祊河大桥的21900KN桩基静载试验研究.doc

临沂祊河桥21900kN基桩静载试验研究摘要： 蒙山大道祊河大桥主桥结构为五跨异性拱连续梁桥，是目前全国最大跨度的异型拱桥。主墩基桩极限承载力21900kN，通过静载荷试验，确定了设计参数的合理性及施工工艺的可行性, 大吨位静载试验的圆满成功，对今后的大吨位静载试验具有一定的指导意义。关键词：异性拱连续梁、 钻孔灌注桩、大吨位、 静载试验一、静载试验基本理论桩基静载测试技术是随着桩基础在建筑和桥梁工程中的广泛使用发展起来的，桩基静载试验是目前获得桩基极限承载力最为准确、可靠的检验方法。桩基测试技术理论的发展促进了桩土荷载传递机理理论的研究。 单桩竖向抗压极限承载力是指在竖向荷载作用下到达破坏状态前或出现不适于继续承载的变形所对应的最大荷载，由二个因素决定：一是基桩本身的材料强度，即桩在轴向受压、偏心受压或在桩身压曲的情况下，结构强度的破坏；二是地基土对桩的极限支承能力 。通常情况下第二种因素是决定单桩极限承载力的主要因素。在竖向受压荷载作用下，桩顶荷载由桩侧摩阻力和桩端阻力承担，侧阻力和端阻力的发挥是不同步的，桩侧阻力先发挥，先到达极限，端阻力后发挥，后达到极限，二者的发挥反映了桩土体系荷载的传递过程。在桩顶受压初始阶段，桩身上部受到压缩，桩土产生相对位移，荷载由桩已发挥出来的侧阻力承担，并以剪应力形式传递给桩周土体，随荷载的增大，桩身压缩量和位移增加，桩侧摩阻力由上至下逐步被发挥出来，达到极限后，继续增加的荷载由桩端土阻力承担，桩端阻力达到极限后，位移迅速增大而破坏。此时桩受到的荷载就是桩的极限承载力。端阻力的破坏模式分为三种，整体剪切破坏、局部剪切破坏和冲入剪切破坏，主要由桩端土层和桩端上覆土层性质决定。当桩端土层密实度好、上覆土层较松软，桩不太长时，端阻一般呈现为整体剪切破坏，当上覆土层密实度好时，呈现局部剪切破坏。当桩端密实度差或存在软弱土层时，可能发生冲剪破坏。单桩竖向静载试验就是以一固定时间段的沉降量作为稳定标准，通过施加不同大小的荷载，测读桩身的沉降量，从而得出荷载与沉降量的关系曲线，通过试验数据的判读来确定桩的承载力大小。按试验数据的数学特征来确定Qs曲线上的屈服荷载，其解法如下：A 求某级荷载Q下的Qs曲线斜率KB 求K的二阶导数C 绘制折线连接图，在此图上，每级荷载的数学特征极为明显，如图1所示，B的荷载接近SlgQ曲线的极限荷载Qu，而峰值A的荷载相应于QS曲线上的屈服荷载Qy。图1 法单桩竖向抗压极限承载力的确定：建筑桩基检测技术规范（JGJ106-2003）规定 1、根据沉降随荷载变化的特征确定：对于陡降型Qs曲线，取其发生明显陡降的起始点对应的荷载值。 2、根据沉降随时间变化的特征确定： 取s-lgt曲线尾部出现明显向下弯曲的前一级荷载值。 3、对于缓变型Qs曲线可根据沉降量确定，可取s40mm对应的荷载值当桩长大于40米时，宜考虑桩身弹性压缩量，对于直径大于或等于800mm的桩，可取s=0.05D（D为桩端直径)4、达到设计要求的最大加载量，按上述方法判定桩的竖向抗压承载力未达到极限时，取最大试验荷载。二、工程概述蒙山大道是临沂市一条重要的南北向城市主干路，南起沂河路，北至双岭路，道路红线宽度为60米。蒙山大道祊河大桥工程是蒙山大道向北延伸跨祊河的重要环节，是联系兰山片区和南坊片区的有一条重要通道。 主桥结构为五跨异性拱连续梁桥，引桥为30米简支T梁。桥梁总长520米，跨径组合230+55+100+120+100+55+30米。