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发表于2018-06-06    616人浏览    1人跟帖    复制链接  只看楼主

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北极星闪闪


地锚系统在钻孔灌注桩轴向大吨位静载试验中的应用
陶然1, 连石水2, 黄睿奕3
1.中国港湾工程有限责任公司, 北京 100027
2.中交第四航务工程勘察设计院有限公司, 广东 广州 510230
3.中交第二航务工程局有限公司技术中心, 湖北 武汉 430040

摘要: 针对在钻孔灌注桩轴向大吨位静载试验中常用的堆载法和锚桩法分别存在堆载安全风险大和锚桩施工难度大的弊端、自平衡法的转换计算可能会产生误差等问题,采用斜拉锚索作为反力装置的地锚系统,并在冠梁与圈梁之间通过对拉螺杆加以固定,实现在有限吹填区域内采用小型反力装置进行大吨位静载试验,为钻孔灌注桩桩长设计提供极限承载力数据支撑。
关键词: 钻孔灌注桩;轴向静载试验;斜拉锚索;地锚系统;反力装置
0 引 言
钻孔灌注桩具有适用性强、单桩承载力高、造价较低等优点,在港口工程中得到广泛应用。目前,确定钻孔灌注桩承载力及沉降特性最常用的方法是用单台或多台同型号千斤顶并联加载对试验桩进行轴向静载试验。在静载试验中,作用于桩上的荷载通常由反力装置提供,根据反力装置的不同型式,常用的试验方法有堆载法、锚桩法和自平衡法等。
本文依托在建的中东地区某典型项目,采用斜拉地锚式试验方法进行码头钻孔灌注桩的轴向静载试验,实现地锚系统在大吨位静载试验中的应用,具有一定的推广价值。
1 依托项目
1.1 项目概况
在中东地区某典型项目中,建设的组合板桩码头全长800 m,其前排板桩与后排锚桩之间间距约50 m,码头设计断面见图1。共有3排钻孔灌注桩作为桩基,为码头上部现浇混凝土结构的轨道梁和连系梁提供支撑,其中:A排桩直径为120 cmB排桩直径为80 cmC排桩直径为110 cm。灌注桩设计底标高暂定为-33.0m左右,须通过轴向静载试桩确定。
地锚系统在钻孔灌注桩轴向大吨位静载试验中的应用_1
1  码头设计断面
1.2 地质条件
该项目施工区域地质较为复杂:西侧从上往下依次为吹填砂层、中粗砂层、中密砂层和密实砂层;东侧从上往下依次为吹填砂层、中粗砂层、密实砂层和钙质胶结砂层。
1.3 试验要求
考虑到码头东西向跨度达800 m,地质差异较大,在钻孔灌注桩正式施工前,须在Q27码头后排锚桩(AZ)后方约25 m的西侧、东侧和中部进行3根桩的轴向静载试验,以确定工程桩的桩长。3根试验桩直径均为120 cm,西侧底标高为-33.0 m,中部底标高为-30.0 m,东侧底标高为-35.0 m。试验桩设计荷载为380 t,采用逐级加载至1倍、2倍、3倍和4倍的设计荷载并保持24 h,最大加载荷载为1 520 t,约为15 000 kN
2 常用试验方法
2.1 堆载法
堆载法示意图见图2,通常采用型钢在桩顶搭设承重平台,通过在承重平台上堆载混凝土预制块向桩身提供反力。虽然堆载法直观地采用接近于实际工作条件的试验方法且承重平台搭建简便,现场堆载可采用防波堤护面施工所预制的40 t混凝土块,但是,堆载法本身存在较大的安全风险,在加载及卸载过程中容易发生承重平台倾斜失稳的事故。
地锚系统在钻孔灌注桩轴向大吨位静载试验中的应用_2
2  堆载法示意图
2.2 锚桩法
锚桩法见图3,通常是在试验桩周围对称地施工几根锚桩或直接利用邻近的工程桩作为锚桩并通过锚筋与反力架连接并向桩身提供反力,且适用于堆载风险较大水上桩基检测。但试桩区域地层中砂层较厚,锚桩施工难度较大,需加强锚桩的配筋、连接以及构造才能满足受力要求,且试桩成本较高。
地锚系统在钻孔灌注桩轴向大吨位静载试验中的应用_3
3  锚桩法示意图
2.3 锚桩堆载联合法
当锚桩不足以提供试验所需全部反力时,有些工程采用锚桩堆载联合法,通过在锚桩主次梁或桁架装置上增加堆载压重提供额外反力[1]。锚桩堆载联合法示意图见图4。但与单一的堆载法和锚桩法相比,锚桩堆载联合法的承重平台结构较为复杂、搭建难度也较大,不仅成本较高,而且还存在较大的安全风险。
地锚系统在钻孔灌注桩轴向大吨位静载试验中的应用_4
4  锚桩堆载联合法示意图
2.4 自平衡法
自平衡法又称Osterberg试桩法,其示意图见图5。其原理是依靠试验桩本身的反力平衡,将桩侧阻力作为桩端阻力的反力相互平衡,直至桩体承载力达到极限状态。[2] 虽然自平衡法不需要搭设复杂的反力装置,具有灵活方便的优点,且随着专业荷载箱的研发及推广,自平衡法已经得到越来越广泛的应用,目前多应用于特殊场地条件和超大吨位的静载试验,但在自平衡法试验结果与常规静载试验结果之间的“等效转换”计算中可能会产生误差,且试验过程不如堆载法和锚桩法直观。

