（岩土工程专业论文）钻孔灌注嵌岩桩自平衡静载试验研究与分析.pdf

摘要 自平衡试桩法是一种基桩静载试验新技术，是接近于竖向抗压桩 实际工作条件的一种试验方法。它有效弥补和解决了传统试桩法难以 解决的基桩承载力检测问题：如超大吨位试桩、水上试桩、斜桩，坡 地和狭窄场地试桩方面的一些难题，并以装置简单、操作方便、不占 用场地、省时省力、安全经济等优点，在国内已开始得到推广应用。 本文以东莞双层桥自平衡静载试验为基础，阐述了我国灌注桩的 发展及目前常规静载荷试验方法，根据自平衡测试法在世界各地应用 研究状况，对自平衡测试法的原理、试验装置、试验方法、荷载箱的 埋置技术进行了归纳，对运用自平衡测试法测桩时桩的荷载传递机理 进行了详细的分析，并与传统试桩法测桩时桩的荷载传递机理进行了 对比分析。通过东莞市某双层桥自平衡静载试验工程运用研究，得到 了该方法在大型桥梁冲孔灌注桩工程中运用的具体措施和相关试验 数据处理的具体方法。通过现场试验和数值模拟，研究分析了影响自 平衡静载试验测试结果的因素。阐述自平衡测试结果向传统试桩结果 转换的方法，并进行了数值模拟计算。 最后，在全面总结论文工作的基础上，提出了本课题尚有待进一 步深入研究的一些问题。 关键词：钻孔灌注嵌岩桩静载试验承载力自平衡试桩法数 值模拟计算 a b s i r a c 。i t h es e l f - b a l a n c e dm e t h o di san e wt e c h n o l o g i e so ff o u n d a t i o np i l e s t a t i cl o a dt e s t ，v e r t i c a lc o m p r e s s i o np i l ei sc l o s e rt ot h ea c t u a lw o r k i n g c o n d i t i o n so fat e s tm e t h o d i te f f e c t i v e l yc o m p e n s a t e sf o rt h et r a d i t i o n a l t e s ta n ds o l v e sd i f f i c u l tt or e s o l v eb yt h ep i l ef o u n d a t i o np i l e b e a r i n g c a p a c i t yo fq u e s t i o n s ：s u c ha se x t r a - h e a v yt e s tp i l e s ，w a t e rt e s tp i l e s ，p i l e s r a m p s ，n a r r o ws l o p ea n dt h ev e n u e st e s tp i l es o m ep r o b l e m s ，a n dt h e i n s t a l l a t i o no fa s i m p l e ，o p e r a t i o nc o n v e n i e n c e ，o f f - s i t e ，t i m e s a v i n g 一 一一 e t l o r t ，s e c u r i t y , e c o n o m i ca n do t h e ra d v a n t a g e si nt h ec o u n t r yh a v eb e g u n t ob ew i d e l yu s e d n i sa r t i c l et a k e st h ed o n g g u a nd o u b l el e v e lb r i d g es e l f - b a l a n c e d l o a d i n gp i l e t e s ta saf o u n d a t i o n ，e l a b o r a t e dt h e d e v e l o p m e n to fo u r c o u n t r yp o u r i n gp i l e a n dt h e p r e s e n tc o n v e n t i o ns t a t i c l o a dt e s t i n g m e t h o d s a c c o r d i n gt ot h ea c t u a is t u d ys t a t eo ft h es e l f - b a l a n c e dl o a d i n g p i l et e s t ，t h ep r i n c i p l e ，t h ee q u i p m e n t ，t h et e s tw a y sa n dt h eb u r i e d t e c h n o l o g yo fl o a d i n gb o xf o rs e l f - b a l a n c e dl o a d i n gp i l et e s th a sb e e n s u m m e du p 1 1 1 em e c h a n i s mo ft h e