双向六车道。桥梁设计荷载：城A级。是目前全国最大跨度的异型拱桥。 桥位处地质情况在钻探所达深度范围内，上覆人工填土，以下为第四系冲积亚粘土、中粗砂、粘土，下伏基岩。大桥中段和北段处基岩为奥陶系石灰岩，弱风化石灰岩为桩端持力层。结合场地实际情况，祊河大桥基础采用嵌岩钻孔灌注桩。为验证单桩承载力是否满足设计要求，根据祊河大桥桥位处地质特点和设计要求选取6#墩155#桩进行静载试验。 试验桩基本情况6#墩采用墙式墩，主墩承台厚度为3.5米，宽13.7米，长50.9米，下设35根1500mm钻孔灌注桩，梅花形布置。6#墩155#桩长20.0米，设计混凝土强度C30，单桩竖向抗压极限承载力为21900kN。 超大吨位、大吨位桩基静载试验具有操作难度大、投入资金大、责任风险大、技术难度高等特点，经现场考察详细计算论证，确定了最佳检测方案，加大反力装置平台(1212m),静载试验过程中承重地基处理、选用全自动桩基静载荷测试分析仪等等， 保证了检测工作的顺利进行，提高了检测精度。三、大吨位静载试验前期准备工作： 1、反力装置的选择静载试验反力装置可根据现场条件选择，主要有压重平台反力装置、锚桩横梁反力装置、锚桩压重联合反力装置三种模式a) 压重平台反力装置压重平台反力装置就是在桩顶使用钢梁设置一承重平台，上堆重物，依靠放在桩头上的千斤顶将平台逐步顶起，从而将力施加到桩身。反力装置的主梁可以选用型钢，也可用自行加工的箱梁，平台形状可以根据需要设置为方型或矩形，堆载用的重物可以选用砂袋、混凝土预制块、钢锭、甚至就地取土装袋等。压重平台反力装置使用广泛，适合于不同荷载量的试验，以及用于不配筋或少配筋的桩或地基，可对工程桩或地基进行随机抽样检测，承重平台搭建较为简单。压重在试验开始前一次加上，均匀稳固的放置于反力平台上。在大吨位静载试验中堆重物一次性堆放在承重平台上，当压重平台支墩施加于地基土的压应力大于地基土的承载力时，将会造成地基土破坏或明显下沉，导致压重平台倾斜甚至坍塌,仪器设备及试验人员产生危险。若用袋装砂石或场地土等作为堆重物，因上部荷载较大，造成安装时间较长，而且需要进行技术处理，以防鼓凸倒塌。222222桩压重平台反力装置实物图 压重平台反力装置示意图b) 锚桩横梁反力装置锚桩横梁反力装置就是将被测桩周围对称的几根锚桩用锚筋与次梁或主梁连接在一起，依靠桩顶的千斤顶将主梁顶起，由被连接的锚桩提供反力，提供反力的大小由锚桩数量，反力架强度和被连接锚桩的抗拔力决定。锚桩反力梁装置一般不会受现场条件和加载吨位数的限制，当条件允许，采用工程桩作锚桩是最经济的，在试验过程中需要观测锚桩的上拔量。这种装置安装时荷载对中不易控制，试验的开始阶段容易产生过冲，加载时锚筋受力不均衡，因设计、选材或焊接等原因会出现焊接点开裂甚至锚筋被拉断,整个试验不能继续。c) 锚桩压重平台联合反力装置锚桩压重平台联合反力装置就是当试桩的最大加载量超过锚桩的抗拔能力时，在主梁和次梁上配重，由锚桩和重物共同承担千斤顶加载反力。这种装置一般用于能够用工程桩作为锚桩提供反力，但反力不足或保证锚桩不被破坏时采用的一种方法。该方法不但可以减少安装时间，还在一定程度上降低了试验成本；并且由于堆载的作用，锚桩混凝土裂缝的开展及试验开始阶段，加载过冲现象都可以得到有效的控制。采用这种反力装置安装时应注意两点：选用工程桩做锚桩时，若各锚桩的抗拔力不一样时，重物应相对集中在抗拔力较小的锚桩附近；重物和锚桩反力的同步性问题，拉杆应予留足够的空间，保证试验前期锚桩暂不受力，先用重物作为试验荷载，试验后期联合反力装置共同作用。