大应变法测试桥梁基桩竖向承载力

大应变法测试桥梁基桩竖向承载力

刘清元, 谈　桥

1

2

(11武汉理工大学机电学院测控系, 武汉　430070; 21湖北鄂州城市规划院, 湖北鄂州　430060)

摘要:论述大应变法测试基桩竖向承载力的基本原理, 介绍对桥梁基桩竖向承载力进行的抽样检测及利

用CCW APC 程序分析与校核测试数据, 探讨测试中需要注意的问题, 认为测试结果可作为验收依据。关键词:桥梁基桩　竖向承载力　大应变法

+

中图分类号:TU473116　文献标识码:B　文章编号:100321995(2004) 0620008203

结果, 其可靠性受到怀疑。

1　概述

单桩竖向承载力的大小主要取决于桩身所处的地质情况和桩本身的性能, 它反映了桩在竖向荷载作用下不丧失稳定、不造成破坏、不产生过大变形时的最大荷载, 是桩基础设计首先需要确定的问题。在设计的初始阶段, 主要是根据承载力理论公式(或经验公式) 进行计算, 计算方法是将桩的极限承载力分为桩底的极限承载力和桩侧的极限摩阻力两部分, 即:

n

确定单桩竖向承载力的最直接、最可靠的方法是静载试验, 通过在桩上直接分级加载, 同时观测其每级的沉降量, 最后分析其试验结果来确定单桩承载力。静载试验法考虑了桩与土的相互作用, 是确定单桩承载力最为可靠的方法。但是, 静载试验法的成本太大, 对于桥梁基桩, 因试验场地受限制, 很难进行大规模的静载测试。因此桩基动测法是适合桥梁基桩测试的一个很好的方法。

桩基动测法是基于动力理论和桩土结构的边界条件而建立起来的。从测试机理上来看, 动测分为小应变法和大应变法, 其不同点主要在于激振方式、激振能量、检测系统、研究对象以及分析方法上。小应变法一般通过桩头激振、桩头接收, 然后分析桩的动态特性来判别桩身质量以及单桩承载力。大应变法与小应变法的根本区别就在于前者适当地考虑了桩周土的弹塑性响应, 其应变能量大约为10级别, 大应变法在实际应用中越来越受到人们的关注。

h o >N =159165kN , 计算得h o >419164mm , 因此选用

-3

Q u =Aq +

i =1

∑

l i U i f i

式中Q u 为单桩极限承载力, A 为桩底面积, q 为桩底单位阻力(端阻力) , l i 为桩穿过某土层的长度,

U i 为桩的周长, f i 为某层土对桩侧的单位摩阻力(侧

阻力) , n 为桩所穿过的土层数。

这种理论计算方法只能是在设计初期对承载力进行估算, 算法简单, 因毕竟不是在具体桩上取得的试验因此决定选用此型钢管柱。

315　钢管柱基础设计

钢管柱基础采用C20混凝土独立基础, 下设100mm 厚C10混凝土垫层。根据当地实际情况和有关勘察设计资料, 地耐力P 取011MPa ,C20混凝土基础轴心抗拉强度设计值f 取111MPa 。

由公式P =N ΠA 计算钢管柱基础所需最小底面积A min =N Π[P ]=[(4789146kN ÷25m ×5m ) Π6]÷011MP =1160m 。为确保安全, 采用边长为114m 的

2

基础厚度为450mm 可以满足要求。

4　结束语

本工程根据实际情况, 在跨路施工中采用了“龙

门”加碗扣满堂支架方案, 在确保繁忙路口正常通行的同时, 通过对龙门各组成结构进行受力检算, 既保证了施工安全的要求, 又充分考虑了经济实用的因素, 为同类工程施工支架设计积累了经验。

参

版社,2001.