l o a d i n gt r a n s m i s s i o no fs e l f - b a l a n c e dl o a d i n gp i l et e s th a sb e e na n a l y z e di nd e t a i l ，a n dc o m p a r e d w i t ht r a d i t i o n a l t e s t t h r o u g h t h e d o n g g u a nd o u b l e l e v e l b r i d g e s e l f - b a l a n c e dl o a d i n gp i l et e s tp r o j e c to p e r a t i o nr e s e a r c h ，o b t a i n e dt h i s m e t h o do ft h ep i l ep r o j e c ti nt h el a r g e - s c a l eb r i d g et h eu t i l i z a t i o nc o n c r e t e m e a s u r ea n dt h ec o r r e l a t i o nt e n t a t i v ed a t ap r o c e s s i n gc o n c r e t em e t h o d t h r o u g hi nt h ef i e l dt e s t ，t h ev a l u es i m u l a t i o na n dt h er o o me x p e r i m e n t ， t h er e s e a r c h h a s a n a l y z e dt h ei n f l u e n c ef a c t o r so ft h es e l f - b a l a n c e d m e t h o d e l a b o r a t e dt h em e t h o do ft h et e s tr e s u l t so nt h es e l f - b a l a n c e m e t h o dc o n v e r s i o n st ot h et r a d i t i o n a l p i l et e s tr e s u l t s ，a n dm a d et h e n u m e r i c a ls i m u l a t i o n f i n a l l y , i nt h ec o m p r e h e n s i v es u m m a r yp a p e rw o r kf o u n d a t i o n ， p r o p o s e dt h a ts t i l lw a i t e df o rf u r t h e rt h o r o u g hr e s e a r c hs o m eq u e s t i o n so f t 1 1 i sp 印e r k e y w o r d s ：c a b l e s t a y e dp i l ef o u n d a t i o n ，b e a r i n gc a p a c i t y , s t a t i cl o a d i n g t e s t ，s e l f - b a l a n c e dm e t h o d ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n i l 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在在论文中作了明确的说 明。 作者签名： 日期：进年一 - - 一e t 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位 论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论 文；学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 作者签名：盟导师签名笠嗡日期：4 年垦月乏日 硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 随着我国经济建设的蓬勃发展，在建筑、交通、水利、电力、港口和机场等 建设领域的建( 构) 筑物地基治理工程中采用桩基础极为广泛。桩能够将上部结构 荷载传递到深层稳定岩土地基中去，从而可以大大提高地基承载力、减少基础的 沉降，保持基础和上部结构的稳定性。桩基础己成为应用最为广泛、最为基本的 基础型式。据不完全统计，目前我国每年的用桩量己超过一百多万根f 1 】。而且造 价比较高，一般都占工程总造价的1 4 以上。因此，如何合理地确定基桩的承载力， 在保证工程质量的前提下充分发挥基桩承载力的裕度，具有重要经济意义；从另 一个角度看，如果基桩的实际承载力达不到设计要求而又没有被发现，又将给工 程带来重大隐患。