d) 自平衡试验方法 桩承载力自平衡试验方法是大吨位承载力桩基静载试验的一种发展方向，但这种技术方法还刚刚兴起，理论研究还在进行。试验所得到的各种图表数据与传统的试验结果图表还有许多需要对比研究的地方。 根据祊河大桥的实际情况，经过论证和验算，结合试验主梁的现状，选用六根工程桩做锚桩，根据地质资料计算，六根锚桩提供的抗拔力不能满足最大加载要求，需加配重物。选用锚桩压重联合反力装置，由六根锚桩和1500吨钢筋提供反力。155#桩21900kN静载试验示意图2、祊河大桥155#桩静载试验设备的选择 锚桩大梁4片（60t） 工字钢44根基准梁8根 承压板2块630吨分离式油压千斤顶4套精度等级为0.4级耐震精密压力表2块（100MPa） 沉降观测系统: 全自动桩基静载荷测试分析仪该仪器由现场测试仪主机和压力监测系统，位移传感器，自动控制设备及强大的后处理软件构成。位移传感器防水性能良好，针对恶劣的现场条件具有较强的抗干扰性和准确度。试验过程中，按设定的试验步骤自动加载、恒载、卸载，自动记录各项数据，实时显示Q-s，s-LgQ，s-Lgt曲线及所有试验数据，便于试验人员及时了解试验状况，最大限度的减少人为因素的影响，提高了检测数据的准确性。3、桩头处理 大吨位静载试验过程中，桩头部位承受较高的竖向荷载和偏心荷载，为保证不会因桩头破坏而终止试验，桩头应进行加强处理。先凿掉桩顶的松散破碎层及低强度混凝土，露出主筋，冲洗干净桩头再浇筑桩帽。 a) 桩帽顶面应水平、平整、桩帽中轴线与原桩身上部的中轴线严格对中，桩帽面积大于或等于原桩身截面积。b) 桩帽主筋应全部直通至桩帽混凝土保护层以下。c) 距桩顶1倍桩径范围内，用35mm厚的钢板围裹，或距桩顶1.5倍桩径范围内设置箍筋，间距不宜大于150mm，桩帽设置钢筋网片35层，间距80150mm。d) 桩帽混凝土强度等级比桩身混凝土提高12级，且不得低于C30。 4、承重墙制作及地基处理 距试验桩中心3.1m对称开挖两槽，以承重墙底标高为基准下挖1.0米左右，挖去流沙层，槽宽2.5米。槽长12.5米，然后用碎石分层回填夯实至桩顶标高。在回填的碎石上砌承重墙，承重墙底标高以155#试桩的桩帽顶面为基准，对称砌墙，墙长12.0米，宽2.0米，高2.85米。主梁承台2个：22m 砌体，高度比试验桩顶高90cm。砌体地基需换填处理。5、设备安装a) 锚桩压重反力装置的安装锚桩压重联合反力装置在安装过程中存在一个安装对称问题，如果反力作用点偏离了桩头的中心位置，可能造成压重平台一端被顶起，荷载试验无法施加到试桩极限值，或锚桩受力不均，锚筋被拉断甚至锚桩被破坏，使试验无法进行下去。反力装置提供的反力重心能否作用于桩顶的中心，是静载试验能否顺利进行最主要的条件。在锚桩压重联合反力装置安装过程中应做到以下几点：锚桩对称分布在试验桩周围；压重平台的中心与试验桩桩头中心一致，重物的中心与压重平台的中心一致。155#桩静载试验设备安装示意图祊河大桥155#桩静载试验实物图b) 基准梁布置原则 基准梁应具有一定的刚度，基准梁一端固定在基准桩上，另一端简支于基准桩上，减少温度变化引起的基准梁挠曲变形。采取有效防护措施，避免基准梁和固定位移传感器的夹具产生振动及其他外界因素的影响。