钻孔灌注桩自平衡静载试验方法及成果分析

钻孔灌注桩自平衡静载试验方法及成果分析中铁十七局集团摘要：本文详细介绍了自平衡静载试验的基本原理、测试设备、施工步逐以及测试方法，通过自平衡静载试验方法在工程桩中的应用实例，对测试结果简要分析，并对试验方法作以评价，在桩基承载力测试中具有参考价值。关键词：自平衡测试技术；施工步逐；静载试验方法；极限承载力；压浆补强措施；1、概述桩基础是桥梁结构中最为常用的基础形式之一，它承担了上部结构的全部荷载。单桩承载力的确定是桩基设计的关键问题,而桩的静载试验是确定单桩承载力最可靠的方法。一般采用锚桩法、堆载法或堆锚结合法来确定桩的实际承载力是否达到设计的要求。然而往往在许多情况下,由于场地的限制,超大超长和高吨位的桩,采用上述方法已无法解决验桩的问题。传统的静载试验装置一直停留在压重平台或锚桩反力架等型式上,试验工作存在费时费力且不经济等诸多弊端。近几年发展起来的基桩自平衡法解决了一般荷载试验方法无法解决的验桩问题。目前,一种新型的桩基试验方法自平衡测试技术已逐步开始推广应用,在国内很多工程中取得了良好的效果。自平衡试桩方法首先由美国学者J.Osterberg于1988年提出，近几年在欧洲及日本、加拿大等国也广泛使用。在我国,东南大学土木工程学院与江苏省建设厅、南京市建筑质监站于1996年开始应用,并于1999年制定了相应规程。目前,该方法在国内桩基工程中逐渐开始广泛应用。本文主要介绍该技术在邯武快速路上跨西环路、邯长铁路立交工程中的应用，为本地区城市交通工程基础桩承载力的设计、施工及检测提供了科学依据。2、工程概况及地质条件邯武快速路上跨西环路、邯长铁路立交桥连接邯郸市和武安市,是沟通两个城市的快速通道，属邯郸市重点形象工程。该桥东面连接邯郸市人民路,西面与既有邯武公路相连接,大桥建成后,可以改变本地区当前交通严重滞后的状况 ,对武安的城市化进程有着非常重要的意义。该立交桥系大跨度连续现浇桥梁工程,大桥宽35.550m，双向6车道，8个匝道，全长1426.28m。本工程采用钻孔灌注桩基础，桩基设计为摩擦桩。根据桥位附近地质勘探，除表层填土外，以第四系冲洪积层和第三系地层为主, 地质层自上而下主要有新近填土、粉质粘土、粘土、粉土、粉细砂、中粗砂、圆砾。3、自平衡测试法3.1 自平衡测试技术的基本原理桩基静载试验自平衡测试技术,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，加载时荷载箱以下将产生端阻和侧阻以抵抗向下的位移，同时荷载箱以上将产生向下的侧阻以抵抗向上的位移，上下桩段反力大小相等，方向相反，从而达到试桩自身反力平衡加载的目的,见图1。试验时通过输压油管对荷载箱施压，随着压力的增加，荷载箱伸长，上下桩段产生弹（塑）性变形，从而调动上下桩段岩土的阻力，促使桩侧和桩端阻力逐步发挥。荷载箱施加的压力可通过预先标定的油泵压力表测得,荷载箱顶底板的位移可通过预先设置的位移棒,用位移传感器测得。根据向上、向下QS、Slgt等曲线，采用相应的数据转换方法判断桩承载力、桩基沉降、桩弹性压缩和岩土塑性变形,从而达到测试桩的承载力试验的目的。图1 自平衡加载受力示意图及试验典型曲线3.2 加载系统自平衡试桩法的主要装置是特别设计的液压千斤顶式的荷载箱，根据试验桩径和试验荷载的大小，荷载内设置一个或多个千斤顶并联而成，为使荷载箱两端的桩身受力均匀、便于和钢筋笼焊接，在千斤顶上、下分别用适当厚度的钢板连接。它按不同的桩类型、截面尺寸和荷载箱大小设计制作。它主要由活塞、顶盖、底盖及箱壁四部分组成。