因此，用什么方法确定基桩的承载力，以满足桩基工程的需要， 仍是目前工程界十分关心的问题，也是长期以来国内外许多学者、研究人员和工 程技术人员所进行的一个研究课题，他们以不同的途径进行探索和实践，取得了 很多成果，发展了很多基桩承载力检测的方法，都在不同程度上和一定的范围内 得到应用。现行的传统测桩方法：动力检测技术、静动联合的试验方法、静荷载 试验。 然而，公路桥梁大型桩基单桩承载力设计值要求巨大，某些单桩极限承载力 甚至要求达到1 5 0 0 0 吨以上。上述方法在桥梁大型桩基承载力的测试中均受到 限制，难以采用这些桩基试验或测试方法准确确定其单桩极限承载力，单桩承载 特性也难以弄清，因此，研究公路桥梁大型桩基的承载特性和单桩极限承载力确 定的方法迫在眉睫。 1 2 桩基础竖向承载力的传统检测方法f l l 一 6 1 3 3 1 - 1 3 5 1 我国采用桩基可以上溯到一千多年前，但是，从2 0 世纪7 0 年代开始，桩 基技术才得以迅速发展，我国建筑、铁路和公路桥梁开始大量采用钻孔灌注桩、 人工挖孔灌注桩和预制桩，单群桩承载力与变形机理、设计理论和工程应用等均 取得了新进展，桩型、成桩技术与设备也不断创新。1 9 8 9 年，徐攸在、刘兴满 主编了桩的动测技术，1 9 9 4 年，刘金砺编著了桩基工程与施工技术，较 早全面系统地阐述了桩基设计、计算、施工和检测技术，1 9 9 4 年，建设部颁布 了建筑桩基技术规范( j g j 9 4 - 9 4 ) ，极大地促进了桩基的工程应用。随着桩基 技术的进步，灌注桩的桩径、桩长也日益增加。目前，我国桥梁工程中最大桩径 已超过5 0 m ，桩基入土深度已达1 0 0 0 m 以上。桩基础承载力的确定方法也在 硕士学位论文第一章绪论 不断更新，新兴理论和方法也不断涌现，迄今为止，主要采用静载荷试验法、动 测法( 低应变、高应变) 、静动法。这些方法已经在大量的工程实践中得到了应 用，并取得了一定的成果。 1 2 1 动力检测技术 动测法是应力波理论的应用，是桩基础检测的常用方法。其中，低应变动测 法( p i t ) 和高应变动测法( p d a ) 是最常用的方法。动测法的可靠性取决于两个方 面：其一是激振能量能否使桩产生足够大的位移以充分激发桩土阻力；其二是合 理地消除瞬态作用带来的动阻力影响。 低应变测桩是指作用在桩顶上的动荷载远小于桩的使用荷载，能量小，只能 使桩上产生弹性变形，一般清况下只产生1 0 动应变。低应变测桩法包括反射波 法、机械阻抗法、水电效应法、动力参数法、共振法、球击法等6 种。 反射波法在桩顶竖向激振，弹性波沿着桩身向下传播，当桩身存在明显波阻 抗差异的界面( 如桩底、断桩和严重离析等) 或桩身截面积发生变化( 如缩颈或扩 颈) ，将产生反射波，经接收、放大、滤波和数据处理，可识别来自不同部位的 反射信息。 机械阻抗法可用于各种机械结构和土木结构的动态特性分析。在桩基检测 中，通过测定施加于桩基的激励力和该激励下的动态响应识别桩基的动态持性。 水电效应法是利用水中高压放电激起水体瞬间热膨胀产生巨大脉冲力，对桩 顶施加冲击荷载激励桩的振动，通过对时域曲线及频域幅值谱、自功率谱的分析， 判断桩身质量及单桩承载力，是瞬态法的一种，采用高压放电产生脉冲激励是该 法的一大特点。 反射波法、机械阻抗法、水电效应法用于检测桩身完整性，水电效应法在激 振及分析方法上较有特色，后五种方法可用于检测单桩承载力。在国内中国科学 院武汉岩土力学研究所、中国建筑科学研究院地基基础研究所等单位研制的动测 仪较为普遍，比较先进的仪器为美国p d i 公司生产的p i t 系列。国内主要研究 人员有徐攸在、王靖涛、程乐平和刘明贵等。 高应变法是利用高能量的冲击力产生沿桩身纵向传播的波动检测基桩承载 力和桩身完整性。广义的讲，是指所有能使桩土问产生永久变形( 或较大动位移) 的动力检测基桩承载力的方法。与小应变的根本区别在于它对桩顶采用较大的能 量冲击，该桩身瞬时动应变峰值基本达到静载试验极限荷载时的相对位移，桩周 土的摩阻力得以充分发挥。c a s e 法和c a p w a p 法是目前最常用的两种高应变 动力试桩方法，也是狭义的高应变动测法，通过重锤冲击桩头，产生沿桩身向下 传播的应力波和一定的桩土位移，利用对称安装于桩顶两侧的加速度计和特制工 具式应变计记录冲击波作用下的加速度于应变，并通过长线电缆传输给桩基动测 2 倾上学位论文第一帝绪论 仪；然后采用不同软件求得相应承载力和基桩质量完整性指数。国内主要研究人 员有李德庆、李大展和陈凡等。 1 静2 。l 盛糨c l p a e 海 甲 s 巷班辩 v 。 ， 彳 - 。孺哕” 嚣当h 耐c o r e d 画 j 芦弓 图1 - 1 高应变动力试桩现场测试 1 2 2 超声波法桩身质量检测 超声波检测灌注桩质量是超声检测混凝上质量的一项具体应用。其主要目的 是：一是检测桩身混凝上有无离析、断桩、和小密实等缺陷：二是对桩身整体强度 及其匀质性等作出评价。 根据波在介质中的传播方式分为横波超声波法和纵波超声波法。基桩声波透 射检测通常的振源是纵波脉冲产生的，其基本原理是在被测桩内预埋若干竖向互 相平行的声测管作为检测通道，每两根声测管组成对进行测试，称为一个测试面。 