。而在同一级荷载中，轴力最大是在荷载箱的位置，而且沿着土层分別向上向下逐渐减小。处于淤积区的桩段轴力变化很小，说明处于淤积区的桩身摩阻力几乎发挥不了承载作用。

（2）现场实测得到的桩身侧摩阻力的分布规律是随着荷载的逐渐增大，在同一层土中，侧摩阻力也随着增大。淤积土层的侧摩阻力很小，几乎发挥不了承载能力，仅占总侧摩阻力承载的3%～5%。

（3）当施加的荷载较小时，荷载全部由桩基的侧摩阻力承担，当荷载增大到一定程度时，桩基的侧摩阻力和桩端阻力共同发挥作用，说明桩侧摩阻力先于桩端阻力发挥承载作用。

（4）该桥的两根试桩均达到设计要求。承载特性为：2-1#试桩和5-2#试桩的总侧摩阻力分别为桩承载力的85.3%和83.8%，桩端阻力分别为桩承载力的14.7%和16.2%，说明在整个过程中桩侧摩阻力提供主要的反力。

参考文献：

[1]任国杰.西咸机场高速桩端后压浆技术对桩基承载力影响的试验研究[J].中外公路，2014，34（5）：210-217.

[2]冯忠居.滇西红层区大直径桥梁桩基承载力影响因素综合研究[J].岩土工程学报，2005，27（5）：540-544.

[3]程宝辉.基桩竖向承载能力的自平衡试桩法理论研究[D].武汉：武汉理工大学，2003.

[4]戚元博.砂土长桩自平衡法试验与研究[D].哈尔滨：东北林业大学，2013.

[5]叶小盛.顾乡堤大桥桩基承载力试验综合研究[D].大连：大连海事大学，2014.

[6]冯少君.自平衡法单桩静载荷试验研究及应用[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2017.

[7]黄志霜.桥梁桩基竖向承载能力测试及桩土相互作用的数值模拟分析[D].成都：西南交通大学，2017.

[8]董晓明.基于黄土非均匀湿陷变形的桥梁群桩基础承载特性研究[D].西安：长安大学，2013.4B4B2C53-3603-4BBD-9438-556F2FA071AE