斜坡隔离桩自平衡试验研究

刘 翼

（湖南湘江新区投资集团有限公司，湖南 长沙 410012）

位于斜坡上的摩擦工程桩，在竖向荷载作用下通过桩周侧摩阻力将荷载将传递到坡体上，影响边坡稳定性[1-2]，通过在桩周设置摩擦小的材料进行隔离，使得荷载传递至边坡破裂面以下足够深度的稳定岩土层，可以减小对边坡稳定造成不利影响。为了获取隔离后桩侧摩阻力，评估隔离桩隔离措施的效果，文章通过边坡现场原位自平衡试验对试验桩采取隔离措施后的侧摩阻力进行研究，分析桩侧摩阻力的变化特征，为桩周隔离设计优化提供了依据，取得了显著效果，可以为相关工程的提供借鉴。

1 工程概况

文章自平衡试验位于长沙市桐溪路景观桥边坡上，现场图见图1。该边坡高度约为80m，坡址区以泥盆系微风化灰岩为主，厚层状构造，节理裂隙稍有发育，见溶蚀槽痕，局部发育溶蚀裂隙，岩芯多呈柱状，属较硬岩，岩体较完整，岩体基本质量等级为Ⅲ级，典型地质剖面见图2。边坡所在场地内主要发育有两组顺层节理，将岩体切割成碎块状及块状，形成顺向坡。

图1 边坡现场图

图2 典型地质剖面图

由于桥梁桩基位于边坡之上，且荷载较大，为避免边坡上部岩土体承受荷载，在桥梁基桩桩周设置了隔离层，从而将荷载传递到下部稳定地层中。鉴于常规桩基竖向静载荷试验，不易准确获取基桩隔离段的桩侧摩阻力，且加载过程中大量堆载会影响边坡稳定性[3]，文章采用基桩自平衡试验准确获取桩侧摩阻力[4]。

2 自平衡试验方案

2.1 试验方法

自平衡试验通过在桩底安装加载箱，并将加载的高压油管和位移杆一起引到地面。试验时，从桩顶通过高压油管对荷载箱内腔施加压力，箱顶与箱底被推开，产生向上与向下的推力，从而调动上部桩周土的侧阻力与端阻力来维持加载。自平衡试验的原理图见图3。

图3 自平衡试验原理

本次试验设置了3根试验桩，试验桩的直径均为1000mm，1#、2#、3#试桩长度分别为14.2m、14.5m、16.7m。试桩成孔直径为1500mm，采用1000mm直径钢护筒，钢护筒内放钢筋笼然后现浇混凝土成桩。钢护筒与孔壁之间的空隙填充陶粒作为桩周隔离措施。试桩所在地层均为灰岩，其基本物理力学参数见表1。

表1 试验桩基本参数

2.2 试验设备

试桩自平衡试验采用的设备有环型荷载箱、电动油泵、电子位移计、钢筋计、数据采集仪、笔记本电脑等。

环形荷载箱行程均为20cm，高压油泵的最大加压值为60MPa，加压精度为每小格0.5MPa。电子位移传感器量程为50mm，每桩4只，通过磁性表座固定在基准钢梁上，2只用于量测桩身荷载箱处的向上位移，2只用于量测桩身荷载箱处的向下位移。钢筋计布置在桩身钢筋笼上，每隔2m，对称布置4个钢筋计，1#试桩钢筋计安装示意图见图4。以上设备通过采集仪与电脑相连，由电脑控制量测并在电脑屏幕上实时显示相关曲线。

图4 1#试桩钢筋计安装示意图

2.3 试验步骤

试验加载采用慢速维持荷载法，测试按《公路桥涵施工技术规范》（JTG/T F50—2011）和《基桩静载试验自平衡法》（JT/T 738—2009）进行。

试桩分级进行加载，其中1#和2#桩每级增加100kN加载，3#桩每级增加500kN加载。具体见表2。

表2 试桩加载分级表

3 试验结果

1#桩在加载至第10级（1000kN）时向上位移0.91mm、向下位移0.46mm，均未达到上下段桩的极限值，因此继续加载，直至第12级（1200kN）时，向上位移2.51mm、向下位移0.74mm；加载第13级（1300kN）时，向上位移发生陡变，达到38.57mm，且无法稳定压力，故停止加载。现场实测数据绘制曲线见图5，根据图5综合判断1#桩上段桩极限承载力值取第12级荷载值为1200kN。1#～3#桩的加载情况见表3。

图5 典型的S-lgQ曲线图（1#桩）

表3 试桩加载情况

3.1 桩身侧摩阻力

根据加载结果，得到了试桩的荷载箱上段桩的极限承载力Qu上，由于在自平衡测试中，加载是自下而上与实际工程荷载方向相反，需要进行转换才能得到正常加载方式下的桩身轴力和侧摩阻力。文章利用荷载传力解析法进行转换[5-6]，该方法根据测定的荷载箱的荷载、垂直方向向上和向下位移以及桩在不同深度的应变，计算出轴向力分布，进而求出不同深度的桩侧摩阻力，最终换算成桩顶荷载对应的荷载—沉降关系。经计算各试桩的总桩侧摩阻力分别为1#桩1236kN、2#桩961kN、3#桩12405kN。桩身各段的摩阻力可通过安装在桩身的钢筋计计算。具体算计方法如下：

