高荷载条件下桩基静载试验反力装置研究_荣铁楠.pdf

130 建筑机械设计计算DESIGN&CALCULATION高荷载条件下桩基静载试验反力装置研究荣铁楠（中交一公局集团有限公司，浙江 杭州 311122）摘要埃塞俄比亚亚的斯亚贝巴市某桥梁工程的桩基竖向静载试验设计荷载较高，现有桩基静载试验中反力装置局部存在强度应力的安全问题。针对该实际问题，在材料短缺的情况下，本文设计了一套能满足桩基竖向静载的新反力装置，该装置通过贝雷支架与工字钢、钢管钢筋混凝土组合焊接成整体，并采用Midas有限元软件对桩基竖向静载条件下的新反力装置进行计算与分析。结果表明，新反力装置满足要求，并成功地应用于实际工程，解决了桩基静载试验的技术安全问题。关键词桥梁工程；桩基；静载；反力装置；技术安全中图分类号TH473.1 文献标识码B 文章编号1001-554X（2023）02-0130-05Research on reaction device of pile foundation static load test under high loadRONG Tie-nan在埃塞俄比亚亚的斯亚贝巴的市政桥梁工程中，桩基竖向静载试验是根据美国规范ASTM D1143与埃塞俄比亚公路局施工技术规范ERA-2013中10112的相关要求，结合现场材料情况采用工字钢、贝雷片与钢筋堆载形成反力装置。本项目高墩下桩基静载的极限设计荷载为1260t，而原有由4片50cm的50B型工字钢组成的组合梁的最大设计承载力为1000t，故原有反力装置不能满足承载要求。当千斤顶顶推力超过原有组合梁最大设计承载力时，将导致反力装置中的贝雷片拉杆断裂，致使上部堆载荷载坍塌进而引发安全事故。另外，由于目前埃塞俄比亚资源匮乏，市场上只有56cm的I56型工字钢，因此需要在国外材料短缺的情况下重新设计桩基静载试验的反力装置，从而保证桩基竖向静载试验安全顺利进行。1 桩基基本情况埃塞俄比亚亚的斯亚贝巴市某项目大桥一共13跨，每跨25m，桥长333m，分左右两幅，共计4个承台，每处承台8根桩基，其中位于河流最深处的墩柱加盖梁高度为40m。由于位于最深河流处的这一跨地质比较复杂，采用直径1.5m、总桩长28m的桩基础。为了保障设计安全，需要进行桩基竖向静载试验。根据地勘报告选择最不利的桩基Pier 4 LHS（A）工作桩进行桩基竖向静载试验，具体设计数据如下：（1）基于设计公司的设计要求，设计传递到桩基的竖向静载力为700t。（2）根据当地规范要求设计桩基竖向静载试验，其中竖向力除了施加到设计压力的150%，还要增加20%的保障系数，因此最终压桩试验的力为7001.51.2=1260t。（3）根据埃塞俄比亚公路局施工技术规范ERA-2013中10112的相关要求与桥梁支架设计理论，反力装置提供的反力不得小于最大加载量的1.2倍，故反力装置承载力拟设定为1600t。2 原有反力装置情况2.1 材料性能项目桩基静载试验原有一套反力装置，其中组合钢梁由4片56cm的工字钢焊接制成。组合钢梁中的50B工字钢型号为Q235，其抗弯强度设计值为215MPa、抗剪强度设计值为125MPa。每节贝雷片 DOI:10.14189/ki.cm1981.2023.02.021收稿日期2022-10-08通讯地址荣铁楠，浙江省杭州市余杭区绿野微博公馆CONSTRUCTION MACHINERY 1312023/02总第564期长3m、高1.5m，将4片贝雷片逐一拼装成12m长的贝雷支架。在采用此原有反力装置的桩基竖向静载试验中，当反力装置承受的反力超过950t时，贝雷支架会出现异响。2.2 受力计算原有反力装置中的反力梁应用于最大荷载900t的桩基静载试验，以前的受力计算如下：（1）建立反力梁模型。通过计算分析发现，上部堆积荷载越大，反力梁产生应力越小。因此，梁上部荷载取加载桩基力的1.2倍，即q=10000kN1.2/12m=1200kN/m，均布分布在反力梁上，其荷载模型如图1所示。