埋两根管有一个测试面；三根管三个测试面；四根管六个测试面( 见图1 3 ) 声测 管预先固定在每段钢筋笼内。用点焊或铁丝绑扎的方法固定在架立筋内侧。 o a ) 双管 b ) 三管 c ) 四管 图卜2 声测管埋设 测试时将超声脉冲发射能换器( 又称发射探头) 和超声脉冲接收换能器( 又称 接收探头) 置于声测管道中( 管中注满清水作为祸合剂) ，从管底( 管顶) 开始，以一 定间距进行等高度的逐点对测( 如图1 - 2 ) 常用的检测方法有：水平同步法、高差同 步法和扇形测法。超声法检测混凝上灌注桩混凝上质量具有探测准确，不受桩长 桩径限制等许多优点，正被越来越广泛地采用，尤其对桥梁、高塔、高层建筑下 | | _ 硕上学位论文 第一章绪论 的巨型灌注桩大多采用此法检测其完整性，效果良好。 1 2 3 静载荷试验法 静荷载试验通过反力装置用千斤项给桩施加竖向荷载，桩顶沉降量采用大量 程百分表或位移传感器量测。该方法可以确定单桩竖向极限承载力，结合在桩身 和桩端预埋测试元件还可以测定桩侧摩阻力分布情况、桩端反力和桩身轴力等。 静荷载试验方法按提供反力的方式可分为下列3 种形式： ( 1 ) 锚桩法：如图1 3 所示，通过锚桩承受抗拔提供反力，锚桩和钢反力架组 成反力装置。可根据荷载大小确定所需锚桩数量，实际工程中，一般都采用4 根。目前国内用该方法可以检测单桩极根承载力小于2 5 0 0 0 k n 的桩。 筋 图1 - 3 传统静载试验一一锚桩法示意图 ( 2 ) 堆载法：如图1 - 4 所示，在堆载反力平台上堆放重物，一般为铁锭、混凝 土块或沙袋。配重按单桩极限承载力的1 2 倍设计。目前国内用该方法可以检测 单桩竖向极限承载力小于1 5 0 0 0 k n 的桩。由于堆载对基桩周围土体有压实作用， 使得用该方法确定的单桩极限承载力比实际偏大： 4 硕一i 二学位论文第一章绪论 图卜4 传统静载试验一一堆载法示意图 ( 3 ) 锚桩堆载法：当锚桩抗拔力不够时，可以在反力钢架上增加配重，由锚桩 和堆载系统共同组成反力装置，进行静荷载试验。 在国内主要是中国科学院武汉岩土力学研究所、中国建筑科学研究院地基基 础研究所、同济大学地下工程系、中南大学岩土工程系、浙江大学岩土工程研究 所、河海大学岩土工程研究所和东南大学等多家单位不同程度地对桩的静载荷试 验进行研究。 1 2 4 静一动试桩法 静动试桩法( s t a t n a m i c ) 是目前国际上一种新的基桩承载力检测方法。1 9 8 9 年由加拿大伯明翰公司( b e r m i n gh a m m e r ) 和荷兰皇家科学院建工研究所( t n o ) 联合研制成功。它是用固休燃料在气缸里燃烧，产生高压气体顶起配重对桩顶作 用一反作用力，由力传感器、加速度计和位移传感器实测力、加速度、速度和桩 顶位移信号从而获得静一动法的荷载位移曲线，最终通过解析处理获得类似静载 试验曲线，从而确定桩的承载力。它可以通过燃烧室大小，活塞气缸形状，燃料 多少和配重多少4 个因素控制作用力大小和动态力作用时间。在动荷载作用时间 增长后，使得桩土产生很小的加速度，分析过程不同波动方程理论，荷载作用机 理近似静力试桩，但又是用动的方法产生作用荷载。所以称为静一动试桩法。静 动测桩法获得的现场实测曲线如图1 5 所示：包括桩顶静动力、位移、速度、 加速度、与时间的关系曲线，以及静动法试验曲线。 该方法简便易行，相对成本比静载试验低，测试速度快，目前己在加拿大、 荷兰、美国、德国、以色列、韩国、日本和新加坡等十几个国家得到应用，容许 检测最大极限承载力己达3 0 0 0 0 k n 。 硕上学位论文第一章绪论 g x e 眠。剐已f ) 图1 - 5 静动法实测曲线 从目前实际情况看，动测法、动静测试法、都存在着检测过程中的主观臆 断或理论的局限性，而静载荷试验法从理论上来说可以准确描述桩的受力性状、 提供可靠的桩基承载力特征值，但往往由于选桩缺乏代表性，检测周期人为压缩、 高承载力检测中的反力系统及大吨位千斤顶的技术保障问题的存在，影响了检测 的正确性、客观性。如锚桩法测试一根灌注桩的承载力，大约需要2 4 根锚桩 提供反力，试验成本成倍增加；如采用堆载反力系统，则运输和安装费用也占很 大的比例，同时还受试桩吨位和场地条件的限制。所以，国内、外的专家学者一 直都在寻找轻便、快捷、省钱的测桩方法。 1 3 自平衡试验方法 传统的静载荷试桩法迄今被世界各地奉为硅镍，认为是确定单桩承载力的最 直观、最可靠的方法。然而长期以来，静载荷试验的装置一直停留在压重平台式 锚桩反力架之类的形式，试验工作费时、费力、费钱，因此人们常力图回避做静 载试验，而且单桩承载力越高，越不倾向于做静载试验，以致许多重要的建筑物 的大吨位基桩往往得不到准确的承载力数据，基桩的潜力不能发挥。针对上述情 况，为了克服以上不足，自平衡试验方法应运而生。图1 - 6 至图l 一8 为自平衡试 验的一些实例照片。 6 硕j ：学位论文 第一章绪论 缓荔黝麟 图1 - 6 自平衡试桩法实例1 图卜7 自平衡试桩法实例2 7 溺翘缀缀嚣震 硕士学位论文 第一章绪论 图1 - 8 自平衡试桩法实例3 1 3 1 自平衡试验方法在国外的发展【7 】- 【】 基桩自平衡测试方法思路最早由日本的中( v a k a y a m a ) 和藤关( f u j i s e k i ) 所 提出，并在1 9 7 3 年取得了对钻孔桩的测试专禾u ；1 9 7 8 年s u m i i 获得了对于预制桩 的测试专利。