锚桩法静载试验在水利工程基桩检测中应用研究

程 旭

(安徽省水利工程质量监督中心站,安徽 合肥 230000)

水利工程基础处理,直接关系到建筑物的安全和使用寿命,为了验证基桩施工质量是否满足设计要求,根据我国建筑基桩检测技术等相关规范,对基桩进行静载荷试验,能够直观地反映荷载与沉降的关系及沉降与时间的关系,确定桩的承载力。凤凰颈泵站新建工程位于原泵房与老拦污闸之间的前池内,受外部环绕的G347国道和开挖基坑周边需保留的老建筑物双重限制,新建泵房、压力水箱、前池施工范围局限于长度仅150 m、宽度不足100 m的狭小空间内,交叉作业工作面多、相互干扰大,工期紧。由于采用堆载法存在检测周期长、场地要求高,所以对本工程不太适用,而利用检测桩周边既有基桩进行锚桩法来完成单桩抗压静载试验,能够很好解决以上问题[1-4],可为类似水利工程桩基静载试验提供参考。

1 工程概况

凤凰颈泵站改造工程为引江济淮工程西兆线引江线路上的提水泵站,位于安徽省无为市刘渡镇无为大堤上,利用老泵站进行改造与扩建,以满足引江、排涝等多种功能的需要。改建后泵站安装6台3100ZLQ-75立式轴流泵,配套电机型号TLKS3000-48/4250,单机功率为3 000 kW,总装机容量为18 000 kW。泵站设计排涝流量240 m3/s,引江流量150 m3/s,工程规模为大(1)型。凤凰颈泵站改造工程主要由穿堤涵洞(由老泵站改造)、新建压力水箱、新建泵房、新建前池(西河侧)等主要建筑物组成。泵房和安装间的尺寸和桩基长度、根数及桩基承载力如表1和表2所列。

表1 泵房及安装间桩基概况表

表2 桩基承载力表

2 桩基静载试验方案比选

目前桩基静载试验常用方法有堆载法和锚桩法,从技术、经济和工期等方面进行比选。

成本:A36单桩设计竖向抗压承载力特征值3 420 kN,按照《建筑基桩检测技术规范》(JGJ106-2014)要求工程桩验收检测时,加载量不应小于设计要求的单桩承载力特征值的2倍,应为6 840 kN。参照安徽省通常收费标准每吨约150元,折合大约每根桩锚桩法与堆载法相比节约8万元。

堆载法优点为使用比较广泛,其承重平台搭建简单,适合于不同荷载量试验,可对工程桩进行随机抽样检测。缺点:受检测场地空间限制、堆载量大、检测周期长,成本高。

锚桩法优点为不需要配重的运输与场地换填,可以较少地受到试验场地的影响,节约时间,特别对于大吨位试桩节约成本明显。锚桩法缺点为安装时荷载对中不易控制,试验的开始阶段容易产生过冲,当使用工程桩做锚桩时处理不好,会对工程桩的承载力产生一定的影响。

结合本工程实际,综合考虑安全、进度等因素,采取锚桩法。

3 桩基承载力试验分析

3.1 桩基承载力静载方案

因本次试验的单桩承载力极限值很高,最大达到6 840 kN。拟采用工程桩作为锚桩提供反力进行荷载试验,选用由1根主梁和2根副梁组合的“四锚一法”梁-锚桩反力系统,加载设备由均匀布置在桩顶的1台1 000 t油压千斤顶组成。试验流程如下:桩头处理→桩项面铺设细沙→放置钢板→放置千斤顶→上置钢板→放置主梁→放置次梁→锚桩焊接→千斤顶接油泵→架设基准梁→安装位移测读装置→试验→数据分析。

依据设计、《建筑基桩检测技术规范》(JGJ106-2014)及地质情况等综合考虑,选择在安装间进行锚桩法静载试验,选择A36号桩为试验桩,A21号、A23号、A49号和A51号桩为锚桩。以A36号桩为中心,另外4根桩对称分布、对称加载,且试桩中心与锚桩中心不小于3D(D为被检桩、锚桩的设计直径,取较大值),测试桩位平面布置如图1所示,锚桩立平面图如图2-图4所示。