地锚系统在钻孔灌注桩轴向大吨位静载试验中的应用_5
图5  自平衡法示意图
3 地锚法
综上所述,对于大吨位的钻孔灌注桩轴向静载试验,无论是堆载法、锚桩法,还是锚桩堆载联合法,其反力装置结构都比较庞大,而自平衡法的转换计算可能会产生误差。最终,决定采用地锚系统作为反力装置进行试桩。这种反力装置虽然在国内并不常见,但在欧洲及中东地区的大吨位静载试验中已经得到较为广泛的应用。[3]
地锚系统的反力原理与多用于复合地基及岩基条件下小吨位静载测试的“伞状桁架+地锚法”较为类似,但区别在于地锚系统采用斜拉锚索作为地锚,并通过注浆以增大锚固力,从而实现在有限的试验场地内采用小型反力装置进行大吨位静载试验。
3.1 反力装置
地锚系统反力装置设计图见图6,地锚系统反力装置实物见图7。共24组竖向夹角为26°的斜拉锚索作为地锚沿桩周均匀设置,每组锚索由8股Ф15.75 mm的钢绞线组成。锚索通过圈梁进行固定,圈梁高50 cm,内径为320 cm,外径为520 cm。圈梁与冠梁之间通过Ф47 mm的对拉螺杆连接,使液压千斤顶在加载和卸载过程中受力稳定。
地锚系统在钻孔灌注桩轴向大吨位静载试验中的应用_6
地锚系统在钻孔灌注桩轴向大吨位静载试验中的应用_7
b)断面示意图
图6  地锚系统反力装置设计图

地锚系统在钻孔灌注桩轴向大吨位静载试验中的应用_8
7  地锚系统反力装置
经计算,24组锚索可提供支撑竖向荷载的反作用力约48 000 kN,远大于试验最大加载荷载的15 000 kN
3.2 试验设备
3.2.1 加载设备
试验共采用4500 t的液压千斤顶并联同步加载,通过千斤顶上的荷重传感器测定并记录加载量。
3.2.2 观测仪器
桩头的沉降量通过桩顶的位移传感器来测定,并根据基准梁上百分表的读数进行复核。此外,在试验桩的钢筋笼中除声测管外,还预埋8组应变片和单点式沉降仪,以测定加载过程中试验桩各部位的应变量和沉降量。试验设备平面布置图见图8
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8  试验设备平面布置图
3.3 试验步骤
地锚法的试验步骤流程见图9,具体试验准备见图10。首先,进行陆域的回填、振冲和场地准备。其次,试验用的钻孔灌注桩须通过超声波检测,确保桩身质量。再次,依次进行圈梁混凝土浇筑、锚索的施工及张拉测试、桩头凿除及接长、基准梁及加载系统安装、冠梁安装并与圈梁通过对拉螺杆连接、观测系统的安装及接线等。最后,进行加载测试。
试验采用慢速维持荷载法,最大加载至4倍设计荷载或桩头扰度达到10%的桩径。加载采用逐级等量加载25%的设计荷载,并在加载至1倍、2倍、3倍、4倍设计荷载下维持24 h,其他阶段(包括加载和卸载)至少维持2 h或在2 h内桩顶沉降量不大于0.25 mm
地锚系统在钻孔灌注桩轴向大吨位静载试验中的应用_10
9  地锚法的试验步骤流程

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a)圈梁施工
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b)锚索施工
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c)桩头施工
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d)基准梁、拉杆安装
10  地锚法的试验准备
3.4 质量控制
为确保试验的准确性,试验主要采取以下质量控制措施:
  • 锚索施工后须进行张拉测试,确保其与地基之间的摩擦力满足试验要求。
  • 基准梁具有足够的刚度,其基础与试验桩之间的距离在5倍试验桩径。
  • 加载试验在遮阳避风的环境下进行,并暂停周边施工工点大型机械设备的使用,以减少外部因素对试验产生影响。
4 结 语
本文结合中东地区某典型项目建设的现场实际情况,采用地锚法进行钻孔灌注桩的轴向静载试验,为桩长设计提供可靠的依据。
  • 地锚系统反力装置具有小巧、轻便、安全稳定等特点,可在相对有限的试验区域内进行大吨位静载试验。
  • 通过冠梁叠加的方式或采用预应力锚索,地锚系统反力装置可以适应更大吨位的静载试验。
地锚系统在钻孔灌注桩轴向大吨位静载试验中的应用_15

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