（2）采用有限元软件Midas进行分析，原反力梁受力计算结果如图2和表1所示。q=1200kN/mF=1000kN10200mm900mm900mm图1 原反力梁模型图a弯应力图b剪应力图图2 原反力梁应力图/MPa表1 原反力梁受力分析表均布荷载/（kN/m）集中荷载/kN最大弯矩/（kNm）最大剪力/kN最大弯应力/MPa最大剪切应力/MPaQ235反力梁 屈服强度/MPaQ235反力梁抗弯强度 设计值/MPaQ235反力梁抗剪强度 设计值/MPa120010000109295000235.58.3235215125当桩基竖向压力1000t时，反力框架达到屈服强度。通过验算，项目原有反力框架最大承重为1000t，而本桥梁项目最大竖向静载压力为1260t，因此原有的反力装置不能满足桩基竖向静载试验要求，需要重新设计桩基静载试验的反力装置。3 新反力装置的设计验算3.1 设计构想本桥梁项目桩基的最大竖向静载试验压力为1260t，项目原有反力装置不能满足此工作状态下的荷载要求。反力装置中组合梁跨中产生最大弯曲应力，并且已经超过了原有装置的最大容许弯曲 应力。为了提高组合梁的抗弯强度，可以考虑减小梁跨中弯矩或改变截面尺寸。而最有效的办法就是增加截面高度。为此，本项目在经过验算后，提出的新反力梁设计构想如下：加工内径0.6m、高度1.5m、壁厚10mm的钢管柱，并在钢管柱中浇筑C30混凝土，制成钢管混凝土柱。用两列平行6拼的I56工字钢上下平行布置，两列工字钢之间交错布置贝雷梁片和钢管钢筋混凝土墩柱。在每列工字钢跨中2.4m范围内，每隔30cm焊接一道肋板用以增加其结构刚度。在工字钢垂直方向架设贝雷梁，每列贝雷支架梁间距为90cm，每两列贝雷支架梁用90#花架连接成贝雷桁架组。在贝雷桁架之间设置与其高度一致的C30钢管钢筋混凝土柱，钢管及钢筋与上下两列工字钢焊接连接。通过在两列工字钢与混凝土柱子之间进行灌浆，使混凝土柱子与上下两列工字钢紧密接触。通过在每隔45cm处设置两道对称的对拉螺杆将两列工字钢锁死，从而令上下两列工字钢、中间的贝雷梁和钢管钢筋混凝土墩柱形成一个整体，组成新反力梁装置。新反力梁装置的剖面图和横断面图如图3和图4所示，新桩基静载实验的正面图和侧面图如图5所示。132 建筑机械设计计算DESIGN&CALCULATION12001801201201201201806060606060606060609090909090909090905656150606030 30 30 30 30 30 30 30加强肋板加强肋板贝雷梁拉杆钢筋（锁死钢筋混凝土柱）60cm钢管钢筋混凝土柱子图3 新反力梁剖面图810cm箍筋6拼I56工字钢6拼I56工字钢2010cm主筋2010cm主筋2475cm10mm钢管10mm钢管加强筋15056561717 17 17 17 1760cm钢管钢筋混凝土柱子图4 新反力梁横断面图12002121I14 工字钢桩顶标高3台千斤顶钢筋堆载1600吨I1450cm 工字钢六拼I56 工字钢六拼I56 工字钢贝雷梁+钢管立柱混凝土块支撑3静压桩FFEE15020a正面图钢筋堆载1600吨I1450cm 工字钢六拼I56 工字钢六拼I56 工字钢贝雷梁+钢管立柱混凝土块支撑加强肋板3台千斤顶静压桩DBAC1502012003003001201206030 30 30 30 30 30 30 30301206030 30 30 30 30 30 30 3030120300300609060906090609060906090609060906090b侧面图图5 新桩基静载实验图3.2 新反力装置的验算分析（1）建立反力装置梁模型。同2.2节所示，梁上部荷载取加载桩基加载力的1.2倍，即q=12600kN1.2/12m=1260kN/m，其荷载模型如图6所示。q=1260kN/mF=12600kN10200mm900mm900mm图6 新反力梁模型图（2）采用Midas进行分析，新反力梁受力计算结果如图7和表2所示。