浅谈大直径桩底注浆及自平衡静载试验

2022-10-23

1 概述

1.1 工程概况

唐山市曹妃甸工业区1#桥位于渤海湾滨海海域, 工程范围北起大桥北岸落地点 (桩号K3+637.917) , 南至大桥南岸落地点 (桩号K5+991.480) , 工程范围长约2.35km, 其中桥梁工程范围长约2.02km。主桥采用跨径为138m+138m的独塔单索面钢箱叠合箱梁斜拉桥, 全长276m, 塔梁分离体系, 扇形索布置, 主塔两侧各16对索。本工程基础均采用钻孔灌注桩。主塔基础采用Φ2.5m钻孔桩基础方案。同时, 由于基础需承受较大的水平力作用, 采用变截面桩, 上节桩 (约40m) 的桩径为Φ3.2m, 以增强其抗弯能力。主桥基础采用桩底后注浆工艺, 提高桩的承载能力。

由于该工程地处渤海湾滨海海域, 施工受潮位、潮流、大风等水文、气象的影响很大, 水中基础不仅要承受上部结构传下来的垂直荷载, 而且还要承受制动力、温度力、船撞力、冰压力、地震力等多种水平荷载及弯矩。因此进行桩基工艺与承载力试验可以为桩基的设计与施工提供重要指标与合理参数, 并将直接关系到桥梁结构的安全和工程造价。

1.2 试桩区地质条件

场地在基底构造上沉积了巨厚的第三系和第四系地层, 新第三系底面标高在-1300m以下, 顶面标高在-300～-600m, 第四系全新统 (Q4) 底标高约在-30m左右, 上更新统 (Q3) 底标高约在-140m, 场地地层主要为第四系海相地层。经本次勘探查明, 在本次最大勘察深度126.3m (孔深自河底面起算) 范围内, 地层自上至下根据土层分布、土性及工程特征可划分为9大层和9个亚层和2个夹层, 其中 (2) 层为全新世Q4沉积层, (3) ～ (9) 层为上更新世Q3沉积层。地层分布相对较均匀, 但埋深及厚度有一定变化。

1.3 试验内容与目的

为了验证设计承载力, 提供各土层及桩端有关参数, 测定基桩沉降和变形, 研究成孔工艺, 评估成桩质量, 特进行基桩静载试验, 主要内容与目的如下。

(1) 通过本次试验提出桩侧的分层极限摩阻力和桩端极限承载力, 验证地质报告提出的相关数据。确定进行试桩的钻孔灌注桩在注浆前、后的单桩极限承载力。为验证、指导大直径钻孔灌注桩的设计提供重要参数。

(2) 通过本次试验对近海处钻孔灌注桩的泥浆级配;水下混凝土级配;成孔、成桩 (清孔、下钢筋笼、二次清孔、灌混凝土) 、后注浆等施工工艺进行专题研究及科学试验与检测分析。为确定合适的施工机具设备, 确定钻孔灌注桩的施工工艺等提供重要的参数。

2 试验依据

(1) 《公路桥涵地基与基础设计规范》

(2) 《公路桥涵施工技术规范》 (JTJ041-2000) 。

(3) 《港口工程桩基规范》 (JTJ254-98) 。

(4) 《建筑桩基技术规范》 (JGJ94-94) 。

(5) 《桩承载力自平衡测试技术规程》 (DB32/T291-1999) 。

(6) 《曹妃甸工业区1#桥工程地质勘察报告》。

3 桩自平衡法承载力测试

3.1 试桩施工要求

试桩严格按设计图纸施工。施工具体步骤如下。

(1) 地面上绑扎和焊接钢筋笼, 由施工单位负责, 测试单位配合, 位移棒外护管、声测管连接用套筒围焊, 确保护管不渗泥浆。

(2) 严格按试桩图纸确定钢筋应变计在主筋上的位置, 钢筋传感器直接绑扎于主筋上, 绑扎过程中注意保护应变计导线, 穿过荷载箱预留孔时, 预留20cm左右的导线于预留孔内。具体由测试单位指导, 施工单位负责安装。