收稿日期:2004-02-08

正方形, 实际基础底面积A =1196m , 大于要求的最小基础底面积, 满足安全要求。

根据C20混凝土基础可承受的冲切承载力大于其实际承受上部传递下来的压力, 即:

N 1=016f 1μ111MPa ×(159mm +h o ) m h o =016×—8

—

2

考文献

[1]江正荣编著. 建筑施工计算手册[M].北京:中国建筑工业出

(责任审编　孟庆伶)

铁道建筑　　2004年第6期

(1) 填土:黄、灰色, 素填土、垃圾碎石及粘土组成,

2　测试原理

C ASE 大应变动力测试法是用高能量的冲击载荷

层厚310～419m , 场内均有分布。(2) 淤泥质土:灰黑色, 流—软塑, 层面埋深310～419m , 层厚017～810m , 场内均有分布。(3) 粘土:黄灰—黄褐色, 可—硬塑状态, 含少量铁

实际考核桩土体系。一般说来, 冲击下的桩身瞬时动

应变峰值≮静载荷试验至极限承载力的静应变值, 实测时采集桩顶附近有代表性的桩身截面的轴向应变和桩身运动加速度的时程曲线, 通过计算获得该截面的轴向平均内力和轴向平均运动速度。在测试数据中包含有桩身阻抗和土阻力的分段分层信息, 根据桩土体系的实际工作机理建立数学模型, 运用一维波动方程分析实测数据, 就能获得有关桩身完整性和桩土体系承载力的结果。在长期的和大量的静动对比基础上, 可以根据上述的实测数据和分析结果有根据地推断单桩极限承载力。因此, 在很多情况下, 它可以被用来取代静载试验, 用于砂性土时, 结果很好, 用于粉土或粘性土时, 结果也能满足要求。但由于阻尼力较高, 分析时要特别注意, 如果有静载荷试验就应当与之作对比, 但静载荷试验的成本较高, 而与CCW APC 程序分析相校核则是一个很好的方法。

C ASE 动测法假设桩是一维弹性杆件, 其介质是均匀、连续的弹性体, 动阻力全部集中在桩尖, 且动阻力与桩端速度成正比, 桩侧土为理想刚塑性体, 各部分极限静阻力为一定值, 与它们的变形无关。这些假设使实际工程测试与C ASE 法理论计算存在差别, 必须作一定的修正, 对阻尼系数的选择要根据本地区的静动试桩对比分析经验来确定, 因此,C ASE 法的使用有局限性。CCW APC 分析程序法是将C ASE 法在现场实测的波形曲线输入到更精密的波动理论计算中, 通过计算值和实测值的反复比较、迭代, 不断修改原先人为假定的参数值, 从而得到更精确的分析结果, 并使分析过程的人为因素降到最小。CCW APC 是一种严格的数学分析技术, 能够独立地确定整个桩土模型, 提供桩土系统承载力分析、桩周土摩阻分布、桩身阻抗变化、模拟

Q —S 曲线、各级载荷下桩身内力分布、应力波及速度

锰质结核及灰白色高岭土条带, 下段夹少量砂砾, 层面

埋深一般在513～1110m , 层厚315～1317m , 场内均有分布。

(4) 残积土:一种是由灰绿色长石石英细砂岩、泥质粉砂岩风化形成残积土, 主要由粉细中砂夹少量细砾石粘土组成; 另一种为花岗闪长岩风化的残积土, 以中粗砂为主要成分, 层面埋深1415～1912m , 层厚019～412m , 场地均有分布。

(5) 泥质粉砂岩强风化层:紫红色, 粉细砂结构, 泥质胶结, 该层风化强弱不一, 岩芯极破碎, 层面埋深1618～2011m , 层厚018～118m 。

(6) 弱风化泥质粉砂岩:紫红色, 粉细砂结构, 泥质胶结, 薄层状构造, 细裂缝发育, 风化弱, 裂隙发育, 岩芯极破碎, 层面埋深1810～2112m , 层厚010～210m 。