图1 测试桩桩位图

图2 锚桩反力系统布置示意图

图3 锚桩法平台立面图

图4 锚桩法平台平面图

整个传力路径为将千斤顶的反力通过主梁传递给次梁,次梁再通过骑马与锚桩焊接,形成反力装置,将千斤顶的力传递给试验桩。经计算整个反力装置刚度满足工程要求。

将各试验点开挖至设计标高,将桩头凿至设计标高,铺设不超过20 mm中粗砂找平层,然后放置与桩径同直径的承压板。试验采用“慢速维持荷载法”,即逐级加载,在每级荷载作用下达到相对稳定标准后施加下一级荷载,荷载分级如表3所列。

表3 桩基静载试验分级表 kN

3.2 锚桩受力计算

锚桩钢筋抗拔验算:安装间A36号桩基的单桩竖向抗压承载力极限值Pt=6 840 kN,按照试验方案每根锚桩承受的反向抗拔力为Nt=Pt/4=6 840/4=1 710 kN。单根锚桩主筋为28*Φ25HRB400,按照检测方案每个锚桩焊接8对,16根钢筋。由于锚桩钢筋满足抗拔力计算要求,因而不需要进行处理,否则应对锚桩进行特殊设计,锚桩中预埋一定数量的钢绞线等增强措施,确保锚桩安全。单根锚桩抗拉承载力标准值为3 140 kN,具体计算见式(1)。

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

(1)

其中,Ny为锚桩抗拉承载力;n为锚固钢筋根数;fy为钢筋抗拉强度;As为钢筋公称面积。

锚桩钢筋抗拔力安全系数:K=Ny/Nt=1.84>1.4,说明A21号、A23号、A49号和A51号桩作为锚桩满足受力及安全要求。

锚桩桩身抗拔验算:在出现群桩非基础的整体性破坏的时候,针对其桩基抗拔承载力计算为2876.5 kN,具体计算见表4和式(2)。

(2)

表4 锚桩抗拔承载力计算表

其中,Tuk为锚桩极限承载力标准值;λi为抗拔系数;qi为抗压极限侧阻力标准值;ui为桩身周长;li为土层厚度;Gp为基桩自重;Nk为锚桩抗拔承载力。

根据计算锚桩桩身抗拔承载力Nk(2 876.50 kN)大于锚桩所受反拉力Nt(1 710 kN),且安全系数K=Nk/Nt=1.68>1.4,因此锚桩桩身也满足受力及安全要求。

3.3 静载试验结果分析

单桩竖向抗压静载试验结果如表5所列,通过表5可知,按照“慢速维持荷载法”加载到设计荷载3 240 kN,其沉降量为1.48 mm,加载极限荷载6 840 kN,沉降量为6.02 mm,卸载后最终沉降为3.24 mm。荷载-沉降关系曲线如图5所示,沉降-时间对数曲线,沉降-荷载对数曲线分别如图6、图7所示。荷载-沉降(Q-s)曲线呈线性变化,未超过规范允许值,满足要求。锚村上拔量随荷载变化关系如图8所示,通过图8可知试验过程中锚桩桩顶累计最大上拔量0.39 mm,符合规范要求,说明锚桩安全系数足够,竖向抗拔承载力满足要求。

图5 荷载-沉降(Q-s)曲线

图6 沉降-时间对数(s-lgt)曲线

图7 沉降-荷载对数(s-lgQ)曲线

图8 锚桩上拔量随荷载变化曲线

表5 单桩竖向抗压静载试验表

4 结束语

根据本工程的锚桩上拔位移随荷载变化曲线可以看出,按照规范要求考虑锚桩钢筋抗拔力和桩身抗拔验算富余系数,锚桩上拔位移满足规范要求。当采取工程桩作为锚桩,应确保锚桩受力平衡,并对锚桩进行位移监测,确保锚桩变位值在规范允许范围内。

锚桩法桩基静载试验尤其对于工期紧、施工空间小的水利工程基桩检测具有明显优势。锚桩法能够比较准确地反映单桩的受力状况和变形特征,准确反映单桩竖向抗压承载力。锚桩法桩基静载试验最好在设计阶段进行谋划,充分验算锚桩的抗拔力,为桩基检测的顺利进行提供必要保障。锚桩法和堆载法相比在大吨位桩检静载试验中节约成本和时间,具有较好的经济性与实用性。但也可将锚桩法和堆载法相结合进行桩基静载试验的反力装置。