特大桥临时支墩承压静载实验监控要点

PAGE161工程概况XX特大桥钢桁梁采用钢管桩临时支墩配合对称悬拼的架设方案，钢管桩采用螺旋焊钢管，根据各临时墩设计承载力的大小，钢管桩尺寸从φ610×10、φ1220×10到φ1420×10不等，各钢管桩设计参数如表1所示。两边跨分别搭设5个临时支墩用于边跨钢桁梁的拼装，两主跨跨中搭设两个临时支墩作为合龙段钢桁梁支撑及调整的反力结构（考虑到抗风的稳定性要求，厦门侧主跨增加一个临时支墩g），全桥共采用15个临时支墩。图1钢桁梁悬拼架设示意图目前厦门侧边跨临时支墩已经施工完毕，厦门侧中跨f号临时支墩（靠近72号主墩）大部分钢管桩入土深度超过了25m（设计入土深度27m），另有一根钢管桩入土深度22m，且使用目前的振动打桩锤无法将其进一步打入地基。由于钢管桩的竖向承载力与其入土深度有直接的关系，即入土深度越大，其承载力越大，在钢管桩入土深度没有达到设计要求的情况下，其承载力没有保证，因此建议选取f号临时墩部分钢管桩进行静载试验以测试其竖向承载力。图2f号临时墩钢管桩编号及实际入土深度表1各钢管桩设计参数墩号abcdef(厦门侧)f(深圳侧)hf’(厦门侧)f’(深圳侧)e’d’c’b’a’钢管桩型号(mm)螺旋焊φ610×10螺旋焊φ610×10螺旋焊φ1220×10螺旋焊φ1210×10螺旋焊φ1420×10螺旋焊φ1220×10螺旋焊φ1220×10螺旋焊φ1220×10螺旋焊φ1220×10螺旋焊φ1220×10螺旋焊φ1420×10螺旋焊φ1420×10螺旋焊φ1220×10螺旋焊φ610×10螺旋焊φ610×10钢管桩入土深度(m)272734273426262732323938412326单根钢管桩长度(m)68.468.978.471.680.0873.173.275.280.080.084.883.08565.968.4每个临时墩钢管桩数444446646644444每个横断面临时墩个数222222222222222钢管桩总重量(kg)81836.781005.3187470.0171210.0223215.4262195.1262554.0179818.2286944.0286994.0236239.2231169.0203252.078273.481242.8每侧墩顶受力(t)1281474916776894863424404814866896774911471282试验的必要性、内容及依据2.1试验的必要性临时支墩对于XX特大桥钢桁梁的拼装来说是一个特别重要的临时构件，它起到支撑钢桁梁自重以及悬拼吊机等临时荷载的作用。在钢桁梁架设的过程中，随着上部结构重量的逐渐增大，临时墩上的反力也越来越大，因此临时墩必须具备一定的承载力才能保证钢桁梁拼装过程中的稳定和安全。钢管桩的型号、尺寸、入土深度等参数是根据临时墩的施工反力以及地质勘察情况来设计的，设计所参照的地质状况可能与实际情况有些差别，导致钢管桩的实际承载力与设计值有出入。根据《建筑桩基技术规范》以及《XX特大桥钢桁梁悬拼施工临时墩设计图》的要求，应对钢管桩进行单桩承载力试验。另外，就f号临时支墩的施工情况来看，有一根钢管桩入土深度22m，其他钢管桩的入土深度都超过了25m，但是尚未达到设计的27m。因此，钢管桩的承载力就更加不明确，所以有必要依据相关规范选取部分钢管桩进行试验，测试其竖向承载力，以确保钢桁梁架设过程中的安全。2.2试验内容本次试验目的是测试钢管桩的竖向承载力。其加载方法、加载步骤和试验结果分析都按照相关规范的要求来进行，主要包括如下内容：(1)根据临时墩施工情况选择合适的钢管桩作为本次试验对象；(2)根据现场条件设计合理的加载反力装置；(3)待试验准备工作完成后进行现场加载并测试沉降量；(4)根据试验结果分析试验钢管桩的承载力。