可以看出，反力梁中6拼焊接锁死工字钢满足抗弯抗剪要求，钢管钢筋混凝土墩柱也能满足抗剪要求。a弯应力图b剪应力图图7 新反力梁应力图/MPa4 新反力装置应用 该项目桩基竖向静载试验按照美国规范ASTM D1143、埃塞公路局的相关规范和业主监理提出的要求进行设计。每台千斤顶的有效面积为731mm2，故3台千斤顶的面积共为2193mm2。千斤顶的四周设置环形基准梁，该基准梁独立于桩和CONSTRUCTION MACHINERY 1332023/02总第564期表2 新反力梁受力分析表均布荷载/（kN/m）集中荷载/kN最大弯矩/（kNm）最大剪力/kN最大弯应力/MPa最大剪切应力/MPa弯应力容许值/MPa剪应力容许值/MPaC30混凝土抗压强度设计值/MPa12601260024947.5630094.02.221512513.8千斤顶，并与地面固定以保证其不受振动等外界因素的影响。在桩顶20cm以下位置4个不同方位标记4个沉降观测点，并在同一水平面的基准梁上分别放置4个最大量程为100mm、精度为0.01mm的百分表，用于检测桩基的沉降量。记录百分表相对于沉降观测点的位移作为试验桩基的荷载沉降量。同时，在反力装置的反力梁上布置5个最大量程为100mm、精度为0.01mm的百分表，用于检测反力梁的变形量。4.1 桩基静载试验桩基静载试验的设计竖向标准载荷为700t。根据埃塞公路局规范的相关规定，至少增加20%的系数，因此竖向压力应按照700120%=840t进行计算。本次静载试验的桩基属于工作桩，最大加载载荷为840150%=1260t。分级加载0-25%-50%-75%-100%-75%-25%-0%-100%-125%-150%-125%-100%-75%-50%-25%-0，除了最大荷载每一级加载卸载后持力至少30min，每10min观测沉降量，直到沉降量稳定不变为止再进行下一个荷载的加载或卸载。当加载到150%最大荷载时，至少持力12h以上，每小时观测一次沉降量，直到12h后沉降量稳定不变时开始逐级卸载。此外，在试验过程中还需要观测工字钢组合梁与贝雷片的变形量，并观察反力装置中反力梁上5个百分表的读数，以此计算反力梁的变形量。在加载过程中，注意观测千斤顶附近的工字钢组合梁与贝雷支架是否有响声或其他局部变形过大的 现象。4.2 新反力装置的验证根据试验结果，分别绘制竖向荷载-沉降Q-S曲线和沉降-时间对数S-lgt曲线如图8和图9所示，判断单桩竖向抗压极限承载力Qu和桩基竖向静载试验的沉降量。-5.0-4.5-4.0-3.5-3.0-2.5-2.0-1.5-1.0-0.50.00.50沉降量/mm竖向荷载/kN12000100008000600040002000-4.337图8 竖向荷载Q与沉降量S关系图-5.0000-4.5000-4.0000-3.5000-3.0000-2.5000-2.0000-1.5000-1.0000-0.50000.00000.50001101001000时间对数/min沉降量/mm图9 沉降量与时间关系图4.2.1 单桩竖向抗压极限承载力Qu的分析根据设计文件，设计桩基竖向静载试验的承载力要小于钻孔取芯地质勘探报告中给出的桩基承载力，用桩基静载试验验证桩基设计是否成功。根据以下方法确定桩基承载力：（1）根据沉降随时间变化的特征确定桩基承载力，即取S-lgt曲线尾部出现明显向下弯曲的前一级荷载值作为桩基承载力。（2）根据沉降随荷载变化的特征确定桩基承载力，即对于陡降型Q-S曲线，取其发生明显陡降的起始点对应的荷载值作为桩基承载力。（3）当在某级荷载作用下，桩顶沉降量大于前一级荷载作用下沉降量的2倍，且经24h尚未达到相对稳定标准，取前一级荷载值作为桩基承载力。（4）对于缓变型Q-S曲线可根据沉降量确134 建筑机械设计计算DESIGN&CALCULATION22220ACBDMMGRRlMMRlR+=