桥梁基桩自平衡试验研究＊

黎 庶，喻明灯，张 明

(1.中铁十二局集团有限公司柳南项目部，广西南宁 530011;2.中南大学 土木工程学院，湖南长沙 410075)

桥梁基桩自平衡试验研究＊

黎 庶1，喻明灯1，张 明2

(1.中铁十二局集团有限公司柳南项目部，广西南宁 530011;2.中南大学 土木工程学院，湖南长沙 410075)

结合新建南宁至黎塘铁路8根桥梁基桩的自平衡试验数据，基于各试验桩荷载箱位置和桩周土性质，分析了荷载箱与自平衡点位置的相对关系对单桩极限承载力的影响。试验结果表明荷载箱位置的正确与否，对确定单桩极限承载力试验值的准确性影响显著，桩周土性质对承载力的影响也不容忽视。并提出一种确定自平衡点的辅助手段，即采用［P］=1/2U∑fili+m0A［σ］计算出来的试桩单桩轴向受压容许承载力反算出自平衡点位置。

自平衡荷载试验;荷载箱位置;承载力;桩侧摩阻力

单桩承载力的自平衡试验方法于20世纪80年代在美国问世［1］，与传统静载试验方法相比具有独特的优势，如:装置简单、费用低、耗时短，特别是在场地受限制和大吨位试验桩条件下［2］进行承载力试验时，其优势更加突出，所以在国内外工程领域都得到较为广泛的应用。我国东南大学最先开展此方法的研究应用，目前在我国多省市得到推广应用，并制定相关地方性测试技术规程［3－5］和行业标准［6］。但是，自平衡试验方法的试验结果受荷载箱位置、成桩工艺、试验方法与环境等因素的影响，特别是“自平衡点”位置的正确选取与否，对试验结果影响很大，若选取不当，试验确定的单桩极限承载力值与真实值将有偏差。

新建南宁至黎塘铁路NGDK713+475.160～NGDK736+759.49桥梁基桩荷载试验采用了自平衡静载试验。本文选取部分试验桩，对其环境情况和承载力试验值进行分析，揭示荷载箱位置和桩周土性质对试验结果的影响机理及其影响程度，并提出在确定单桩极限承载力时如何考虑荷载箱位置对试验结果的影响的方法，为类似地质条件和成桩环境下基桩的设计、检测和施工积累经验和数据。

1 试验原理与方法

自平衡试桩法是接近于竖向抗压(拔)桩的实际工作条件的试验方法。其主要原理为:将特制的荷载箱提前预埋在预估的桩身平衡点位置(平衡点上下承载力基本一致或有辅助手段使之基本平衡)，将加载设备与钢筋笼连接后安装在桩身平衡点位置，并将高压油管和位移杆一起引到地面。

试验采用慢速维持加载法，从桩顶通过输压管对荷载箱内腔施加压力，荷载箱向上顶上段桩身的同时向下压下段桩身(或桩底)，使桩身上部和桩身下部摩阻力及端阻力互为反力。随着荷载的增加，箱盖与箱底被推开，从而调动桩周土的摩阻力与端阻力，直至破坏。试验装置示意图见图1。

图1 试验装置示意图Fig.1 Sketch of test equipment

通过提前预埋的位移杆，可以测得荷载箱加载的每一级荷载所对应的上位移及下位移，得到向上、向下2条荷载－位移曲线(Q－S曲线)，如图2。根据位移随荷载的变化特征，分别确定上段桩、下段桩的极限承载力Qu和Qd［7］，对于陡变形Q－S曲线，Qu和Qd取曲线发生明显陡变的起始点;对于缓变型Q－S曲线，Qu和Qd分别对应于向上位移、向下位移S+=S－=40～60 mm的荷载。二者不是同时达到时，分别取值。

图2 试验示意图Fig.2 Sketch of experiment

根据S=S+=S－的原则和式(1)算出一系列点(S，Q)，并连成线即等效Q－S曲线［7］，如图 3所示，从而求得桩顶荷载对应的荷载－沉降关系，进行试桩承载力的分析。承载力也由式(1)确定