试桩、锚桩和基准桩之间的中心距离可参考下表：反力装置试桩与锚桩中心(压重平台支墩边)试桩与基准桩中心基准桩与锚桩中心(压重平台支墩边)锚桩横梁4（3）d且2.0m4（3）d且2.0m4（3）d且2.0m压重平台4d且2.0m4d且2.0m4d且2.0m地锚装置4d且2.0m4d且2.0m4d且2.0m注：d 试桩或锚桩的设计直径，取其较大者(如试桩或锚桩为扩底桩时，试桩与锚桩的中心距不应小于2倍扩大端直径)。四、试验检测 1、本次试验采用慢速维持荷载法 试桩的最大预估极限承载力为21900kN，分级加载，分级载荷为预估极限承载力的1/10,第一级荷载为分级荷载的2倍。 每加一级荷载施加后，按第5、15、30、45、60min测读桩顶沉降量，以后隔30min测读一次。 当桩顶沉降速率达到相对稳定标准时，施加下一级荷载。相对稳定标准：从分级载荷施加后第30min开始，每一小时内的桩顶沉降量不超过0.1mm，并连续出现两次。 卸载按分级进行，每级卸载量为分级加载量的2倍，每卸一级，维持一小时，测读桩顶沉降量。卸载至零后，测读桩顶残余沉降量，维持3小时。2、当出现下列现象之一时可终止试验 某级荷载作用下，桩顶沉降量大于前一级荷载作用下沉降量的5倍。 某级荷载作用下，桩顶沉降量大于前一级荷载作用下沉降量的2倍，且经24h未达到相对稳定标准。 已达到设计要求的最大加载量。 工程桩做锚桩时，锚桩上拔量已达到允许值。 当荷载-沉降曲线呈缓变型时，可加载至桩的总沉降量60-80mm;在特殊情况下，可根据具体要求加载至桩的累计沉降量超过80mm。 3、试验数据整理及单桩竖向抗压极限承载力的确定 本次静载试验最大试验荷载为21900 kN，将原始记录整理成试验结果汇总表，根据试验所测荷载Q与沉降值S及试验记录的时间t和对应的沉降位移S，绘制Q-s曲线、s-lgt曲线和s-lgQ曲线。 单桩竖向抗压极限承载力的确定本次试验最大加载荷：21900 kN，桩顶最大竖向位移：6.18mm,卸载后最大回弹量1.60mm，回弹率25.89% ，桩-土体系未达破坏。根据建筑桩基检测技术规范（JGJ106-2003）规定，本次试验检测的155#桩，在检测过程中无异常情况发生，Q-s曲线呈缓变型，无明显比例界限；、s-lgt曲线尾部未出现明显向下弯曲；在最大荷载保持至规定时间内，未出现桩土体系破坏现象；桩顶总沉降量未达到40mm。155#桩取最大加载量为竖向抗压极限承载力，155#桩的竖向抗压极限承载力为21900 kN，满足设计承载力要求。附：静载试验结果汇总表及Q-s曲线、s-lgt曲线和s-lgQ曲线图静载荷试验结果汇总表序 号荷 载(kN)历 时 (min)沉 降 (mm)本 级累 计本 级累 计00000.000.00143802102101.591.59265701203300.522.11387601204500.492.604109501205700.473.075131401206900.203.276153301208100.523.797175201209300.744.5381971012010500.495.0292190012011701.166.181017520601230-0.176.011113140601290-0.355.66128760601350-0.045.62134380601410-0.275.351401801590-0.774.58最大沉降量：6.18 mm 最大回弹量：1.60 mm 回弹率：25.89%_0_4380_8760_10950_15330_2190