改進高應變法的橋梁基樁承載力檢測研究

黃健鋒

（清遠市建設工程質量檢測站有限公司）

橋梁基樁結構是軟土地區建筑物和構筑物常用的基礎結構，將結構荷載通過基樁有效傳遞到地基深層位置，以此滿足建筑結構的合理變形以及合理沉降要求。當前我國工程建設得到了十分快速的發展，在橋梁、高層建筑、大型廠房等建筑結構建設中，普遍采用了基樁結構[1]。在高等級公路工程中，每年要建造數以千計的橋梁，為了保證地基的承載力，必須采取深地基作為一種最常見的地基形式?；鶚兜淖饔檬菍⑸蠈咏Y構的荷載轉移到深層穩定的巖土地基中，使地基承載力得到極大地改善，地基的沉陷也得到了較好的保護[2]。但由于橋梁基樁造價成本相對較高，通產會占據整個橋梁施工總成本的1/4以上，并且該結構通常設置在地下或水中，屬于典型的隱蔽性工程。在實際施工中存在工程繁瑣、技術要求高、施工難度大等問題[3]。除此之外，橋梁基樁通常都是大直徑長樁結構，并且分布較為反分散，各個樁結構所在的工程地質條件變化差異較大，現場施工場地、設備等都會對其造成不同程度的限制，因此無法充分發揮基樁的作用，同時還會造成整個橋梁施工效率的降低。針對這一問題，為向橋梁基樁施工提供新思路，引入高應變法，開展對橋梁基樁承載力檢測方法的設計研究。

1 工程概況

以某橋梁建設項目為例，已知該橋梁項目采用了機械鉆孔灌注樁，其設計樁數為30 個，樁徑為1600mm，樁長22m?；鶚兜某休d力參數對橋梁的影響很大，必須通過測量得到的相關資料，以確定單樁的極限承載力是否符合設計要求，以便為地基的驗收工作提供參考[4]。針對該建設項目所在位置進行地質勘察，并得到如表1所示的土層情況記錄表。

表1 橋梁建設項目所在地區土層情況

該橋梁擬建橋梁建設位置以松散巖型孔隙潛水和破碎巖孔隙裂縫承壓水為主，許多砂體與地面潛流直接連通，水力關系十分緊密。根據現場鉆探現場的實測結果，其壓力水頭與潛水高度基本一致，不會因承壓水的存在而影響到鉆孔灌注樁的施工。地下水與地表水的水力關系十分緊密，一般都是從地下排入河流[5,6]。通過抽水實驗，采用相關公式進行計算，得出了卵石層的平均滲透率。通過對水質的分析，得出了地下水不會腐蝕混凝土的結論。

2 檢測設備與方法

2.1檢測設備選型

在明確該橋梁建設項目基本概況后，為實現對其基樁承載力的檢測，在檢測前還需要準備的檢測設備包括：重錘、荷載箱、基樁靜載儀、基樁高應變承載力檢測儀器等。針對橋梁基樁承載力檢測，首選柴油錘，這一類型重錘與其他類型相比更加便于操作[7,8]。在沒有柴油錘的情況下，也可根據實際情況選擇5T 規格的方錘激振，對于灌注樁設計容許值小于5000kN 的應當使用10T 規格的重錘激振。根據工程項目中基樁設置的實際地質情況以及磁刺激檢測的目的，在遵循荷載箱上下段樁身反力平衡的原則基礎上，設計荷載箱的放置位置，如圖1所示。

圖1 檢測過程中荷載箱放置位置示意圖

圖1 中（a）表示按力平衡原理，將荷載箱置于樁體內一定的位置，在樁頂阻力與樁端阻力之和達到極限時，荷載箱上段的樁側阻也會達到極限，兩者相加，即可求得樁的極限承載力；（b）所表示的放置方式可用于測試嵌巖樁嵌巖部分的側向阻力和樁端阻力之和。如果仍然需要測量土體的極限側阻，可以在嵌巖段的試驗結束后進行樁周段的混凝土，等到混凝土強度達到一定程度后，才能進行試樁[9]；（c）所表示的放置方式應用于大頭樁、或當樁端阻力比樁側阻小的情況，需要測量樁側阻的極限時，應加大樁底，并將荷載容器置于擴大頭上。

在完成對荷載箱的設置后，再對基樁靜載儀進行選型。選用PDS-JY464型號基樁靜載儀，該型號基樁靜載儀重量為1.4kg，電壓為380/220V，分辨率為0.01mm，準確度為0.01%，測量范圍在0～9999KN 之間，可實現遠程顯示[10]。該型號基樁靜載儀可實現無線遠程操控，控制距離超過1000m，并且能夠保證信號的安全和穩定。針對檢測過程中所需的基樁高應變承載力檢測儀器，選用RSM-PDT870型號，該型號基樁高應變承載力檢測儀器存儲為16G 電子硬盤；采樣間隔為50μs～500μs 分檔可調；采集模式為兩道加速度+兩道應變；噪聲電壓＜20μV；動態范圍≥100dB；工作溫度-20℃～+55℃；外形尺寸為255mm×180mm×60mm。圖2 為基于高應變法的橋梁基樁樁身軸向應力檢測設備組成結構圖。

