錨樁法靜載試驗在水利工程基樁檢測中應用研究

程 旭

(安徽省水利工程質量監督中心站,安徽 合肥 230000)

水利工程基礎處理,直接關系到建筑物的安全和使用壽命,為了驗證基樁施工質量是否滿足設計要求,根據我國建筑基樁檢測技術等相關規范,對基樁進行靜載荷試驗,能夠直觀地反映荷載與沉降的關系及沉降與時間的關系,確定樁的承載力。鳳凰頸泵站新建工程位于原泵房與老攔污閘之間的前池內,受外部環繞的G347國道和開挖基坑周邊需保留的老建筑物雙重限制,新建泵房、壓力水箱、前池施工范圍局限于長度僅150 m、寬度不足100 m的狹小空間內,交叉作業工作面多、相互干擾大,工期緊。由于采用堆載法存在檢測周期長、場地要求高,所以對本工程不太適用,而利用檢測樁周邊既有基樁進行錨樁法來完成單樁抗壓靜載試驗,能夠很好解決以上問題[1-4],可為類似水利工程樁基靜載試驗提供參考。

1 工程概況

鳳凰頸泵站改造工程為引江濟淮工程西兆線引江線路上的提水泵站,位于安徽省無為市劉渡鎮無為大堤上,利用老泵站進行改造與擴建,以滿足引江、排澇等多種功能的需要。改建后泵站安裝6臺3100ZLQ-75立式軸流泵,配套電機型號TLKS3000-48/4250,單機功率為3 000 kW,總裝機容量為18 000 kW。泵站設計排澇流量240 m3/s,引江流量150 m3/s,工程規模為大(1)型。鳳凰頸泵站改造工程主要由穿堤涵洞(由老泵站改造)、新建壓力水箱、新建泵房、新建前池(西河側)等主要建筑物組成。泵房和安裝間的尺寸和樁基長度、根數及樁基承載力如表1和表2所列。

表1 泵房及安裝間樁基概況表

表2 樁基承載力表

2 樁基靜載試驗方案比選

目前樁基靜載試驗常用方法有堆載法和錨樁法,從技術、經濟和工期等方面進行比選。

成本:A36單樁設計豎向抗壓承載力特征值3 420 kN,按照《建筑基樁檢測技術規范》(JGJ106-2014)要求工程樁驗收檢測時,加載量不應小于設計要求的單樁承載力特征值的2倍,應為6 840 kN。參照安徽省通常收費標準每噸約150元,折合大約每根樁錨樁法與堆載法相比節約8萬元。

堆載法優點為使用比較廣泛,其承重平臺搭建簡單,適合于不同荷載量試驗,可對工程樁進行隨機抽樣檢測。缺點:受檢測場地空間限制、堆載量大、檢測周期長,成本高。

錨樁法優點為不需要配重的運輸與場地換填,可以較少地受到試驗場地的影響,節約時間,特別對于大噸位試樁節約成本明顯。錨樁法缺點為安裝時荷載對中不易控制,試驗的開始階段容易產生過沖,當使用工程樁做錨樁時處理不好,會對工程樁的承載力產生一定的影響。

結合本工程實際,綜合考慮安全、進度等因素,采取錨樁法。

3 樁基承載力試驗分析

3.1 樁基承載力靜載方案

因本次試驗的單樁承載力極限值很高,最大達到6 840 kN。擬采用工程樁作為錨樁提供反力進行荷載試驗,選用由1根主梁和2根副梁組合的“四錨一法”梁-錨樁反力系統,加載設備由均勻布置在樁頂的1臺1 000 t油壓千斤頂組成。試驗流程如下:樁頭處理→樁項面鋪設細沙→放置鋼板→放置千斤頂→上置鋼板→放置主梁→放置次梁→錨樁焊接→千斤頂接油泵→架設基準梁→安裝位移測讀裝置→試驗→數據分析。

依據設計、《建筑基樁檢測技術規范》(JGJ106-2014)及地質情況等綜合考慮,選擇在安裝間進行錨樁法靜載試驗,選擇A36號樁為試驗樁,A21號、A23號、A49號和A51號樁為錨樁。以A36號樁為中心,另外4根樁對稱分布、對稱加載,且試樁中心與錨樁中心不小于3D(D為被檢樁、錨樁的設計直徑,取較大值),測試樁位平面布置如圖1所示,錨樁立平面圖如圖2-圖4所示。

