1 工程概況
潤(rùn)揚(yáng)長(zhǎng)江公路大橋是江蘇省“四縱四橫四聯(lián)”公路主骨架和南北跨越長(zhǎng)江公路通道的重要組成部分，全長(zhǎng)35.66km。其中跨江主橋工程全長(zhǎng)7.4km，由北引橋、北漢主橋、世業(yè)洲互通立交、南漢主橋、南引橋5個(gè)部分組成。南漢懸索橋主跨1490m。
跨江主橋橋址位于揚(yáng)子板塊，在歷次擠壓褶皺及巖漿活動(dòng)綜合作用下，地質(zhì)情況復(fù)雜。覆蓋層軟土具有觸變性，部分區(qū)域有液化土層分布；基巖構(gòu)造破碎，風(fēng)化程度不均勻；土體及下臥基巖物理力學(xué)指標(biāo)變化較大。
潤(rùn)揚(yáng)長(zhǎng)江公路大橋塔墩基礎(chǔ)為大直徑鉆孔灌注樁，樁基根數(shù)多，為了驗(yàn)證并優(yōu)化樁基設(shè)計(jì)，對(duì)樁基礎(chǔ)進(jìn)行試樁試驗(yàn)，用以研究確定單樁承載力、分層巖土摩擦力、端阻力、樁基沉降、樁彈性壓縮、巖土塑性變形，找出優(yōu)化的樁端持力層、樁長(zhǎng)、樁徑，為設(shè)計(jì)人員優(yōu)化樁基設(shè)計(jì)提供必要依據(jù)。
2 自平衡法試樁原理和方法
2.1 測(cè)試機(jī)理
傳統(tǒng)的樁基荷載試驗(yàn)方法有兩種，一是堆載法，二是錨樁法，都采用油壓千斤頂在樁頂施加荷載，存在的主要問(wèn)題是：前者必須解決幾百噸甚至上千噸荷載的來(lái)源、堆放及運(yùn)輸問(wèn)題，后者必須設(shè)置多根錨樁及反力大梁。這2種方法不僅所需費(fèi)用昂貴，時(shí)間較長(zhǎng)，而且易受噸位和場(chǎng)地條件限制。
為解決以上難題，美國(guó)學(xué)者Osterberg
[1]于20世紀(jì)80年代首先提出了自平衡測(cè)試法，并于80年代中期開(kāi)展了樁承載力自平衡試驗(yàn)方法的研究，首先在橋梁鋼樁中成功應(yīng)用，后來(lái)逐漸推廣至各種樁型。
樁承載力自平衡試驗(yàn)方法是在基樁施工過(guò)程中將荷載箱(主要由活塞、頂蓋、底蓋及箱壁4部分組成)放在樁身指定位置，測(cè)試時(shí)能直觀地反映荷載箱上、下兩段樁各自的承載力。這為我們區(qū)分摩阻力與端阻力的發(fā)揮情況提供了強(qiáng)有力的手段，其測(cè)試機(jī)理如圖1所示。試驗(yàn)時(shí)，從地面給油壓管加壓，隨著壓力的增大，荷載箱將同時(shí)向上、向下發(fā)生變位，自動(dòng)調(diào)整樁側(cè)阻力及樁端阻力，直到破壞。根據(jù)加載及箱體向上、下位移的惟一對(duì)應(yīng)關(guān)系，可以繪出向上、向下Q一S曲線;將上段樁得到的極限抗拔承載力經(jīng)一定處理后轉(zhuǎn)換為極限抗壓承載力，再與下段樁承載力相加即為樁極限承載力。
相對(duì)傳統(tǒng)靜載荷測(cè)試方法，該法有以下特點(diǎn)：
(1)裝置較簡(jiǎn)單，不占用場(chǎng)地，不需運(yùn)人數(shù)百噸或數(shù)千噸物料，不需構(gòu)筑笨重的反力架，試樁準(zhǔn)備工作省時(shí)、省力、安全；
(2)該法利用樁的側(cè)阻與端阻互為反力，因而可清楚地分出側(cè)阻力與端阻力分布和各自的荷載一位移曲線；
(3)試驗(yàn)費(fèi)用省。盡管荷載箱為一次性投人器件，但與傳統(tǒng)方法相比可節(jié)省試驗(yàn)總費(fèi)用的30%-60%，具體比例視樁噸位與地質(zhì)條件而定；
(4)重復(fù)試驗(yàn)方便?？稍诓煌臉抖松疃?雙荷載箱或多荷載箱)和同一樁端深度的不同的時(shí)間(后壓漿試樁效果)在同一根樁上方便地進(jìn)行試驗(yàn)[2]；
(5)在水上試樁，坡場(chǎng)試樁，基坑底試樁，狹窄場(chǎng)地試樁，斜樁，嵌巖樁，抗拔樁等情況下，傳統(tǒng)試樁法難以做到，而自平衡試驗(yàn)方法則具有優(yōu)勢(shì)。
2.2 極限承載力確定