圖2 基于高應變法的樁身軸向應力檢測設備組成結構圖

利用上述選擇的設備為后續基于高應變法的承載力檢測提供輔助條件。

2.2基于高應變法的檢測方法

在完成上述準備工作后，采用高應變法實現對橋梁基樁承載力的檢測，圖3 為基于高應變法的檢測原理圖。

圖3 基于高應變法檢測原理圖

以大錘擊樁為基礎，以高能量沖擊脈沖作用于樁頂，引起樁與土間的相對位移，由上向下依次激發樁周土的阻力和巖土的摩擦力，由樁身兩端設置的加速度傳感器和加速度傳感器，由速度時程和應力波理論進行分析，以確定樁的承載能力。在上述原理基礎上，結合公式（1）計算得出基樁的承載力具體數值：

式中：

Rc——被檢測的基樁承載力；

Jc——阻尼系數；

F(t)——反射峰對應時刻；

Z——安裝傳感器位置上基樁本身阻抗；

V(t)——樁周土阻力。

在檢測的過程中，首先，將樁頭上的浮漿、松散、破損部分清理干凈，露出堅硬、平整、干凈的混凝土。其次，再在原來的樁頂上安裝3m 長的樁帽。樁頂混凝土的強度等級不能低于C40，其齡期應在10 天以上。最后，對樁身上的主筋進行清理，并全部采用接長的方法，直到灌注樁覆蓋的保護層下面。在檢測之前，在樁頭距樁頭1 倍處，采用3mm～5mm 厚的高強度鋼板將樁蓋整個包覆。在采用柴油機起重錘作沖擊裝置時，應預留一定長度的樁以便于安裝傳感器。在場地上必須進行整平和清掃操作，以保證在使用重力錘進行沖擊時，起重裝置不會發生傾覆。對混凝土預制樁的樁頭造成嚴重破壞或樁頭發生較大變形時，必須將受損部位鋸斷。每根樁的預備面積略大于5 至10 個均勻的板料，厚度為20mm。在進行高應變承載力檢測時，應該測量樁身的穿透度，而規范中規定的2mm～6mm 的穿透度僅僅是為了確保承載能力分析的可靠性。在檢測過程中，使用高精度的水平儀器對鉆孔進行檢測，在使用打樁機械進行錘擊時，可以通過反復錘擊的總沉降來確定鉆孔深度。由于在安裝和吊裝落錘過程中，很難保證豎向，出現偏心現象。對此，當錘子偏心嚴重時，可以通過調節導桿進行調整，使其對中，當錘子偏大時，可以通過調節板子（錘子）的放置或鋪沙子來解決。

3 檢測結果分析

3.1橋梁基樁承載力分析

按照上述操作完成對該工程項目橋梁基樁的承載力檢測，針對承載力檢測結果進行分析。將檢測結果記錄如表2所示。

表2 橋梁基樁承載力檢測結果

表2 中檢測結果說明該橋梁基樁的承載力均符合設計承載要求，在此基礎上，為進一步分析基樁荷載與沉降量之間的關系，繪制圖4 所示的某基樁荷載-沉降量關系曲線。

圖4 基樁荷載-沉降量關系曲線

結合圖4所示得出，該橋梁建設項目中基樁荷載達到38000kN 時，總沉降量超過40mm，此時曲線出現明顯陡降，曲線呈現出陡降形態。

3.2橋梁基樁極限承載力

再針對該橋梁基樁的極限承載力進行分析，在樁體混凝土齡期28 天之后進行的，在樁頂以下的樁體兩側對稱設置加速度傳感器，傳感器與樁頂的垂直間距為3.0m。通過對該項目其中6 個基樁承載力進行檢測，并結合現場地質調查和上述承載力分析內容，得出了該工程結構的阻尼系數為0.40?，F場檢測結果顯示，通過反復測試，橋梁樁基在錘擊激勵下的振動信號明顯，信噪比高，反復取樣所獲得的信號重復性和頻譜一致性較好，表3為6個基樁的基本參數。

表3 基樁承載力基本參數

根據表3 中的內容，測定6 個基樁的極限承載力，并將其繪制成圖5所示。

圖5 基樁極限承載力變化圖

從圖5可以看出，六個基樁的極限承載力變化差異較大，但基本控制在20200.0kN～22900.0kN范圍內，其中最大極限承載力出現在#4 號基樁，最小極限承載力出現在#2號基樁。通過上述檢測得到的結果可作為該橋梁建設項目承載力驗收的依據。將檢測得到的結果與該橋梁建筑標準承載力要求限值對比，針對承載力較低基樁及周圍土體可采取相應的加固措施，確保該橋梁建設項目的順利實施。

4 結束語

通過本文上述論述，以某橋梁建設項目為依托，開展對其基樁承載力的檢測研究。通過研究得出，將高應變法應用到對基樁承載力檢測當中具有極高的可行性，可準確得出各個樁基結構承載力以及極限承載力，為橋梁建設施工提供重要依據。