1 工程概況
潤揚長江公路大橋是江蘇省“四縱四橫四聯(lián)”公路主骨架和南北跨越長江公路通道的重要組成部分，全長35.66km。其中跨江主橋工程全長7.4km，由北引橋、北漢主橋、世業(yè)洲互通立交、南漢主橋、南引橋5個部分組成。南漢懸索橋主跨1490m。
跨江主橋橋址位于揚子板塊，在歷次擠壓褶皺及巖漿活動綜合作用下，地質(zhì)情況復雜。覆蓋層軟土具有觸變性，部分區(qū)域有液化土層分布；基巖構(gòu)造破碎，風化程度不均勻；土體及下臥基巖物理力學指標變化較大。
潤揚長江公路大橋塔墩基礎(chǔ)為大直徑鉆孔灌注樁，樁基根數(shù)多，為了驗證并優(yōu)化樁基設(shè)計，對樁基礎(chǔ)進行試樁試驗，用以研究確定單樁承載力、分層巖土摩擦力、端阻力、樁基沉降、樁彈性壓縮、巖土塑性變形，找出優(yōu)化的樁端持力層、樁長、樁徑，為設(shè)計人員優(yōu)化樁基設(shè)計提供必要依據(jù)。
2 自平衡法試樁原理和方法
2.1 測試機理
傳統(tǒng)的樁基荷載試驗方法有兩種，一是堆載法，二是錨樁法，都采用油壓千斤頂在樁頂施加荷載，存在的主要問題是：前者必須解決幾百噸甚至上千噸荷載的來源、堆放及運輸問題，后者必須設(shè)置多根錨樁及反力大梁。這2種方法不僅所需費用昂貴，時間較長，而且易受噸位和場地條件限制。
為解決以上難題，美國學者Osterberg
[1]于20世紀80年代首先提出了自平衡測試法，并于80年代中期開展了樁承載力自平衡試驗方法的研究，首先在橋梁鋼樁中成功應(yīng)用，后來逐漸推廣至各種樁型。
樁承載力自平衡試驗方法是在基樁施工過程中將荷載箱(主要由活塞、頂蓋、底蓋及箱壁4部分組成)放在樁身指定位置，測試時能直觀地反映荷載箱上、下兩段樁各自的承載力。這為我們區(qū)分摩阻力與端阻力的發(fā)揮情況提供了強有力的手段，其測試機理如圖1所示。試驗時，從地面給油壓管加壓，隨著壓力的增大，荷載箱將同時向上、向下發(fā)生變位，自動調(diào)整樁側(cè)阻力及樁端阻力，直到破壞。根據(jù)加載及箱體向上、下位移的惟一對應(yīng)關(guān)系，可以繪出向上、向下Q一S曲線;將上段樁得到的極限抗拔承載力經(jīng)一定處理后轉(zhuǎn)換為極限抗壓承載力，再與下段樁承載力相加即為樁極限承載力。
相對傳統(tǒng)靜載荷測試方法，該法有以下特點：
(1)裝置較簡單，不占用場地，不需運人數(shù)百噸或數(shù)千噸物料，不需構(gòu)筑笨重的反力架，試樁準備工作省時、省力、安全；
(2)該法利用樁的側(cè)阻與端阻互為反力，因而可清楚地分出側(cè)阻力與端阻力分布和各自的荷載一位移曲線；
(3)試驗費用省。盡管荷載箱為一次性投人器件，但與傳統(tǒng)方法相比可節(jié)省試驗總費用的30%-60%，具體比例視樁噸位與地質(zhì)條件而定；
(4)重復試驗方便?？稍诓煌臉抖松疃?雙荷載箱或多荷載箱)和同一樁端深度的不同的時間(后壓漿試樁效果)在同一根樁上方便地進行試驗[2]；
(5)在水上試樁，坡場試樁，基坑底試樁，狹窄場地試樁，斜樁，嵌巖樁，抗拔樁等情況下，傳統(tǒng)試樁法難以做到，而自平衡試驗方法則具有優(yōu)勢。
2.2 極限承載力確定