为保证垂直受力，荷载箱平放于试桩中心，荷载箱的轴线应尽量与桩身轴线保持一致；荷载箱位移方向与桩身轴线夹角5，荷载箱最大加载能力大于设计承载力的1.2倍。安装前用美60000kN MTS试压机及油泵对荷载箱进行标定，保证加载的准确性。油表精度为0.5MPa。3.3数据采集系统采用RS-JYB基桩测试仪全自动实时观测并自动记录测试数据，采集精度高。自动判稳并提醒进行下级荷载的测试，在意外断电的情况下能自动保存数据。每根桩使用6只位移传感器，通过磁性表固定在基准钢梁上，2只用于量测桩身荷载箱处的向上位移，2只用于量测桩身荷载箱处的向下位移，2只用于量测桩顶向上位移，见图2。图2 自平衡测试系统示意图 RS-JYB基桩测试仪 荷载箱传感器性能指标如下：量程 50.00mm（单次），-327mm+326mm（多次移表）精度 满量程误差0.03mm分辨率 0.01mm重复性误差 0.01mm时漂 0.01mm/4小时温漂 0.04mm/104、测试仪器设备4.1加载设备根据预定的最大加载量设计荷载箱，加载值的率定曲线由实验室标定，埋设位置详见图3。高压油泵：最大加压值为100MPa，加压每小格0.5MPa，其压力表亦由实验室标定。图3 荷载箱位置及位移管布置图高压油泵 位移传感器4.2荷载与位移量测装置（1）电子位移传感器，量程50mm（可调），每桩6只，通过磁性表固定在基准钢梁上，2只用于量测桩身荷载箱处的向上位移，2只用于量测桩身荷载箱处的向下位移，2只用于量测桩顶向上位移。（2）在每个荷载箱上、下板之间布置2个长距离位移计，测上、下板相对变位。（3）笔记本电脑及数据自动采集仪。采用连于荷载箱输压管的压力表测定油压，根据荷载箱标定曲线换算荷载。位移测试采用位移传感器测量，在桩顶设置测点测量桩顶位移；并通过伸出桩顶的位移棒测量荷载箱顶底板的向上和向下位移；荷载箱位置及位移管布置见图3。固定和支撑位移传感器或百分表的基准梁采用一端固定一端竖向约束的方式，且与试桩保持一定的距离，以保证不受气温、振动及其他外界因素影响其竖向变位。基准梁仅起到安放磁性表座的作用，采用I40a工字钢，并搭设防风防雨篷，避免日照、雨林。试桩与基准桩中心之间的距离不小于4.5米。基准桩应打入地下的深度不小于1米。5、自平衡静载试验的施工步逐及注意事项根据设计要求, 选择跨西环路右幅20-11#桩基作为自平衡试验桩，桩的有效桩长为42m,桩径为1.5m，设计单桩极限承载力为8500kN,采用全笼分段配筋，桩身混凝土强度等级为C30。根据铁道第三勘察设计院提供的邯郸市邯武快速路立交桥工程地质勘察报告,计算出该桩的理论平衡点为距桩底10米。试桩严格按设计图纸施工，施工步骤如下：（1）按设计图纸施工桩基础，钻孔时严格掌握钻压，保证钻机安放水平，防止钻孔偏斜；（2）试桩钻孔完成后，孔径及孔垂直度用探孔器检测；（3）严格控制孔底沉淀厚度小于设计要求；（4）地面绑扎和焊接钢筋笼时，位移棒外护管、声测管、压浆管连接用套筒围焊，确保护管不渗漏泥浆，位移棒采用丝扣连接，并用管子钳拧紧，与钢筋笼绑扎成整体，运到平台上；（5）荷载箱应立放在平整地上，吊车将上节钢筋笼（外钢管）吊起与荷载箱上顶板焊接（所有主筋围焊，并确保钢筋笼与荷载箱起吊时不会脱落），保证钢筋笼与荷载箱在同一水平线上，在点焊喇叭筋时，喇叭筋上端与主筋，下端与内圆边缘点焊，保证荷载箱水平度小于3，然后荷载箱下底板与节钢筋笼连接，焊接下喇叭筋（具体要求同上），吊车将测试设备与钢筋笼放入桩底；（6）埋荷载箱前检查桩径、桩长，油管及钢管长度，钢管距离；（7）钢筋笼与荷载箱放入孔中后进行二次清孔；（8）试桩混凝土标高同工程桩，导管通过荷载箱到达桩端浇捣混凝土，当混凝土接近荷载箱时，拔管速度应放慢，当荷载箱上部混凝土大于2.5m时导管底端方可拔过荷载箱，浇混凝土至设计桩顶；荷载箱下部混凝土坍落度宜大于220mm，便于浮浆及混凝土在荷载箱处上翻；（9）埋完荷载箱，注意桩位、油管及钢管长度的准确性，保护油管及钢管封头（用钢板焊，防止水泥浆漏入）；（10）灌注水下混凝土时，制作一定量的混凝土试块，待测试时作混凝土强度、弹性模量试验；当混凝土试块强度达到设计强度95%以上时方可进行自平衡静载试验。