随后，g i b s o n 和d e v e n n e y 在19 7 3 年采用类似的技术测定在钻孔 中混凝土与岩石间的胶结应力。但限于当时的科学技术水平和桩基工程发展现 状，自平衡测试技术并未得到应有的重视和认可。 美国于2 0 世纪8 0 年代中期开展了桩承载力自平衡试验方法的研究，称其为 o s t e r b e r g 试桩法也叫0 - c e l l 试验，由美国西北大学土木系荣誉教授o s t e r b e r g 博 士开发，也称为桩端加载试桩法。1 9 8 4 年首次应用于桩基检测的试验研究。1 9 8 7 年应用于在p i n g s 河桥的钢管混凝土桩的工程检测。1 9 9 4 年应用于4 5 7 m m 方型 预应力混凝土桩检测。 在美国佛罗里达大学，o s t e r b e r g 测桩法被用于原有桩基的承载力检测。另 外，o s t e r b e r g 测桩法在a u c i l l a 河桥梁基础桩检测在过程中，2 个多月四次进行 加载试验，该桩摩阻力增加了6 4 ，达到1 4 9 0 k n ，试验结果表明在软土地基中 的重复加载，可提高桩基的承载力。 l o a d t e s t 公司1 9 9 1 年将o s t e r b e r g 测桩法应用于深基础商业检测。目前 最大单桩检测值3 0 0 0t m 的记录于1 9 9 7 年在美国加利福尼亚创造，至2 0 0 0 年， l o a d t e s t 公司已完成4 5 0 项深基础检测工作，并且每年都在增加8 0 1 0 0 项检 测任务。 至今，该法已在美、英、日本、加拿大、新加坡、菲律宾及我国香港等1 0 囤 硕上学位论文第一章绪论 余个国家和地区得到推广应用，在北美己被公认为是进行基桩静荷载试验的首选 方法。应用十余年来，世界范围内己进行了5 0 0 多次0 - c e l l 试验，安装近7 0 0 个 0 - c e l l ，其中约半数是工程桩，试桩类型包括钻孔灌注桩、打入式钢管桩、打入 式预制混凝土桩及矩形( 或条形) “壁板桩 等多种桩型，试桩最大深度为9 0 m ， 最大直径3 m ，最大荷载13 3 0 0 0 k n 。 表1 1 国外应用自平衡测试技完成的上万吨大吨位试桩工程 年份地点试验荷载 2 0 0 1 t u c s o n ，a z 1 5 l m n 2 0 0 2 s a nf r a n c is c o ，c a 1 4 6 m n 2 0 0 2s a nf r a n c is c o ，c a1 3 7 删 1 9 9 7 a p a l a c h i c o l ar i v e r ，f l 1 3 5 m n 1 3 2 自平衡试验方法在国内的发展纠1 博 我国工程界、学术界对o s t e r b e r g 法的出现颇为敏感。最初，史佩栋根据其 在国外考察见闻，在岩土工程学报对该法作了简短报道，都引起了工程界的 巨大兴趣，史佩栋后期又在学术会议和其他期刊l a s h 醴1 上作了较详细介绍。 清华大学水利水电工程系己率先利用该法结合大型渗水力土工模型试验，进 行了“桩底受托桩 、“桩底受压桩 及“桩项受拉桩 三者的侧阻力发挥机理的 试验研究，并建立了从o s t e r b e r g 法试验结果推导抗压桩及抗拔桩承载力的关系 式。如不同加载方式下桩的摩阻力的试验研究、单桩在压与拨荷载下桩侧 摩阻力机理研究、( ( r e s e a r c ho nt h eb e h a v i o ro fs k i nf r i c t i o no fp i l e ss u b j e c t e dt o t o p d o w n w a r da n db a s e u p w a r dc o m p r e s s i o nl o a d i n g s ) ) o s t e r b e r g c e l l 现场载 荷试验研究等，这些研究工作对摩擦桩及端承摩擦桩的自平衡检测技术提供了 理论。通过应用实践，该课题研究者认为，o s t e r b e r g 试桩法除了作为测定桩的 承载力的一种方法外，还十分有利于对桩土相互作用机理等课题进行高水平的研 究。 另一方面，东南大学土木工程系与江苏省建设厅合作研究o s t e r b e r g 法并自 制荷载箱在工程中加以推广应用，已在国内领先将该法付诸实用。编制了江苏省 地方标准桩承载力自平衡测试技术规程( d b3 2 t 2 9 1 1 9 9 9 ) ，但从其本质来 说此规程应该对摩擦桩、端承摩擦桩和端阻相对较小的摩擦端承桩较为适用。 自1 9 9 6 年起，我国的江苏、河南、浙江、云南、安徽等省开始使用该法， 并制定了地方规程，其中用于较多的模型是人工挖孔桩和钻孔灌注桩、沉管灌注 桩的灌注桩型，其中应用于沉管灌注桩在世界上处于领先地位，其中在润扬大桥 最大试验吨位己达到1 2 0 0 0 0 k n 。 