式中:G为上桩段自重;K为综合考虑轴向变形、正负摩阻力差异等因素的系数，通常取值区间在1.0～1.6，出于安全考虑，本文取K=1.0。

图3 试桩等效Q－S曲线Fig.3 Equivalent Q－S curves for piles

2 试验桩成桩情况

本文选用“湘桂铁路柳州至南宁段扩能改造工程新建南宁至黎塘铁路”工程8根桥梁基桩的试桩资料，8根试桩分别位于八一桥10，18和26号墩(简称 BY－10，BY－18和 BY－26)、两山村桥1，6和11号墩(简称LSC－10，LSC－18和LSC－26)、上坡桥5号墩(简称SP－5)和潭满绿桥9号墩(简称TML－9)。八一大桥3根试验桩成孔方式为人工旋挖，其他桩采用冲击钻成孔，水下灌注混凝土施工工艺，各试验桩概况如表 1所示。试桩地处广西境内，桩位区域地形起伏不大，试桩段内上覆第四系全新统人工弃土();冲洪积()松软土、粉质黏土、细砂、中砂、粗圆粒土;坡洪积)松软土;下伏基岩为上第三系中新统下段()泥质砂岩、粉砂岩、泥岩、砾岩夹炭质页岩。各土层极限摩阻力在20～80 kPa，基本承载力为40～500 kPa。

基桩承载力试验于2009年12月9日进场开始至2010年1月22日结束，依据《铁路工程基桩检测技术规程》(TB10218－2008)的相关规定，同时参照《基桩静载试验自平衡法》(交通部 JT/T738－2009)进行试验。

表1 试桩概况Table 1 Summary of test piles

3 试验结果分析

3.1 荷载箱位置对单桩极限承载力的影响

3.1.1 试桩分组

根据桩长、桩径和桩周土性质等因素不同，将试验桩分为3组，各试桩分组情况如表2所示。

表2 试桩分组情况表Table 2 Table of test pile group

3.1.2 根据经验公式反算自平衡点

钻孔灌注桩单桩轴向受压容许承载力计算公式为

式中:U为桩身截面周长;li为桩侧或爆扩桩桩端爆扩体顶面以上各土层厚度;m0为桩底支承力折减系数;A为桩底面积;［σ］为桩底地基土的容许承载力。

据此，根据地勘资料提供的参数和桩基设计参数，可计算出试桩的［P］。

再利用“自平衡点”定义:上桩段摩阻力+上桩段自重=下桩段摩阻力+端阻力，取［P］/2=下桩段摩阻力+端阻力或［P］/2=上桩段摩阻力+上桩段自重，即可确定自平衡点位置。

3.1.3 结果分析

BY－10，BY－18和BY－26号试桩Q－S曲线和等效Q－S曲线如图4和图5所示。3根试桩桩径相同，桩长、桩周土层分布情况相差不大，最大的差异在于荷载箱位置不同，荷载箱分别位于距桩顶24，21和24 m，根据本文方法，反算出3根桩的平衡点位置分别距桩顶20.23，21.65和22.27 m，而3根桩单桩极限承载力试验值分别为8 729，11 188和8 729 kN。

图4 BY－10，BY－18和BY－26试桩Q－S曲线Fig.4 Q－S curve for pile BY －10，BY －18，BY －26

图5 BY－10，BY－18，BY－26试桩等效Q－S曲线Fig.5 Equivalent Q－S curve for pile BY －10，BY －18，BY －26

从图4中可以看出，BY－10号试桩上桩段Q－S曲线是缓变型，荷载加至最大未出现破坏，下桩段在荷载达到4 400 kN以后位移迅速增加，表明本桩段已经开始进入塑性阶段，承载力达到极限，而此时上桩段位移增加缓慢，表明还可以继续承载，这与实际荷载箱位置位于计算平衡点之下相符。BY－10上、下桩段极限承载力分别为4 800，4 400 kN，其比值为 1.09。

BY－18号试桩在荷载从0加载到5 200 kN过程中，上下两桩段都稳定，在荷载达到5 600 kN以后，上桩段出现位移猛增现象，而下桩段在荷载加至最大未出现破坏。从图中可以看出，上、下桩段Q－S曲线较对称，说明其荷载箱位置恰好位于本桩平衡点附近，而本桩所算出平衡点位置与实际荷载箱位置相差仅0.65 m。BY－18上、下桩段极限承载力分别为5 600，6 000 kN，其比值为0.93。

BY－26号试桩情况与BY－18号试桩类似，BY－26号试桩Q－S曲线在荷载达到4 400 kN就出现明显拐点，下桩段加载至最后没有破坏。BY－18上、下桩段极限承载力分别为4 400，4 800 kN，其比值为 0.92。

