静载试验下桥梁桩基变形特征研究.pdf

中文科技期刊数据库（引文版）工程技术 125 静载试验下桥梁桩基变形特征研究 薛 毅 广西南宁机场综合交通枢纽建设有限公司，广西 南宁 530022 摘要：摘要：当前，桩基具有抗拔性能好、不易坍塌、成本低以及变形量小等众多优点，被广泛的应用到了公路桥梁建设工程中，特别是在地质不良的条件下。桩基不仅对桥梁下部结构的形变与沉降具有一个良好的控制作用，还可以将桥梁上半部分所承受的压力有效的分散给周围的岩体，以此来提高桥梁整体的承受能力和稳定性。但是，桩基施工主体在地下，在施工的过程中可能会出现许多的干扰因素，此外，无法准确的获取桩基的承载力，在投入使用后，较易产生安全隐患。所以，为保障桥梁工程的安全性，需要针对于桩基的有效承载力以及受力特性进行更加深入的研究。本文则以实际的桥梁工程作为背景研究，采取平衡试桩法对试验桩基进行静载荷试验，有效地计算出桩基在不同的荷载压力的情况下，桩基的形变以及沉降情况，并利用有限元差分软件以及构建模型，融入相关参数，在此基础上进行静载荷市实验数值模拟分析实验，以此来实现对桩基承载特性更加深入的分析。基于此，本篇文章对静载试验下桥梁桩基变形特征进行研究，以供参考。关键词：关键词：静载试验下；桥梁；桩基变形；特征研究 中图分类号：中图分类号：U291 0 引言 近些年来，在我国发生了多起公路桥梁或者城市桥梁桩基偏移、下沉甚至断裂的情况，给安全通行带来了极大的安全隐患。经研究发现，在发生桩基形变区域大多存在着在其周围填方或者挖方的现象。在桥梁桩基附近进行填土或者挖方会使得桩基周围的土体出现形变或者位移，当形变或者位移达到一定程度时，桩基难以承受其压力，就会出现弯曲或移动的情况，进而影响到桥梁整体的安全性。本文针对于桥梁施工过程中的静载试验分析，研究桩基形变特性，进一步提升桩基的性能，提升桥梁安全性。1 桥梁试验方法 1.1 FBG 传感技术优势 桥梁桩基的主体位于地下，属于一项隐蔽工程，因此，在施工过程中对其进行监管的难度较大。此外，桩基施工流程也比较复杂，需要多方配合，一旦配合不足，在施工过程中出现质量问题，桩基极易容易出现断桩、坍塌等问题，影响到桩基的承载力，进而影响到整个桥梁的安全性。因此，在施工的过程中需要对其施工过程进行严格的监测。当前，满足于对此工程进行监测的主要有超声波透射法、静载检测法与桩基动应变检测法三种检测方法，在这三种方法中，静载检测方法操作起来较为简单，并且能够获得较为准确的检测结果，因此，在桩基检测过程中应用的比较广泛。在进行静载检测时，需要依据检测需求以及桩基的形状在适当的位置放置固定的应变片和内力传感器，以此来采集所需的桩基内部各项数据。但是，在应用这种检测方法时，待检测结构和元件之间会产生较大的摩擦，在摩擦力的作用下，极易造成检测元件的损坏，进而影响检测的准确性，此外，在该检测过程中，通常会使用点式传感器，该传感器灵敏度较低，受到外界干扰的可能性大，难以满足当前对于工程检测的需求。在应用到 FBG 传感技术后，这些问题得到了有效的解决。在进行数据传输过程中，主要以光纤光栅为媒介，以信号的方式进行信息传输，此传输方法可有效提升信息的传输效率。应用到的传感器具有体积小、重量轻，抗干扰能力强等优点，将其固定在待测物体表面后，可以有效地检测出物体的形状变化的同时不会对检测物体的相关性能产生影响。1.2 提出声波透射检测 为更加准确地了解到缺陷的范围和程度，需要利用低应变法对公路桥梁桩基缺陷位置进行检测，通过声波透射检测法可以进一步的收集桩基缺陷位置信息。依据声波传播规律以及混凝土桩基的材料属性可以得出在混凝土中声波的传播特点，并以此制定相关检测中文科技期刊数据库（引文版）工程技术 126 方案。利用波动方程中时间、空间等函数关系，模拟声波在理想介质中的传播特性，假设声波的传播方向为正方向，则声波在理想介质中的波动方程式为y=Ccos x，其中y 为理想介质的质点位移；C 为声波振幅；为圆频率；x 为时刻。在进行声波透射检测时，可以将混凝土桩基的截面看作无限大，混凝土桩基内的骨料等成分对应的声学界面也远远大于声波波长的入射面。因此，在通过声波对桥梁公路桩基进行检测时，当入射波遇到界面时，会形成反射横波、纵波，折射横波、纵波四种，可以依此反射波或折射波的情况判断出公路桥梁桩基的缺陷。