(3) 荷载箱应立放在平整地上, 吊车将上节钢筋笼 (外钢管) 吊起与荷载箱上顶板焊接 (所有主筋围焊, 并确保钢筋笼与荷载箱起吊时不会脱离) 保证钢筋笼与荷载箱在同一水平线上, 再点焊喇叭筋, 喇叭筋上端与主筋, 下端与内圆边缘点焊, 保证荷载箱水平度小于3‰;然后荷载箱下底板与下节钢筋笼连接, 焊接下喇叭筋 (具体要求同上) 。

(4) 试桩混凝土标高同工程桩, 导管通过荷载箱到达桩端浇捣混凝土, 当混凝土接近荷载箱时, 拔导管速度应放慢, 当荷载箱上部混凝土大于2.5m时导管底端方可拔过荷载箱, 浇混凝土至设计桩顶;荷载箱下部混凝土坍落度宜大于220mm, 便于混凝土在荷载箱处上翻。

(5) 埋完荷载箱, 保护油管及钢管封头 (用钢板焊, 防止水泥浆漏入) 。

(6) 灌注混凝土时, 要求制作一定量的混凝土试块, 待测试时作混凝土强度、弹性模量试验。

(7) 布置平衡梁 (基准梁) 。水下试桩时, 基准桩 (采用Φ600钢管桩) 打入土中不少于9m。基准梁一端与基准桩铰接, 另一端与基准桩焊接, 基准梁长度由试桩影响区域确定。

(8) 为尽量减少试桩时外部因素的影响, 测试时搭设了防风蓬架 (保护罩) , 确保测试时仪表不受外界环境的影响。

3.2 现场试验、测试工作

测试方做好测试记录、核对加载吨位, 桩身位移, 钢筋应变计频率数据。在整个测试过程中做好导线保护、仪器设备的防冲击、防振动和免受气候条件的影响措施, 并及时整理、计算出相关数据。

3.3 试验程序

每根试桩埋设两个荷载箱, 将试桩分成3段, 以试桩1为例, 试桩1每段计算承载力如图1所示。考虑压浆后承载力, 上荷载箱设计2×35000kN、下荷载箱设计加载能力为2×15000kN。

(1) 加、卸载分级:试桩每次加载分15级, 卸载分5级进行。

(2) 测试顺序: (1) 压浆前测试:成桩后28天进行压浆前测试。先进行下荷载箱测试 (试桩1预定加载值2×10000kN) , 预计先测出下段桩承载力;然后打开下荷载箱, 进行上荷载箱测试 (试桩1预定加载值2×22000kN, ) , 预计先测出中段桩承载力。然后关闭下荷载箱, 继续进行上荷载箱测试, 最后测出上段桩承载力。 (2) 压浆后测试:试桩测试结束后进行桩端注浆, 20天以后进行压浆后测试。先进行下荷载箱测试 (试桩1预定加载值2×15000kN) , 预计先测出下段桩压浆后承载力;然后打开下荷载箱, 进行上荷载箱测试 (试桩1预定加载值2×30000kN) 预计先测出中段桩压浆后承载力。然后关闭下荷载箱, 继续进行上荷载箱测试, 最后测出上段桩承载力。

3.4 试验数据的分析、整理

(1) 基桩轴向应力测试:为了测定桩身轴向力PZ与钢筋应力计所受力Pi的关系, 假定距荷载箱位置最近的断面为标准断面 (标定断面) , 通过标定断面实测桩身应力—应变关系, 便可计算其它量测断面的桩身轴向力PZ值。由于标定断面距荷载箱位置较近, 因此标定断面上的桩身轴向力近似等于荷载箱处荷载Q。据此便可计算出标定断面处钢筋应力计所受的压应力σg, 同时通过应变采集仪也能实测到钢筋应力计在荷载作用下的压应力σg。

(2) 单桩极限承载力判断标准:实测荷载箱向上 (Q+～s+) 、向下 (Q-～s-) 两条曲线, 根据位移协调原则, 转换成传统桩顶Q～s曲线, 如图2所示, 根据《公路桥涵施工技术规范》 (JTJ041-2000) , 判断试桩极限承载力。

(3) 数据分析整理内容。 (1) 各试桩的P～S曲线的实测数据及加载、卸载曲线。 (2) 各试桩桩侧分层摩阻力和桩尖阻力的分析推荐意见, 并提供各桩轴向力沿桩身分布曲线。 (3) 各试桩的垂直承载力。