2.3试验依据《建筑桩基技术规范》(JGJ94-94)《建筑地基基础设计规范》(GB50007-2002)《钢结构设计规范》(GB50017-2003)《铁路桥涵施工规范》(TB10203-2002)《建筑桩基检测技术规范》(JGJ106-2003)《XX特大桥施工计算书》《XX特大桥钢桁梁悬拼施工临时墩设计图》3试验方案3.1加载反力装置对于单桩竖向抗压静载试验，工程上常采用的加载装置有：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、地锚反力装置。由于XX特大桥临时支墩是在水中作业，如果采用压重平台反力装置，则需要额外搭设支护系统来构建庞大的压重平台，施工难度会加大，而且大大增加了成本。若采用锚桩横梁反力装置，则对锚桩的抗拔承载力有较高的要求，根据《XX特大桥钢桁梁悬拼施工临时墩设计图》和《XX特大桥施工计算书》对钢管桩的设计验算来看，由于钢管桩实际入土深度没有达到设计要求，其抗拔承载能力的安全系数比较低。综合考虑钢管桩的设计参数及现场条件之后，决定采用锚桩压重反力联合装置进行加载。选取f号临时墩下游侧20号钢管桩为试验对象。加载反力装置示意图如下图3所示，详细构造图见附件1。图3加载反力装置示意图加载原理：选取纵桥向的三根钢管桩搭设加载反力装置，中间的钢管桩作为试验桩，两边为辅助桩提供抗拔的反力。将两个辅助桩加高并用钢梁连接起来，钢梁上面堆载重物，千斤顶置于试验桩和钢横梁之间，通过千斤顶顶推产生的反力来实现对试验桩加载。千斤顶和油泵事先标定好，这样可以对试验所施加的荷载大小、速度进行控制。本加载装置的特点：①采取压重和抗拔桩联合作用可满足本次试验的加载的要求；②压重材料可就地取材选用已经加工好的工字钢，钢材密度大、强度高，可以减小试验装置的空间，而且增加了稳定性。③辅助抗拔桩直接利用已经振打完毕的工程桩，无需额外搭设临时构件，从而减小施工难度，节约施工时间，并大大降低了试验成本；④加载方便、快捷、可操作性强。3.2加载装置验算试验桩最大加载量为200吨，初步计划堆载60吨重物，其余的140吨反力则由两根辅助桩提供。辅助桩抗拔承载力计算:根据《建筑桩基技术规范》第5.2.18.2条计算公式，基桩抗拔极限承载力按下式计算：Uk=1uqsikli式中：1为抗拔系数，根据规范取0.77；u为桩身周长，u=πd=π×1.22=3.83m；qsik为桩侧表面第i层土的抗压极限侧阻力标准值，根据相关规范取值；21号桩入土深度最浅，为受力最不利桩，将各设计参数代入公式可得：Uk=0.77×3.83×(5×9.56+44×6.25+16×6.2)=1245KNUk=1245KN大于实际加载时每根钢管桩的最大上拔力700KN，满足要求。设计资料a.基桩设计参数 成桩工艺:钢管桩 承载力设计参数取值:人工填写 孔口标高0.00m 桩顶标高0.00m 桩身设计直径:d=1.22m 桩身长度:l=27.00m 桩尖端部构造形式:敞口b.岩土设计参数层号土层名称层厚(m)层底埋深(m)极限侧阻力qsik(kPa)极限端阻力qpk(kPa)1淤泥质土9.569.56502中砂6.2515.814403粘性土8.6124.421610004粗砂14.3938.815640003．计算参数表土层计算厚度li(m)极限侧阻力qsik(kPa)极限端阻力qpk(kPa)19.565026.2544038.6116100042.58564000连接两根辅助桩的主横梁是整个结构受力的最重要的构件。千斤顶对主横梁的顶推力通过次横梁转换为对称的两部分（最大按70吨计算），这样可以大大降低了主横梁的跨中弯矩。主横梁整体受力明确，可直接验算其强度，其结构计算简图如下图4所示。图4主横梁结构计算简图主横梁采用3×焊接工500(440×16+350×30)，计算参数如下：，，，最大剪力：最大弯矩：最大弯曲应力：最大剪应力：主横梁强度满足要求。