（1）轴力计算。应变量可由桩身预埋的应变计读数求得，其计算公式如下：

式中：εs为应变计在某级荷载作用下的应变量；ε读为应变计在某级荷载作用下读数；K为应变计系数；B为应变计计算修正值。

在同级荷载作用下，试桩内混凝土所产生的应变量等于钢筋所产生的应变量，相应桩截面微单元内的应变量即为钢筋的应变量，其计算公式如下：

式中：εc为某级荷载作用下桩身截面混凝土产生的应变量；σc为某级荷载作用下桩身截面混凝土产生的应力值，kN/m2；σs为某级荷载作用下钢筋产生的应力值，kN/m2；Ec为桩身混凝土弹性模量，kN/m2；Es为钢筋弹性模量，kN/m2；Ac为桩身截面混凝土的净面积，m2；As为桩身截面纵向钢筋总面积，m2；Pz为某级荷载作用下桩身某截面的轴向力，kN。

在建立试桩标定截面处的Pz～Psi相关方程后，各量测截面的桩身轴向力Pz值便可通过计算得到。

（2）摩阻力计算。各土层桩侧摩阻力qs可由轴力之差除以测表面积得到。

式中：qs为桩侧各土层的摩阻力，kN/m2；ΔPz为桩身量测截面之间的轴向力Pz的差值，kN；ΔF为桩身量测截面之间桩段的侧表面积，m2。

（3）桩身各处位移计算。为了得到桩侧土摩阻力qs随桩身沉降S的变化规律，需确定各计算深度处桩身位移Si值。

式中：Si为第i计算截面处的沉降量，mm；Si+1为i+1计算截面处的沉降量，mm；Δi为第i+1截面到第i截面间桩身的弹性压缩量，mm。

Δi按下式计算：

式中：Pz,i为第i截面桩身轴向力，kN；Li为第i+1截面至第i截面处桩段长度，m；An为桩身换算截面面积，mm；d为试桩直径，mm2；n为主钢筋根数；As为单根主筋面积，mm2。

通过以上计算可以得到加载过程中个桩侧土摩阻力qs随桩身位移S的变化曲线。1#桩不同深度的桩桩侧土摩阻力qs随桩身沉降S的变化曲线见图6，可以看出，最大位移已经超过40mm，桩侧摩阻力已经被充分激发，位移超过10mm以后，侧摩阻力曲线出现突变，变得平缓，随着位移增大，侧摩阻力变化不大，可见1#桩已经达到了侧摩阻力极限。另外，不同深度的侧摩阻力值变化不大，基本在28～32kPa。2#不同深度的桩桩侧土摩阻力qs随桩身沉降S的变化曲线见图7，可以看出，最大位移已经超过40mm，桩侧摩阻力已经被充分激发，位移超过10mm以后，侧摩阻力曲线出现突变，变得平缓；随着位移增大，侧摩阻力变化不大，可见2#桩已经达到了侧摩阻力极限。与1#桩不同之处在于，不同深度的侧摩阻力值变化范围略大，从14～41kPa不等。经了解，2#桩在充填隔离护筒与桩孔壁之间的间隙时有过暂停，可能由此导致隔离不均匀，桩周不同深度的侧摩阻力变化较大。

图6 1#试桩桩侧土摩阻力随桩身位移变化曲线

图7 2#试桩桩侧土摩阻力随桩身位移变化曲线

3.2 隔离效果

试桩在钢护筒与孔壁之间的空隙填充陶粒作为桩周隔离设施，通过试验表明该隔离设施效果十分显著。

布置隔离护筒后，桩周侧摩阻力qs实测最大值为41kPa，1#桩侧摩阻力极限平均值为29.7kPa，2#桩侧摩阻力极限平均值为25.6kPa。两者分别为勘察极限侧阻力标准值450kPa的6.6%和5.7%，说明采用钢护筒及陶粒填充作为隔离设施是有效的，可隔离90%以上的侧摩阻力，有效减小桩基荷载对边坡的不利影响。

4 结论

文章通过桐溪路景观桥进行基桩隔离效果的自平衡试验，得到了桩侧极限承载力和桩身不同深度的侧摩阻力qs，分析了侧摩阻力的变化特征，得到以下结论：

（1）自平衡试验可以较好地激发桩侧摩阻力，试验中桩基位移超过10mm时，基桩可达到桩侧摩阻力极限。（2）采取隔离措施后，实测桩侧摩阻力qs最大值为41kPa，侧摩阻力极限平均值不超过30kPa。（3）采用钢护筒及陶粒填充作为隔离设施是有效的，可以隔离90%以上的侧摩阻力，有效减小桩基荷载对边坡的不利影响。

综上，斜坡上的工程基桩，在不影响边坡稳定性的情况下，可通过采用自平衡方法得到桩侧摩阻力。侧摩阻力可采用钢护筒及陶粒填充进行隔离，试验发现可以隔离90%以上的侧摩阻力，有效减小桩基荷载对边坡的不利影响。