(7) 微风化花岗石长岩:肉红色, 花岗闪长结构, 块状构造, 属硬质岩石, 埋深2015m 。

(8) 微风化长石石英细砂:灰绿色、浅黄色, 细粒结构, 层状构造, 岩石钻进较困难, 属硬质岩层, 层面埋深815～2111m , 层厚410～419m 。

(9) 微风化泥质粉砂岩:紫红色, 粉细砂结构, 薄层状构造, 细裂缝发育, 岩芯层理较清晰, 层面埋深2010～2610m , 最大控制层厚512m 。

采用RS1616K 型桩基动测仪进行动载荷试验, 利用CCW APC 大应变拟合程序分析测试数据。测试在桩身混凝土龄期28d 以后进行, 将力传感器和加速度传感器对称安装在桩顶以下的桩身两侧, 传感器与桩顶之间的垂直距离为310m , 抽检4根桥梁基桩, 结合本地区以往的动静测试资料分析经验, 确定阻尼系数为0140。测试时要特别注意对信号的正确判断, 对灌注桩而言, 测试信号的力波和速度波曲线必须满足以下最基本的要求:

(1) 传感器安装在桩顶附近时, 应力不应是负值。(2) 应力和速度的尾部应当归零。(3) 信号无交流振荡干扰。(4) 信号不削顶。凡不符合这四条的信号都为废信号, 必须查明原因后重测。测试结果汇总见表1, 测试结果可以作为工程验收依据, 表中累计阻力的最下面一行分别为各测试桩的桩底端阻力。图1和图2分别为23号桩的模拟静荷载试验和摩阻力分布。

—9

—

波传播图、桩身最大拉应力及压应力、各质点最大速度及最大动位移等。

3　工程实测

运用上述测试原理方法对某桥梁基桩进行了测试, 基桩为机械钻孔灌注桩, 其基本参数为:桩径1800mm , 桩长24m 左右, 设计混凝土强度等级为C25, 单桩竖向承载力设计值为10000kN 。工程地质勘察报告显示现场土层自上而下分布如下:

铁道建筑　　2004年第6期

表1　测试结果汇总表

13

号桩

23号桩2191619

11号桩2214010

10

号桩2021611

kN

竖向承载力深度Πm

[***********][***********][***********][***********]22152315

2290611

侧摩阻力

[***********][***********][***********][***********][***********][**************]17

累计阻力

[***********][***********][***********][***********][***********][***********][***********][***********][1**********]511

侧摩阻力

[***********][***********][***********][***********][***********][**************]4

累计阻力

[***********][***********][***********][***********][***********][***********][***********][***********][1**********]815

侧摩阻力

[***********][***********][***********][***********][***********]3621936219

累计阻力

[***********][***********][***********][***********][***********][***********][***********][***********][1**********]010

侧摩阻力

[***********][***********][***********][***********][***********]936219

累计阻力

[***********][***********][***********][***********][***********][***********][***********][***********][1**********]212

4　结论

采用CCW APC 拟合程序分析测试桥梁基桩数据

的技术和经济效果十分明显, 与静载荷试验相比, 在测试设备、测试效率、工作条件及试验费用上, 均有明显的优越性, 它所提供的比较全面的数据及相关图表是传统的测试手段无法与之相比的。然而, 实际测试表明, 运用大应变测试技术难度较大, 稍有不慎就可能采集到一些无用的信号,CCW APC 程序计算的结果也就不能真实地反映所测基桩的基本特性而产生误导。因此, 现场判断测试曲线的好坏是测试人员必须掌握的关键技术, 要充分注意本地区以往的测试经验, 合理确定有关测试参数, 按照有关规程反复测试, 以求得数据的真实性。

参

考

文

献

[1]徐攸在. 桩的动测新技术[M].北京:中国建筑出版社,2002. [2]JG J106—97, 基桩高应变动力检测规范[S].

收稿日期:2003-12-12

图1　模拟静荷载试验　

(责任审编　王天威)

图2　摩阻力分布图

—10—

铁道建筑　　2004年第6期