9 硕l ：学位论文第一章绪论 表1 2 近年国内一些重要工程中应用自平衡测试的项目情况 工程名称桩型试验桩数 九龙松花江大桥钻孔灌注嵌岩桩( 桩径2 2 米) 9 根 四川奉节大桥( 双层荷载箱) 钻孔灌注嵌岩桩( 桩径1 5 米) 1 根 高海公路苏家村大桥 钻孔灌注嵌岩桩( 桩径1 5 米) 3 根 安康大桥 钻孔灌注嵌岩桩( 桩径1 8 米)3 根 襄渝铁路万源桥 钻孔灌注嵌岩桩( 桩径1 2 5 1 5 米)9 根 河南省白河铁路大桥 钻孔灌注嵌岩桩( 桩径1 0 米)2 根 安徽省淮北市交通大厦 人工挖孔灌注桩( 桩径1 2 米)3 根 南京师范大学仙林校区食堂 人工挖孔灌注桩( 桩径1 2 米)4 根 南京师范大学紫金校区综合楼人工挖孔灌注桩( 桩径1 5 米)4 根 盈家春天青春渡商住楼 预应力管桩( 桩径0 4 0 5 米)9 根 润扬长江大桥( 双铰悬索桥) 钻孔灌注嵌岩桩6 根 苏通长江大桥主桥( 双塔斜拉桥) 钻孔灌注桩8 根 杭州湾跨海大桥钻孔灌注桩3 根 东海大桥 钻孔灌注桩2 根 南京长江三桥( 钢箱梁斜拉桥)钻孑l 灌注嵌岩桩3 根 京珠高速驻马店至信阳公路钻孔灌注桩2 根 武汉阳逻长江公路桥( 钢箱梁悬索桥)钻孔灌注桩2 根 合肥市某高层建筑 嵌岩桩3 根 南京卡子门世纪塔 人工挖孔嵌岩桩2 根 南京高科新港电力分公司钻孔灌注桩3 根 南水北调工程光明桥和马横桥 钻孔灌注桩4 根 注：表中被检桩最人桩径为2 8 m ，最大桩长1 2 5 m 最人承载力达1 2 0 0 0 t 。 1 3 3 测试原理及测试技术 自平衡测桩法是在桩尖附近安设荷载箱，沿垂直方向加载，试验时，在地面 上通过油泵加压，随着压力增加，上段桩与下段桩互为“堆重 ，实现自平衡， 桩侧阻力及桩端阻力随之发生作用，即可同时测得桩端承载力和桩侧摩阻力。对 于一般尺寸的桩可做原型桩试验，而对于大直径嵌岩桩( d 1 5 m ) 可先测得小直 径模型桩( d 0 8 m ) 的端阻及侧阻单位面积承载力，再按尺寸换算求得大直径桩 的桩端及桩侧总阻力。由于加载装置简单，可多根桩同时进行测试。我们用模型 1 0 硕上学位论文 第一章绪论 法测试过多幢高层人工挖孔桩基，房屋使用情况良好。 自平衡测桩法的主要装置是一种经特别设计可用于加载的荷载箱。它主要由 活塞、顶盖、底盖及箱壁四部分组成。在顶、底盖上布置位移棒，将荷载箱与钢 筋笼焊接成一体放入桩底后，即可浇捣硅成桩。试验设备荷载箱中的压力可用压 力表测得，荷载箱的向上向下位移可用位移传感器测得，传至数据采集和分析系 统，由计算机自动处理。因此，当荷载箱内压力增加时，可根据读数绘出相应的 “向上的力与位移图 及“向下力与位移图 ，根据两条p - s 曲线及相应的s 1 昏， s 1 9 p 可分别求得荷载箱上段桩及下段桩的极限承载力，将上段桩侧阻力经一定 处理后与下段桩极限承载力相加即为桩极限承载力。 l - 3 4 自平衡试桩法的优越性f 1 5 - i 协】 自平衡试桩法的最终目的是建立单桩桩顶的q s 曲线，并依据传统静载试 验q s 曲线的数据分析方法，判定单桩的极限承载力。与传统静载试验、动力 检测技术相比，作为一种新兴的单桩竖向极限承载力测试技术一自平衡试桩法， 显示出巨大的优越性。 技术上的优越性 装置较简单，不占用场地，不需运人数百吨或数千吨物料，不需构筑笨 重的反力架，可多根桩同时测试，试桩准备工作省时、省力、安全； 该法利用桩的侧阻与端阻互为反力，因而可清楚地分出侧阻力与端阻力 分布和各自的荷载一位移曲线； 试验后试桩仍可作为工程桩使用，必要时可利用预埋管对荷载箱进行压 力灌浆； 一 能测试任意角度基桩的承载能力； 方便的重复试验。自平衡试桩法可在不同的桩身深度或同一桩身深度的 不同时间在同一根桩上方便地进行试验； 经济上的优越性 自平衡试桩法试验费用与传统静载试验费用的统计对比见图1 。 嚣 藿 嚣 0 2 0 0 0 04 0 啪6 咖08 0 0 0 0 荷载( k u ) ( a ) 正常条件 露翟蓁 ( b ) 恶劣条件 3 5 2 5 1 5 o 2 l o 硕_ i ：学位论文 第一章绪论 图卜10 传统静载与自平衡试桩经济效益分析 由图1 1 0 分析可知，在正常条件下，试桩承载力小于2 0 0 0 0 k n 时自平衡试 桩法的优势不十分明显，但随着承载力的提高自平衡试桩法就越较传统静载试验 省钱；在恶劣条件下，自平衡试桩的优势十分明显，经济效益显著。虽然荷载箱 为一次性投入器件，但与传统方法相比可节省试验总费用的3 0 6 0 ，具体 比例视桩吨位与地质条件而定。同时自平衡试桩测试工期短，附属设备安装简单、 快捷，体现了其时间经济性。特别是能在恶劣条件下进行试验。例如：水上试桩， 坡地试桩，基坑底试桩，狭窄场地试桩，斜桩，嵌岩桩，抗拔桩等，这些都是传 统试桩法难以做到的。 1 4 问题的提出。 ( 1 ) 由于自平衡测试法的特殊性，桩的荷载传递机理、单桩极限承载力、 侧摩阻力、端阻力以及桥梁桩基单桩的承载特性有其自身的特点和变化规律。 ( 2 ) 自平衡试验方法的研究，这种测桩系统虽然不需要锚桩或压重平台等 反力装置，但其存在的问题是：上段桩于抗拔试验有相似之处，但与抗拔试验又 有不同，由于上段桩带起了周围土体，而使桩端土体围压减低，改变了桩端土体 受力状态，必然改变抗剪强度。因此，不能简单地把在两段试桩中测试的桩土体 系承载和位移，转化为一根完整桩桩土体系的承载力和位移。 ( 3 ) 由于堆载法桩的受力与其使用阶段基本一致，它的结果与实际情况是 最接近的，所以自平衡法的结果应转换为相应的堆载结果。这就有必要对比研究 这两种方法的桩的受力机理，从而找出两种结果的换算关系，即将自平衡测试的 上、下段桩p s 曲线转换为传统抗压试桩桩顶的p s 曲线，根据转换后的曲线， 得到承载力和沉降值。 ( 4 ) 本次试验是以东莞双层特大桥大直径嵌岩钻孔灌注桩的现场自平衡试 验为依托，那么对于嵌岩桩而言，施工过程中的沉渣、泥皮对试验的影响如何， 也值得研究。 1 5 研究内容及方法 ( 1 ) 总结我国钻孔灌注桩的发展及目前常规静载试验方法。 ( 2 ) 根据自平衡测试法在世界各地应用的研究状况，对自平衡测试法的原 理、试验装置、试验方法、荷载箱的埋置技术进行了系统的归纳总结。 ( 3 ) 通过数值模拟对自平衡测试法测试时桩的荷载传递机理进行了分析， 并与传统静压试桩法的荷载传递机理进行了对比分析。确定了单桩极限承载力、 侧摩阻力、端阻力并分析了它们的变化规律。研究自平衡测试桥梁基桩的承载特 1 2 硕十学位论文第一章绪论 性，推算出符合工程精度的转换公式，以及测试中的内力换算方法。 ( 4 ) 对施工过程中的沉渣，泥皮对基桩承载力影响进行数值模拟，分析了 沉渣，泥皮对单桩极限承载力、端阻力的影响。 ( 5 ) 结合东莞双层特大桥大直径嵌岩钻孔灌注桩的现场自平衡试验，对所 推算出来的各公式以及原理进行验证、分析。 1 6 本章小结 本章综合阐述了桩基试验的必要性以及试验的一些主要方法，着重阐述了自 平衡试桩法在国内外的发展、原理以及自平衡试桩法的特点和优越性。最后提出 了自平衡试桩法的一些值得重视和研究的问题，归纳了本文将要阐述以及分析的 重点。 硕士学位论文 第二章自平衡测试方法 第二章自平衡测试方法 2 1 自平衡测试方法基本原理列叫埽11 1 ”9 j 自平衡试桩法不需要压重平台或反力架，也不是从桩顶加载，试验方法的基 本出发点是利用试桩自身反力平衡的原则，在桩端附近或桩身截面处预先埋设单 层( 或多层) 荷载箱，测试时，从桩顶通过输压管对荷载箱加压，随着压力的增加， 荷载箱的箱盖和箱底被推开，从而调动桩侧土向下和桩底土向上的阻力，两者互 为反力。随着压力继续增加，桩侧阻力和桩端阻力不断发挥出来，直至达到桩承 载力极限状态。根据加载及向上、向下位移的唯一对应关系，可以绘出向上、向 下q s 曲线。这样能直观地反映荷载箱上、下两段桩各自的承载力。从而达到 试桩自身反力平衡加载的目的。如此随着荷载箱压力的不断增加，直至试桩破坏， 试验终止。将上段桩侧阻力经一定处理后与下段桩承载力相加即为桩极限承载 力。它为我们区分摩阻力与端阻力的发挥情况提供了强有力的手段。这种测桩系 统可以省去传统单桩竖向静载试验中，用锚桩横梁反力装置和压重平台反力装置 来提供所需的装备、经费和时间。 反力槊 传统静载试验 自平衡试桩法 图2 一l 传统静载试验与自平衡试桩法桩身受力对比示意图 1 4 硕士学位论文 第二章自平衡测试方法 上晨桂 下段桂 j 、 - 套 犁 删j 番囊( k n ) 图2 - 2 自平衡加载受力状态示意图及试验曲线 2 2 试验装置 试验主要装置是一种经特别设计可用于加载的液压千斤顶( 即荷载箱) 。它 主要由活塞、顶盖、底盖及箱壁四部分组成。项、底盖的外径略小于桩的外径， 在项、底盖上布置位移棒。将荷载箱与钢筋笼焊接成一体放入桩体后，即可浇捣 混凝土成桩。 采用并联于荷载箱的压力表或压力环测定油压，根据荷载箱率定曲线换算或 油压计算原理计算施加荷载。试桩的3 个位移量为桩顶位移、荷载箱上及其下部 桩段位移，分别在桩顶上预留了测点( 荷载箱上及其下部桩段位移由伸出桩顶的 位移棒来确定) 。固定和支承百分表的夹具和基准梁在构造上应确保不受气温、 振动及其他外界因素的影响以防止发生竖向变位。然后，根据读数绘出相应的“向 上的力与位移图 及“向下的力与位移图 及相应的s - l g t 、s 1 9 q 曲线，依据规 范判断桩承载力、桩基沉降。 硕士学位论文 第二章白乎衡测试方法 8 ， 0 广 1 n 湃 ”l 电嚏零：舟k ” 暂簿 ；1 j p 嚣 钐彩形彭么黝一胬羲锥 b 援旗f “t 鹈测遗豢绕隰 镌兜鞍向虑力渊试累绕瘸 图2 - 3 自平衡测桩法测试系统图1 l 鼢秆牌 己r ：薹f l 百务伽 生t i h j _ 1 , f 纤一j al l 一着压墨簟 暑o 幂涩 l 百务表( f i l l l l -l躯” l 2 3 荷载箱的放置技术【2 2 4 】 自平衡试桩法在江苏、河南、浙江、安徽、云南等省开始广泛应用，至今己 做了上百例工程。根据工程实例及试桩经验，归纳了荷载箱在桩中埋设的位置， 如图2 z 2 所示。对图中几种情况分别说明如下。 图2 5 ( a ) 是一般常用位置，即当桩身成孔后先在孔底稍作找平，然后放置荷 载箱。此法适用于桩侧阻力与桩端阻力大致相等的情况，或端阻大于侧阻而试桩 目的在于测定侧阻极限值的情况。