(1) 根據(jù)位移隨荷載的變化特性確定極限承載力：在陡變形Q-S曲線上取曲線發(fā)生明顯陡變的起始點對應(yīng)的荷載；對于緩變形Q-S曲線，上段樁極限側(cè)阻力取對應(yīng)于向上位移S+= 40一60 mm處的荷載，下段樁極限側(cè)阻力取S-=40~60mm處的荷載，或大直徑樁時S-=(0.03~0.06)D 處對應(yīng)荷載。
(2) 根據(jù)沉降(S)隨時間(t)的變化特征確定極限承載力：取S-lgt曲線尾部出現(xiàn)明顯彎曲的前一級荷載值。
根據(jù)上述準則，可求得樁上、下段極限承載力實測值Qu+、 Qu-。該法測試時，荷載箱上部樁身自重方向與樁側(cè)阻力方向一致，故在判定樁側(cè)阻力時應(yīng)當扣除。
2.3 測試結(jié)果向傳統(tǒng)方法的轉(zhuǎn)換
在樁承載力自平衡測試法中，可以測定荷載箱向上、向下的變位量，及樁在不同深度的應(yīng)變或軸力。通過樁的應(yīng)變和斷面剛度，可以計算出軸向力分布，進而求出不同深度的樁側(cè)摩阻力，利用樁側(cè)摩阻力與變位量的關(guān)系、荷載箱荷載與向下變位量的關(guān)系，通過荷載傳遞解析方法，可求得等效樁頭荷載對應(yīng)的荷載一沉降關(guān)系。
在荷載傳遞解析中，做如下假定：
(1) 樁為彈性體；
(2) 可由單元上下兩面的軸向力和平均斷面剛度來求各單元應(yīng)變；
(3)自平衡測試法中，樁尖的承載力與沉降量關(guān)系及不同深度的樁側(cè)摩阻力與變位量關(guān)系跟標準試驗法是相同的。
3 主要試驗研究工作
3.1 試樁情況
根據(jù)地質(zhì)構(gòu)造情況，南引橋布置1根擔φ1.5m試樁(地質(zhì)鉆孔編號Y48)。南漢橋南塔地質(zhì)情況復雜，受構(gòu)造塊的影響，基巖裂隙發(fā)育，同時根據(jù)南漢橋南塔基礎(chǔ)的地質(zhì)情況，樁基礎(chǔ)的彈性壓縮、差異沉降的控制在南塔基礎(chǔ)及塔身設(shè)計中顯得尤為重要，因此在南漢橋南塔布置1根φ2.8m工程試樁(地質(zhì)鉆孔編號ZN121)和2根φ1.2m模擬試樁(地質(zhì)鉆孔編號為ZN36與ZN131)。世業(yè)洲高架橋引橋布置1根中φ1.5m試樁(地質(zhì)鉆孔編號Y34)北漢橋南塔墩下伏基巖巖性為花崗巖，處于F1夾江斷層與F2斷層交匯部位，巖體破碎，風化、蝕變強烈，局部有夾層泥，為構(gòu)造角礫巖。為確保南塔基礎(chǔ)的安全可靠，并符合經(jīng)濟原則，布置1根擬φ1.5m試樁(地質(zhì)鉆孔編號Y20)。共進行了6根試樁，試樁有關(guān)數(shù)據(jù)見表1。
采用自平衡法試樁對樁基施工帶來了一定的困難，因為鋼筋籠上附加了4~8根鋼管及4~8根位移管，使鋼筋籠下籠時速度放慢，且樁側(cè)土易于塌孔。因此采取了一系列措施保證了試樁的樁體質(zhì)量。
3.2 試驗研究內(nèi)容
(1)復雜地質(zhì)條件下，大直徑鉆孔樁成孔工藝研究。通過試樁工藝研究，取得經(jīng)驗，確保工程質(zhì)量，提高成樁優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品率，減小風險，避免廢樁、補樁，提高效率。