（11）测试期间应保证不间断供电（380V、220V两种电源），试桩周围10米范围内不得有较大振动；（12）试桩采用一根平衡梁作为基准梁，平衡梁两端间距至少大于8米，一端焊接，一端自由支撑。基准桩可以从钢管桩上引钢构件，作为基准梁的支撑；（13）为尽量减少试桩时外部因素的影响，须搭设防风蓬架（保护罩），确保测试仪器不受外界环境的影响。试桩严格按上述要求施工。由中铁十七局集团第三工程有限公司施工，上海建通工程建设有限公司监理，并在山东省公路桥梁检测中心协助下完成整个工艺，施工情况正常。试桩从2008年9月22日开始施工，2008年9月28日结束。荷载箱和钢筋应力计的安装工作从绑扎钢笼开始进行，直至桩体砼浇注完毕。2008年10月17日至10月19日进行现场测试，施工情况良好。6、自平衡静载试验方法6.1试验加载方法试验采用慢速维持荷载法，即逐级加载，每级荷载达到相对稳定后方可进行下一级加载，试桩加至破坏（工程达到预定的最大加载量），然后分级卸载至零。6.2加载分级及位移观测（1）加载分级每级加载为预估极限荷载的1/101/14，每一级可按2倍分级荷载施加，对于预估荷载的最后几级，可根据实际情况适当加密，对判断极限承载力精度有所帮助。（2）位移观测加载量测：每级加载完毕后按0、5、10、15min各测读一次，以后每隔15min测读一次，累计1h以后每隔30min测读一次。电子位移传感器连接到电脑，直接由电脑控制测读，同时在电脑屏幕上显示QS曲线、Slgt曲线和SlgP曲线。卸载量测：每级荷载卸载后，应观测桩顶的回弹量，观测办法与加载相同。卸载到零后，至少在2h内每30min观测一次。（3）位移相对稳定标准在每级荷载作用下，若桩身位移量在每小时内小于0.1mm，或试桩的位移速率虽未达到小于0.1mm/h,但在连续观测的30min位移量中，出现相邻三次平均位移速率（由1.5小时内连续观测的4次位移量计算）呈现衰减，即可认为该级荷载的位移已经稳定。如若桩端下为巨粒土、砂类土、坚硬粘质土，最后30min每级加载下沉量不大于0.1mm，或桩端下为半坚硬和细粒土，最后1h每级加载下沉量不大于0.1mm，即可认为该级荷载的位移已经稳定。6.3终止加载条件当出现下列情况之一时，即可终止加载：（1）总位移量虽未达到40mm，但已达到极限加载能力，加载即可终止，取此终止时荷载小一级的荷载为极限荷载；（2）总位移量大于或等于40mm，本级荷载下的位移量等于或大于前级荷载下位移量的5倍，加载即可终止，取此终止时荷载小一级的荷载为极限荷载；（3）总位移量大于或等于40mm，本级荷载加上后24h未达到稳定，加载即可终止，取此终止时荷载小一级的荷载为极限荷载；（4）总位移量达到40mm，继续增加二级或二级以上仍无陡变，加载即可终止，取此终止时荷载小一级的荷载为极限荷载；（5）总位移量小于40mm，但荷载已达到荷载箱最大行程，加载即可终止。6.4卸载与卸载回弹观测卸载分级为加载分级的2倍，卸载后隔15min测读数一次，读2次后，隔30min再读一次，即可卸下一级荷载。卸载至零后，至少在2h内每30min观测一次，在34h再读一次。