如南京长江二桥服务区综合楼，采用钻孔灌注 硕十学位论文第二章自平衡测试方法 桩，桩预估端阻力略大于侧阻力，荷载箱摆放在桩端进行测试。 图2 5 ( b ) 是将荷载箱放置于桩身中某一位置，此时如位置适当，则当荷载 箱以下的桩侧阻力与桩端阻力之和达到极限值时，荷载箱以上的桩侧阻力同时达 到极限值。如云南阿墨江大桥，荷载箱摆放在桩端上部2 5 m 处，这样上、下段 桩的承载力大致相等，确保测试中顺利加载。 图2 5 ( c ) 为钻孔桩抗拔试验的情况。由于抗拔桩必须测出整个桩身的侧阻 力，故荷载箱必须摆在桩端，距桩端处无法提供需要的反力，故将该桩钻深，使 加长部分桩侧阻力及桩端阻力提供所需的反力。 图2 5 ( d ) 为挖孔扩底桩抗拔试验的情况。如江苏省电网调度中心三层地下 室，抗拔桩为挖孔扩底桩，荷载箱摆在扩大头底部进行抗拔试验。 图2 5 ( e ) 适用于大头桩或当预估桩端阻力小于桩侧阻力而要求测定桩侧阻 力极限值时的情况，此时是将桩底扩大，将荷载箱置于扩大头上。如南京北京西 路军区安居房工程。该场地s m 下面软、硬岩相交替，挖孔桩侧阻力相当大，故 荷载箱置于扩大头上进行测试。江浦农行综合楼采用夯扩桩，荷载箱摆在夯扩头 上进行测试。 图2 4 ( f ) 适用于测定嵌岩桩嵌岩段的侧阻力与桩端阻力之和。此法所测结果 不致于与覆盖土层侧阻力相混。如仍需测定覆盖土层的极限侧阻力，则可在嵌岩 段试验后浇灌桩身上段混凝土，然后再进行试桩。如南京世纪塔挖孔桩工程。设 计要求测试出嵌岩段侧阻力与端阻力，因此荷载箱埋在桩端，混凝土浇灌至岩层 顶部。 图2 5 ( g ) 适用于当有效桩顶标高处底面以下一定距离时( 如高层建筑有地 一 下室情况) ，此时可将输压管及位移棒引至地面方便地进行测试。如南京多媒体 大厦，采用冲击钻孔灌注桩，三层地下室底板距地面1 4 m ，预估该段桩承载力达 8 0 0 0 k n ，而整桩预估承载力高达4 0 0 0 0 k n 。浇捣混凝土至底板下部，测试结果 消除了上部空头桩的影响。 图2 5 ( h ) 若需测定两个或两个以上土层的侧阻极限值，可先将混凝土浇灌 至下层土的顶面进行测试而获得下层土的数据，然后再浇灌至上一土层，进行测 试，依次类推，从而获得整个桩身全长的侧阻极限值。如江苏省电网调度中心挖 孔桩工程。荷载箱摆在桩端，上部先浇2 5 m 混凝土，测出岩石极限侧阻力后， 上部再浇混凝土，测桩端承载力及后浇段桩的承载力。 图2 5 ( i ) 采用两只荷载箱，一只放在桩下部，一只放在桩身另一部位，便 可分别测出三段桩极限承载力。如润扬大桥世业洲钻孔桩，桩径1 5 m ，桩长7 5 m ， 一只荷载箱距桩顶6 3 m ，另一只荷载箱摆在2 0 m 处。由于液化的影响，上部2 0 m 的砂土层侧阻力必须扣除。故首先用下面一只荷载箱测出整个桩承载力，再用上 1 7 硕士学位论文第二章自p 衡测试方法 面一只荷载箱测出上部2 0 m 桩侧阻力，扣除该部分侧阻力即为该桩承载力。 ( a ) ( i o )( c )( c i ) 图2 - 5 荷载箱放置部位 2 4 本试验设备的布置和安装 ( 1 ) 桩身应变测试元件 在土层交接面及桩底附近的桩身内成对埋设钢弦式应变计，应变计紧贴钢筋 笼主筋布置，应变计的导线沿钢筋笼引出，用以测定桩周各土层的侧摩阻力和端 阻力。 ( 2 ) 荷载箱的大小以及与上、下钢筋笼的连接 荷载箱的外径为1 4 m 、留有大于5 5c m 的孔筒两个，以便导管的下放和混 凝土灌注时的翻浆，外围保护板作为桩身灌浆修复区，板上开有一定数量的小孔， 用于安装各类测量管( 如位移棒) 以及应变线的穿孔。护板内箱体空间( 原始高 3 0c m ) 中有多个圆环形钢板带( 厚7 c m ) 加劲体、注浆凝固体截面积不少于桩 的8 0 。荷载箱上下设置有不少于4 c m 高的多条加劲嵌入钢板来加强箱体与浇 图2 - 6s 6 a t 号荷载箱图2 - 7n 2 a t 号荷载箱 上下两节钢筋笼分别焊接于荷载箱上，端部用“l ”筋加固连接。 rp卜_卜h lh=：。，菲雏 k卜。【00蠢 00i；随 一 一 nf卜卜卜卜。0，、3虢；t，- 硕士学位论文 第二章自平衡测试方法 图2 - 8 钢筋笼与荷载箱的连接 ( 3 ) 各种测量管的布置 一共有4 根测量管埋设于桩内，2 根为下部测量管，端部设在离荷载箱底板 0 8 m 以下的位置，内穿中2 0 的光圆钢筋作为位移测量棒，并伸至地面，用于测 量下段桩的位移量；两根为上部测量管，端部设在离荷载箱顶板以上o 8 m 的位 置，内穿由2 0 的光圆钢筋作为测量棒，并连接到地面，用于测量上段桩的位移 量，如图2 9 和图2 1 0 所示。 图2 - 9n 2 a t 试桩各管道的布置图 1 9 硕七学位论文 第二章自、 二衡测试方法 图2 - 1 0s 6 a t 试桩下部测量管的布置图 2 5 加载方式 采用慢速维持荷载法，即逐级加载，每级荷载作用下，上、下两段桩均达到 相对稳定后方可加下一级荷载，直到试桩达到承载力极限状态，当一段桩已达极 限状态，而另一段桩未极限状态时，应继续加至两段桩达到均极限状态，然后分 级卸载到零。本