(1) 根據(jù)位移隨荷載的變化特性確定極限承載力：在陡變形Q-S曲線上取曲線發(fā)生明顯陡變的起始點(diǎn)對(duì)應(yīng)的荷載；對(duì)于緩變形Q-S曲線，上段樁極限側(cè)阻力取對(duì)應(yīng)于向上位移S+= 40一60 mm處的荷載，下段樁極限側(cè)阻力取S-=40~60mm處的荷載，或大直徑樁時(shí)S-=(0.03~0.06)D 處對(duì)應(yīng)荷載。
(2) 根據(jù)沉降(S)隨時(shí)間(t)的變化特征確定極限承載力：取S-lgt曲線尾部出現(xiàn)明顯彎曲的前一級(jí)荷載值。
根據(jù)上述準(zhǔn)則，可求得樁上、下段極限承載力實(shí)測(cè)值Qu+、 Qu-。該法測(cè)試時(shí)，荷載箱上部樁身自重方向與樁側(cè)阻力方向一致，故在判定樁側(cè)阻力時(shí)應(yīng)當(dāng)扣除。
2.3 測(cè)試結(jié)果向傳統(tǒng)方法的轉(zhuǎn)換
在樁承載力自平衡測(cè)試法中，可以測(cè)定荷載箱向上、向下的變位量，及樁在不同深度的應(yīng)變或軸力。通過(guò)樁的應(yīng)變和斷面剛度，可以計(jì)算出軸向力分布，進(jìn)而求出不同深度的樁側(cè)摩阻力，利用樁側(cè)摩阻力與變位量的關(guān)系、荷載箱荷載與向下變位量的關(guān)系，通過(guò)荷載傳遞解析方法，可求得等效樁頭荷載對(duì)應(yīng)的荷載一沉降關(guān)系。
在荷載傳遞解析中，做如下假定：
(1) 樁為彈性體；
(2) 可由單元上下兩面的軸向力和平均斷面剛度來(lái)求各單元應(yīng)變；
(3)自平衡測(cè)試法中，樁尖的承載力與沉降量關(guān)系及不同深度的樁側(cè)摩阻力與變位量關(guān)系跟標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)法是相同的。
3 主要試驗(yàn)研究工作
3.1 試樁情況
根據(jù)地質(zhì)構(gòu)造情況，南引橋布置1根擔(dān)φ1.5m試樁(地質(zhì)鉆孔編號(hào)Y48)。南漢橋南塔地質(zhì)情況復(fù)雜，受構(gòu)造塊的影響，基巖裂隙發(fā)育，同時(shí)根據(jù)南漢橋南塔基礎(chǔ)的地質(zhì)情況，樁基礎(chǔ)的彈性壓縮、差異沉降的控制在南塔基礎(chǔ)及塔身設(shè)計(jì)中顯得尤為重要，因此在南漢橋南塔布置1根φ2.8m工程試樁(地質(zhì)鉆孔編號(hào)ZN121)和2根φ1.2m模擬試樁(地質(zhì)鉆孔編號(hào)為ZN36與ZN131)。世業(yè)洲高架橋引橋布置1根中φ1.5m試樁(地質(zhì)鉆孔編號(hào)Y34)北漢橋南塔墩下伏基巖巖性為花崗巖，處于F1夾江斷層與F2斷層交匯部位，巖體破碎，風(fēng)化、蝕變強(qiáng)烈，局部有夾層泥，為構(gòu)造角礫巖。為確保南塔基礎(chǔ)的安全可靠，并符合經(jīng)濟(jì)原則，布置1根擬φ1.5m試樁(地質(zhì)鉆孔編號(hào)Y20)。共進(jìn)行了6根試樁，試樁有關(guān)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。
采用自平衡法試樁對(duì)樁基施工帶來(lái)了一定的困難，因?yàn)殇摻罨\上附加了4~8根鋼管及4~8根位移管，使鋼筋籠下籠時(shí)速度放慢，且樁側(cè)土易于塌孔。因此采取了一系列措施保證了試樁的樁體質(zhì)量。
3.2 試驗(yàn)研究?jī)?nèi)容
(1)復(fù)雜地質(zhì)條件下，大直徑鉆孔樁成孔工藝研究。通過(guò)試樁工藝研究，取得經(jīng)驗(yàn)，確保工程質(zhì)量，提高成樁優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品率，減小風(fēng)險(xiǎn)，避免廢樁、補(bǔ)樁，提高效率。
(2)樁基承載力的測(cè)試通常只是以驗(yàn)證設(shè)計(jì)為目的，鑒于潤(rùn)揚(yáng)公路長(zhǎng)江大橋橋梁長(zhǎng)，樁基數(shù)量大，地質(zhì)情況復(fù)雜，通過(guò)利用自平衡方法做樁基承載力極限試驗(yàn)，以取得準(zhǔn)確的相關(guān)數(shù)據(jù)，達(dá)到確保工程安全可靠、優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的。