(2)樁基承載力的測試通常只是以驗證設(shè)計為目的，鑒于潤揚公路長江大橋橋梁長，樁基數(shù)量大，地質(zhì)情況復雜，通過利用自平衡方法做樁基承載力極限試驗，以取得準確的相關(guān)數(shù)據(jù)，達到確保工程安全可靠、優(yōu)化設(shè)計的目的。
(3)研究同一場地大直徑樁與小直徑樁摩阻力及端承力的關(guān)系，進而研究小直徑樁靜載荷試驗?zāi)M大直徑樁的試樁方法。
(4)對自平衡法測試結(jié)果進行理論分析，利用測得的各土層側(cè)摩阻力與相應(yīng)變位的關(guān)系，建立自平衡測試方法結(jié)果向傳統(tǒng)測試方法結(jié)果的轉(zhuǎn)換方式，計算樁基承載力和沉降量。
(5)測試各土層的極限承載力、樁身軸力，確定該地質(zhì)條件下的荷載傳遞機理。
(6)研究提出優(yōu)化樁基設(shè)計方案及大噸位橋梁樁基礎(chǔ)承載力測試方法和規(guī)程。
本次試樁所測試的樁基最大承載力達1200 00kN，遠遠超過了在此之前國內(nèi)試驗測試的最大單樁承載力38 000kN。
4 結(jié)語
針對樁基噸位大、試樁場地特殊等特點，采用自平衡試樁法成功地進行潤揚長江公路大橋樁基靜載荷測試，確定了單樁承載力、分層巖土摩擦力、端阻力、樁基沉降、樁彈性壓縮、巖土塑性變形，經(jīng)過一年多的研究，取得了滿意的階段性成果。
(1)采用自平衡試樁法成功地進行了1200 00kN大直徑鉆孔灌注樁靜載荷試驗，并配以鋼筋計測試元件研究了大直徑鉆孔灌注樁的荷載傳遞機理及土層摩阻力分布。結(jié)果表明自平衡試樁法試樁能突破常規(guī)法試樁噸位的限制，為以后橋梁超大噸位樁基的測試提供了有效途徑。
(2)在同一場地、同樣樁長、同一施工條件下進行了大小直徑樁承載力對比試驗，進而對小直徑樁模擬大直徑樁的試樁效果進行了研究。結(jié)果表明，大小直徑樁不僅側(cè)摩阻力存在尺寸效應(yīng)，而且端阻力亦存在尺寸效應(yīng)，因而模擬試樁應(yīng)該考慮尺寸效應(yīng)的影響。
(3)對自平衡法測試結(jié)果進行理論分析，利用測得的各土層側(cè)摩阻力與相應(yīng)變位的關(guān)系，建立了自平衡測試方法結(jié)果向傳統(tǒng)測試方法結(jié)果的簡化和精確轉(zhuǎn)換方法，計算出樁基承載力和沉降量。結(jié)果表明，簡化轉(zhuǎn)換法和精確轉(zhuǎn)換法較為接近，在同一荷載水平下，簡化轉(zhuǎn)換法對應(yīng)的沉降稍大于精確轉(zhuǎn)換法對應(yīng)的沉降。工程實踐中采用簡化轉(zhuǎn)換法是安全適用的。
(4)南漢橋南塔3根嵌巖樁研究結(jié)果表明，樁嵌巖段總阻力與樁頂荷載的比值隨著樁頂荷載的增加而增加，樁側(cè)土層總阻力所占比例越來越小，但是，到加載最大值時，嵌巖段總阻力所占比例僅為53.60%~70.40%，因此，規(guī)范設(shè)計時僅考慮嵌巖段急阻力是不夠的，低估了嵌巖樁的承載能力。
參考文獻：
1 Osterberg J. New device for load testing driven piles and drilled shaft separates friction and end bearing. Piling andDeepF oundations,1989
2 李增選，張瑩。靜動試樁法及其應(yīng)用.同濟大學學報，2000(1)