1.3 桥梁桩基现场测量 桥梁桩基无损检测需要在检测过程中不会对桥梁的性能造成影响，当前主要应用声波透射法对桥梁桩基进行无损检测。声波透射法主要是利用声波在不同的介质中不同的传播特征来检测桩基缺陷，在当前广泛地应用于对桩基和桩身是否存在者缺陷的检测。声波检测装置主要包括探头、超声仪和声测管，探头发挥了能量转换功能，可以将电能转换成声能。依据不同的缺陷探测需求，利用声波换能器和非金属超声检测仪，利用探头发挥的声波换能器作用，向桥梁桩基发射超声脉冲信号，信号在遇到水、混凝土、空气等不同介质时会发生反射，超声仪会将反射信号进行收集。超声探头会通过声测管进入桩基内部，在此过程中，声测管的材质会对声波产生一定的影响。当前，声测管的材质主要分为塑料和金属，需要依据声学性质来选择不同材质的声测管。超声仪经过探头向桩基内部发射声波脉冲信号时，需要经过从水到测声管、从声测管到桩基混凝土、从桩基混凝土到声测管和从声测管到水四个过程，在此过程中声能会遭受损失。金属材质的声测管声能的透射率为3.64%，塑料材质的探测管声能透射率为34.15%，声能的透射率与脉冲信号传输过程中的损失率成反比，声能透射率越高，声测管对信号传输的影响就越小，所以，更多的会选择塑料材质的声测管。在进行检测时，需要在施工的过程中将声测管埋设在混凝土中，并且要保证声测管内部的光滑，无杂物，与桥梁桩基平行，垂直于地面，此外需要保证声测管的内径在 5.5厘米到 6.5 厘米之间，声测管的管口高于混凝土桩头15 到 20 厘米。当桥梁桩径不足 1.25 米时，需要在桩口埋设三到四根声测管，若桥梁桩径超过 1.25 米时，则需要埋设五到六根声测管，声测管要成三角形进行埋设，并保证每根声测管之间都等距离。探头需要沿着声测管放入管低，另一头连接超声仪依据实际需求设定检测的脉冲电压、接收放大器的频宽、增益，衰减器的衰减值、分辨率等的参数。在开始进行检测后测量完单根的数据需要上传到计算机后再测量下一根，直至测完所有的桩基，在检测完成后续将声测管的管口密封，以便于之后的检测，对检测到的声波信号进行分析处理，判断出桥梁桩基的情况。1.4 生成公路桥梁桩基检测结果 为使得公路桥梁桩基的完整性检测结果更加直观，可将声波检测的结果分为四类，这四类分为结构完整、轻微缺陷、明显缺陷和严重缺陷。结构完整的桩基在检测过程中未出现声学异常，声速始终高于低限制；轻微缺陷的则在个别微小的地方出现监测异常，但声速也始终高于低限值；具有明显缺陷的桩基则在检测的过程中出现了多个明显的声学异常检测点，且在部分位置声速低于最低限制；具有严重缺陷的桩基则在剖面内出现多个连续的声学异常点，多个剖面异常，同时，混凝土中声音传播速度也在多数情况下低于最低限值。依据以上四种完整性划分结果，可以更加直观地表现出公路桥梁的完整性的检测情况。表 1 国内规范基桩水平变位限值(单位：mm)规范名称 相应桩基础 水平变位限值 JTG/T3650-2020 桥墩基础灌注桩 单排桩50mm 多排桩100mm JGJ94-2008 建筑地基预制桩、灌注桩 桩顶偏位10mm GB 50497-2019 基坑支护钻孔灌注 桩 围护墙 30mm 2 桥梁桩基变位控制标准分析 根据国内的实际情况，本文主要选取了我国的 公路桥涵施工技术规范（JTG/T3650-2020），建筑桩基技术规范（JGJ94-2008），建筑基坑工程监测技术标准（GB50497-2019）等国内相关领域桩基设计技术规中文科技期刊数据库（引文版）工程技术 127 范，对上述规范中桩基水平位移的限值进行了梳理（见表 1）。在其他国家，例如美国，相关部门将桩基的变形控制标准定义为：桩基的形变会造成桥梁上部的破坏，因此，需要支出较高的费用对其进行维修或重建。表 2是对美加境内150座采取桩基支撑法进行建设的桥梁，统计图表中给出了研究调查中发现的桩基允许形变值。表2 Bozozuk(1978)桩基变位容许值(单位：mm)承受变形能力 变位量 竖向 水平 容许或可接受 50 100 50 美国的国家工程部在上世纪 78 到 83 年五年间对美加境内的三百多坐桥梁的桩基形变情况进行了统计，据此设定了桥梁可承受的形变标准。在相关研究中发现，中等城市桥梁以及一般公路桥梁允许桩基水平位移 25 毫米。