(3)研究同一場(chǎng)地大直徑樁與小直徑樁摩阻力及端承力的關(guān)系，進(jìn)而研究小直徑樁靜載荷試驗(yàn)?zāi)M大直徑樁的試樁方法。
(4)對(duì)自平衡法測(cè)試結(jié)果進(jìn)行理論分析，利用測(cè)得的各土層側(cè)摩阻力與相應(yīng)變位的關(guān)系，建立自平衡測(cè)試方法結(jié)果向傳統(tǒng)測(cè)試方法結(jié)果的轉(zhuǎn)換方式，計(jì)算樁基承載力和沉降量。
(5)測(cè)試各土層的極限承載力、樁身軸力，確定該地質(zhì)條件下的荷載傳遞機(jī)理。
(6)研究提出優(yōu)化樁基設(shè)計(jì)方案及大噸位橋梁樁基礎(chǔ)承載力測(cè)試方法和規(guī)程。
本次試樁所測(cè)試的樁基最大承載力達(dá)1200 00kN，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了在此之前國(guó)內(nèi)試驗(yàn)測(cè)試的最大單樁承載力38 000kN。
4 結(jié)語(yǔ)
針對(duì)樁基噸位大、試樁場(chǎng)地特殊等特點(diǎn)，采用自平衡試樁法成功地進(jìn)行潤(rùn)揚(yáng)長(zhǎng)江公路大橋樁基靜載荷測(cè)試，確定了單樁承載力、分層巖土摩擦力、端阻力、樁基沉降、樁彈性壓縮、巖土塑性變形，經(jīng)過(guò)一年多的研究，取得了滿意的階段性成果。
(1)采用自平衡試樁法成功地進(jìn)行了1200 00kN大直徑鉆孔灌注樁靜載荷試驗(yàn)，并配以鋼筋計(jì)測(cè)試元件研究了大直徑鉆孔灌注樁的荷載傳遞機(jī)理及土層摩阻力分布。結(jié)果表明自平衡試樁法試樁能突破常規(guī)法試樁噸位的限制，為以后橋梁超大噸位樁基的測(cè)試提供了有效途徑。
(2)在同一場(chǎng)地、同樣樁長(zhǎng)、同一施工條件下進(jìn)行了大小直徑樁承載力對(duì)比試驗(yàn)，進(jìn)而對(duì)小直徑樁模擬大直徑樁的試樁效果進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，大小直徑樁不僅側(cè)摩阻力存在尺寸效應(yīng)，而且端阻力亦存在尺寸效應(yīng)，因而模擬試樁應(yīng)該考慮尺寸效應(yīng)的影響。
(3)對(duì)自平衡法測(cè)試結(jié)果進(jìn)行理論分析，利用測(cè)得的各土層側(cè)摩阻力與相應(yīng)變位的關(guān)系，建立了自平衡測(cè)試方法結(jié)果向傳統(tǒng)測(cè)試方法結(jié)果的簡(jiǎn)化和精確轉(zhuǎn)換方法，計(jì)算出樁基承載力和沉降量。結(jié)果表明，簡(jiǎn)化轉(zhuǎn)換法和精確轉(zhuǎn)換法較為接近，在同一荷載水平下，簡(jiǎn)化轉(zhuǎn)換法對(duì)應(yīng)的沉降稍大于精確轉(zhuǎn)換法對(duì)應(yīng)的沉降。工程實(shí)踐中采用簡(jiǎn)化轉(zhuǎn)換法是安全適用的。
(4)南漢橋南塔3根嵌巖樁研究結(jié)果表明，樁嵌巖段總阻力與樁頂荷載的比值隨著樁頂荷載的增加而增加，樁側(cè)土層總阻力所占比例越來(lái)越小，但是，到加載最大值時(shí)，嵌巖段總阻力所占比例僅為53.60%~70.40%，因此，規(guī)范設(shè)計(jì)時(shí)僅考慮嵌巖段急阻力是不夠的，低估了嵌巖樁的承載能力。
參考文獻(xiàn)：
1 Osterberg J. New device for load testing driven piles and drilled shaft separates friction and end bearing. Piling andDeepF oundations,1989
2 李增選，張瑩。靜動(dòng)試樁法及其應(yīng)用.同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)，2000(1)