整体有限元计算:此外，利用ANSYS程序建立了加载装置的有限元模型（下图5所示），来模拟主要部位的受力情况，通过对计算结果进行分析，判断其中受力较为不利的部位，并对加载装置细部构造进行修改，从而指导设计工作。图5有限元模型下图6是最大加载等级时结构的变形图，从图中可以看出，主横梁向上弯曲变形，在跨中处达到最大值（竖向位移5.5mm）。图6结构变形图下图7是结构的整体应力图，从图中可以看出，结构中绝大部分应力小于100MPa，符合材料的受力要求。受到主梁向上弯曲变形的影响，桩顶盖板与钢管桩靠近内侧的连接部位拉应力较大。图8是放大后的局部应力图，从图中可以看出，加劲钢板与钢管桩连接处应力集中现象比较明显，此处受力较为不利，设计时参考了模型的计算结果，对此处的加劲钢板进行了加密、加厚。图7结构整体应力图图8局部应力图3.3加载、卸载方式根据《建筑桩基技术规范》的要求，单桩静载试验宜采用维持荷载法进行逐级等量加载。利用千斤顶加载前先将压重钢材堆放至加载装置上，其摆放位置及顺序见附件2。本次试验加载等级共分为九级，其中第一级加载40吨，以后每级按照20吨增加一直到试验最大荷载200吨，具体步骤为：0→40吨(加载)→60吨(加载)→80吨(加载)→100吨(加载)→120吨(加载)→140吨(加载)→160吨(加载)→180吨(加载)→200吨(加载)→160吨(卸载)→120吨(卸载)→80吨(卸载)→40吨(卸载)→0。加载及卸载步骤遵照如下主要原则：1、每级荷载维持时间为1h，是否延长维持荷载时间应根据桩顶沉降收敛情况确定。2、当桩顶沉降速率达到相对稳定标准时，再施加下一级荷载。3、卸载同样分级进行，每级卸载量取加载时分级荷载的2倍，逐级等量卸载。4、加、卸载时应使荷载传递均匀、连续、无冲击，每级荷载在维持过程中的变化幅度不得超过分级荷载的±10%。在每级加载、卸载完毕后的持载过程中，对试验桩及辅助桩进行沉降观测，记录相关数据。3.4注意事项①加载装置中的主横梁、次横梁及垫梁的材料选取必须保证焊接工字钢表面的平整度，以达到三根工字钢均匀受力的效果，避免加载时单根受力过大导致结构失稳破坏。②加载装置的制作应严格按照设计图上的要求进行，特别注意各焊接部位要保证焊缝的质量符合要求。③加载装置的制作在水上作业，注意施工安全④加载时，千斤顶必须对准上下工字钢中心部位，避免结构偏载受力。⑤当加载吨位较大时，现场技术人员应注意观察加载装置的关键部位（如主梁与桩顶盖板连接处、盖板与钢管桩连接处等）有无焊缝开裂或者出现严重变形，如有上述情况发生，应立即停止加载，防止局部受力过大导致结构发生破坏。⑥在每级加、卸载过程中，观测并记录桩顶沉降量，当出现下列情况之一时，可终止加载：Ⅰ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。注：当桩顶沉降能相对稳定且总沉降量小于40mm时，宜加载至桩顶总沉降量超过40mm。Ⅱ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尚未达到相对稳定标准。Ⅲ已达到设计要求的最大加载量。Ⅳ当荷载沉降曲线呈缓变型时，可加载至桩顶总沉降量60～80mm；在特殊情况下，可根据具体要求加载至桩顶累计沉降量超过80mm。3.5人员安排表2试验人员统计表岗位工作职责总指挥把握进度、下达控制指令千斤顶操作员千斤顶油压控制应力测试员及时测试应力结果，把握进展动态位移测试员千分表读数及水准仪读数，把握进展动态工人A全程协助工人B全程协助3.6试验仪器设备及材料试验用到的仪器设备有：1、顶推式千斤顶；2、油泵；3、精密水准仪；4、大量程百分表；5、BGK-4000振弦式应变计；6、BGK-408振弦式频率仪。试验所需材料统计见下表3。

表3材料统计表名称截面形式长度(m)数量(根)备注主横梁3×焊接工500(440×16+350×30)9.421+（3）必须保证三根工字钢表面的焊接平整度，其中括号内三根试堆后再定次横梁