圖1 測試樁樁位圖

圖2 錨樁反力系統布置示意圖

圖3 錨樁法平臺立面圖

圖4 錨樁法平臺平面圖

整個傳力路徑為將千斤頂的反力通過主梁傳遞給次梁,次梁再通過騎馬與錨樁焊接,形成反力裝置,將千斤頂的力傳遞給試驗樁。經計算整個反力裝置剛度滿足工程要求。

將各試驗點開挖至設計標高,將樁頭鑿至設計標高,鋪設不超過20 mm中粗砂找平層,然后放置與樁徑同直徑的承壓板。試驗采用“慢速維持荷載法”,即逐級加載,在每級荷載作用下達到相對穩定標準后施加下一級荷載,荷載分級如表3所列。

表3 樁基靜載試驗分級表 kN

3.2 錨樁受力計算

錨樁鋼筋抗拔驗算:安裝間A36號樁基的單樁豎向抗壓承載力極限值Pt=6 840 kN,按照試驗方案每根錨樁承受的反向抗拔力為Nt=Pt/4=6 840/4=1 710 kN。單根錨樁主筋為28*Φ25HRB400,按照檢測方案每個錨樁焊接8對,16根鋼筋。由于錨樁鋼筋滿足抗拔力計算要求,因而不需要進行處理,否則應對錨樁進行特殊設計,錨樁中預埋一定數量的鋼絞線等增強措施,確保錨樁安全。單根錨樁抗拉承載力標準值為3 140 kN,具體計算見式(1)。

Ny=nfyAs=16×400 MPa×490.6 mm2=3 140 kN

(1)

其中,Ny為錨樁抗拉承載力;n為錨固鋼筋根數;fy為鋼筋抗拉強度;As為鋼筋公稱面積。

錨樁鋼筋抗拔力安全系數:K=Ny/Nt=1.84>1.4,說明A21號、A23號、A49號和A51號樁作為錨樁滿足受力及安全要求。

錨樁樁身抗拔驗算:在出現群樁非基礎的整體性破壞的時候,針對其樁基抗拔承載力計算為2876.5 kN,具體計算見表4和式(2)。

(2)

表4 錨樁抗拔承載力計算表

其中,Tuk為錨樁極限承載力標準值;λi為抗拔系數;qi為抗壓極限側阻力標準值;ui為樁身周長;li為土層厚度;Gp為基樁自重;Nk為錨樁抗拔承載力。

根據計算錨樁樁身抗拔承載力Nk(2 876.50 kN)大于錨樁所受反拉力Nt(1 710 kN),且安全系數K=Nk/Nt=1.68>1.4,因此錨樁樁身也滿足受力及安全要求。

3.3 靜載試驗結果分析

單樁豎向抗壓靜載試驗結果如表5所列,通過表5可知,按照“慢速維持荷載法”加載到設計荷載3 240 kN,其沉降量為1.48 mm,加載極限荷載6 840 kN,沉降量為6.02 mm,卸載后最終沉降為3.24 mm。荷載-沉降關系曲線如圖5所示,沉降-時間對數曲線,沉降-荷載對數曲線分別如圖6、圖7所示。荷載-沉降(Q-s)曲線呈線性變化,未超過規范允許值,滿足要求。錨村上拔量隨荷載變化關系如圖8所示,通過圖8可知試驗過程中錨樁樁頂累計最大上拔量0.39 mm,符合規范要求,說明錨樁安全系數足夠,豎向抗拔承載力滿足要求。

圖5 荷載-沉降(Q-s)曲線

圖6 沉降-時間對數(s-lgt)曲線

圖7 沉降-荷載對數(s-lgQ)曲線

圖8 錨樁上拔量隨荷載變化曲線

表5 單樁豎向抗壓靜載試驗表

4 結束語

根據本工程的錨樁上拔位移隨荷載變化曲線可以看出,按照規范要求考慮錨樁鋼筋抗拔力和樁身抗拔驗算富余系數,錨樁上拔位移滿足規范要求。當采取工程樁作為錨樁,應確保錨樁受力平衡,并對錨樁進行位移監測,確保錨樁變位值在規范允許范圍內。

錨樁法樁基靜載試驗尤其對于工期緊、施工空間小的水利工程基樁檢測具有明顯優勢。錨樁法能夠比較準確地反映單樁的受力狀況和變形特征,準確反映單樁豎向抗壓承載力。錨樁法樁基靜載試驗最好在設計階段進行謀劃,充分驗算錨樁的抗拔力,為樁基檢測的順利進行提供必要保障。錨樁法和堆載法相比在大噸位樁檢靜載試驗中節約成本和時間,具有較好的經濟性與實用性。但也可將錨樁法和堆載法相結合進行樁基靜載試驗的反力裝置。