3 荷载试验分析 3.1 试验测试方案优化调整 在原计划方案中，试验需要依次进行工况一、工况二、工况三等一共十个工况试验。此外，还需将这十个工况分为三个级别进行加载，而每一级的加载时间从开始到结束需要十道十五分钟不等，每一个工况的加卸载时间又较长，需要较长时间阻断交通，给交通运行带来较大影响。3.2 桥梁静载试验结果分析 在对静载试验方案进行改善后，在桥梁满载的情况下，测试断面的有效荷载系数为 0.9 到 0.97 之间。将试验中收集的相关数据与理论值进行对比，以此来分析判断桥梁的挠度、抗裂性以及桥梁的结构应变能力，经过对比分析得出以下结论:（1）桥梁的承载能力。在桥梁静载试验中，受主要加载情况的影响，测试桥梁断面的承受能力应变系数在 0.71 到 0.83 之间（如表 3 所示）。依据相关规定，在规定中表明预应力混凝土桥梁的校验系数在 0.6 到 0.9 之间，因此，实验中获取的校验系数在合理范围内，表明桥梁的承载能力较好，能够确保桥梁的安全性。表 3 静载试验主要应变挠度测点挠度校验系数 工况 测点实测值/E 计算值/校验系数 A-A 断面中载满载 7#53 64 0.83 C-C断面中载满载 8#-32-45 0.71 E-E 断面中载满载 8#-34-47 0.72 （2）相对残余挠度和应变。在静载试验中，测试获得各主要的应变测试点的相对残余应变幅度在1.85%12.5%之间，各主要挠度测点相对残余变位在0%6.11%，这些试验数值都符合相关不超过 20%的范围，所以，能够因此判断出该桥梁符合相关弹性恢复能力要求。（3）结构刚度。再不同的实验荷载工况下，经研究测验到主梁测试断面的挠度校验系数为 0.69 到0.85。依据相关的预应力混凝土桥的挠度校验系数在0.7 到 1.0 的规定，相关挠度系数较为符合相关数值系数，判断出桥梁的刚度满足相关规定。（4）抗裂性能。在静载试验下，经检验，桥体未发现形变以及新的裂缝的出现，表明桥体满足相关抗裂性能。因此，在对上述各项试验数据进行对比分析后得出，此实验桥梁符合相关的各项结构强度和刚度，能够保障桥体的安全性。3.3 监控量测的意义 在进行桩基修建前，需要对工程周围进行严格的监控和测量，这样可以及时的发现工程建设周围各种不利因素，及时的解决，以保障工程建设的安全以及桥梁在建成投入使用后的安全性。在隧道周围进行桩基工程建设时，由于周围环境较为复杂，施工周期长，难以避免的会受到许多不利环境的影响，在施工建设过程中需要通过一些手段对工程建设及其周围环境进行监测，及时获取周围环境信息，保障桩基工程建设的安全性以及质量。此外，工程及其周围环境的监测数据也可以为工程建设方案的制定提供相关依据，了解桩基周围的土方承载力，形变情况，及时对其将进行评判，判断其是否满足桩基工程，若不符合相关施工建设需求，及时停止施工，制定其它施工方案，减少损失，保障工程的按时交付。中文科技期刊数据库（引文版）工程技术 128 在施工现场进行相关的监控布设还可以及时的发现在施工过程中施工对周围环境的影响，制定相关防护措施，避免对周围环境、建筑造成安全事故、经济损失，并为以后相关施工积累经验。4 结束语 综上所述，针对桥梁桩基进行施工，会引起桩基发生偏移甚至出现断桩事故，造成严重的后果。为了避免此类事故的发生，工程参与各方一定要明确：对于在软土地基既有桥梁侧进行土方开挖和填筑的工程，除通过数值模拟分析挖填土方对邻近既有桥桩结构的影响外，还应该在施工时加强对桥桩结构的变形监测。参考文献 1侯启东.竖向荷载作用下桥梁桩基础承载特性分析D.西安:西安工业大学,2020.000059.2张夏.竖向循环荷载下的桩基变形特性分析D.长安:长安大学,2018.3陈景星.高速公路梁桥加宽桩基础沉降差异控制技术研究D.西安:长安大学,2018.4杨奇.高速铁路桥梁桩基础变形性状试验与工后沉降研究D.长沙:中南大学,2018.5高璇.陡坡地段桥梁嵌岩桩基竖向承载特性模型试验研究D.西安:长安大学,2018.6燕斌.桥梁桩基础抗震简化模型比较研究D.同济:同济大学,2018.7杨明辉.岩质陡坡桥梁桩基承载机理及其分析方法研究D.长沙:湖南大学,2018.作者简介：作者简介：薛毅（1990），男，协调员，本科，广西桂平人，研究方向为道路桥梁施工。