7、压浆补强措施由于本次试验在工程桩上进行，测试过程中荷载箱将桩身分成上下两段，荷载箱部位产生缝隙，为确保测试后桩的承载力不受影响，必须对荷载箱内的缝隙进行压浆处理，施工中采取下列压浆补强措施：（1）通过下位移管（或声测管）对荷载箱缝隙进行压水清洗，一管中压入清水，待另一管中流出的污水变清水时，开始对荷载箱内的缝隙进行压浆。（2）压入的水泥浆水灰比为0.60.5，并掺入7%的膨胀剂和1%的减水剂，水泥采用Po425号水泥。（3）压浆量以从一根声测管压入另一根声测管冒出新鲜水泥浆为准。然后封闭管头采用压力注浆，压力为2.5MPa，压浆水泥量大于荷载箱位移量所形成体积的4倍。（4）压浆浆液应在试验室进行强度试验，其强度应达到桩身砼强度。8、测试结果及分析整过测试过程正常，试验加载至25100kN时中止加载。试验采集了各级荷载下荷载箱向上、向下位移及桩顶位移,并同步测试了各级荷载下桩身应力分布。荷载箱向上最大位移量为6.57mm,残余位移为3.83mm;荷载箱向下最大位移量为13.50mm,残余位移为11.27mm。自平衡测试QS曲线及Slgt曲线见图4、图5。桩身轴力测试与加压荷载及沉降观测同步进行,在每级荷载加载完毕和稳定时,通过测试仪测读加载过程桩身各断面的受力,同时可通过计算反映各段桩身桩侧摩阻力的发展情况。图4 右幅20-11#桩荷载箱向上、向下QS曲线图5 荷载箱向上、向下Slgt曲线由于桩侧摩阻力的作用,桩身轴力随距荷载箱的距离增加而减小。上段桩桩身轴力自荷载箱向桩顶递减至0,下段桩桩身轴力自荷载箱向桩端递减。随着荷载的增加,桩身压缩量和位移量增大,桩侧摩阻力随之调动起来,靠近荷载箱的土层摩阻力首先发挥作用,然后远处的土层摩阻力逐渐发挥,但近处的土层摩阻力并未发挥至极限,荷载已传递到远处,可见桩侧摩阻力的发挥与桩土相对位移有关。随着桩土相对位移的增加,各土层的侧摩阻力逐渐增加,并逐渐趋于稳值。按照等效转换原理,将试验分段QS曲线转换至桩顶加载下的单一QS曲线，如图6所示。QS曲线为典型的缓变型,曲线全程主要受桩侧摩阻力的控制,表现出摩擦桩的特征。图6 右幅20-11#桩等效转换曲线右幅20-11#试桩的桩顶荷载为10200kN时桩顶位移为20.07mm。根据前述的试验方法和试验结果,确定幅20-11#试桩的极限承载力。具体分析结果如下:单桩竖向抗压极限承载力：Qu =（Qu上W）/Qu下式中：Qu为单桩竖向抗压极限承载力；Qu上、Qu下分别为荷载箱上部桩的实测极限值和荷载箱下部桩的实测极限值，W为荷载箱以上部桩自重，按行业标准建筑桩基技术规范（JGJ94-94）附录C“单极竖向抗压静载试验”确定。根据公式计算右幅20-11#桩基试桩的极限承载力:Qu=（Qu上W）/Qu下=（51003.140.752322450/9.8/1000）/0.85100=11457kN根据试验数据等效转换,结合试桩的地质分布情况,推定右幅20-11#桩的极限承载力为11457kN,而设计单桩极限承载力为8500kN,说明该桩的承载能力完全满足设计要求。9、结束语本工程采用的自平衡试桩法测试桩基承载力与常规测试桩基承载力方法有很大的不同。常规用锚桩法、堆载法或堆锚结合法来确定桩的实际承载力是否达到设计的要求，随着我国工程建设的飞速发展，在很多情况下,由于场地的限制,超大、超长和高吨位的桩等诸多因素影响,采用传统的静载试验方法已无法解决验桩的问题。自平衡静载试验法具有下列优点：（1）自平衡试桩法装置相对较为简单, 不需占用场地,不需运入数百吨或数千吨物料, 不需构筑笨重的反力架，局限性较小；（2）试桩准备工作省时