SP－5，BY－10，TML－9和LSC－11号试桩Q－S曲线和等效Q－S曲线如图6和图7所示。

图6 SP－5，BY－10，TML－9，LSC－11试桩Q－S曲线Fig.6 Q－S curve for pile SP －5，BY －10，TML －9，LSC －11

图7 SP－5，BY－10，TML－9，LSC－11试桩等效Q－S曲线Fig.7 Equivalent Q－S curve for pile SP －5，BY － 10，TML－9，LSC －11

SP－5号桩下桩段在荷载4 000 kN加载到4 400 kN过程中，位移迅速由43.73 mm增加到78.42 mm，表明下桩段已经开始进入塑性阶段，不能继续承载;而此过程中上桩段位移增加缓慢，上桩段仍能继续承载，荷载为4 000 kN时位移仅为21.69 mm。上、下桩段Q－S曲线显示，在整个加载过程中，下桩段位移明显大于上桩段位移，这种现象也印证了荷载箱位置位于平衡点之下。

BY－10号桩情况与SP－5号桩类似，下桩段在荷载达到4 400 kN时出现拐点，此时位移为29.61 mm;上桩段Q－S曲线呈渐变发展，图形没有明显的拐点，荷载加到最大都未出现破坏现象，荷载箱位置位于平衡点之下。

LSC－11号桩情况跟SP－5号桩情况恰好相反，下桩段呈渐变发展，上桩段Q－S曲线在荷载为3 420 kN时出现转折点，此时上、下桩段对应位移为 30.52，13.71 mm，荷载箱位置位于平衡点之上。

TML－9号桩在荷载达到4 950 kN之前，上、下桩段Q－S曲线对称性较好，均呈渐变发展;荷载为4 950 kN时，上、下桩段对应位移分别达到32.25，36.1 mm;荷载达到4 950 kN之后，上桩段出现位移迅速增加现象。TML－9号桩Q－S曲线对称性较好，本组4根桩中，TML－9号桩荷载箱位置虽然偏上，但最接近平衡点位置，上、下桩段QS曲线较对称、承载力充分发挥，所以其所测的单桩极限承载力最大，也最接近真实值。

LSC－11，SP－5，BY－10和TML－9这4根桩桩径都是1 m，桩长和桩周土层分布情况差异不大(详见表 1)，而荷载箱位置分别位于距桩顶19，25，24和22 m处。根据本文方法，反算出4根桩的平衡点位置分别距桩顶 26.32，21.27，20.43 和21.85 m，荷载箱位置与反算出平衡点位置距离依次减小，分别为 7.32，3.73，3.57 和 0.15 m，单桩极限承载力试验值依次增加分别为6 729，7 909，8 729和9 918 kN。

对比4根试桩，LSC－11，SP－5，BY －10和TML－9号桩Q－S曲线都有明显拐点，LSC－11下桩段，SP－5上桩段，BY－10下桩段，TML－9上桩段分别在荷载为3 420，4 000，4 400和4 950 kN时出现拐点，每根桩在出现拐点时，对应的另一桩段位移由小到大，分别为LSC－11上桩段，SP－5下桩段，BY－10上桩段，TML－9下桩段13.71，21.69，29.61 和36.1 mm，4 根桩上、下桩段Q－S曲线对称关系也越来越对称，试桩承载力发挥也越来越充分，所以所测单桩极限承载力值也越来越接近真实值。

在自平衡荷载试验中，确定单桩极限承载力试验值时，应结合上、下桩段Q－S曲线特征综合考虑确定。当上、下桩段Q－S曲线不对称时，对称越不明显，曲线出现拐点时，对应的位移越小，说明桩承载力发挥越不充分。所以，确定单桩极限承载力时，应根据Q－S曲线走向及拐点出现时的位移大小，在根据常规方法确定的单桩极限承载力基础上乘以1.0～1.3的系数。当上、下桩段Q－S曲线对称关系清楚，无明显拐点或出现拐点时对应的位移大于40 mm时，可认为桩承载力发挥充分，按常规方法确定单桩极限承载力。

3.2 土层对单桩极限承载力的影响

LSC－1，LSC－6和LSC－11号试桩Q－S曲线和等效Q－S曲线如图8和图9所示。

图8 两山村大桥试桩Q－S曲线Fig.8 Q－S curve for pile of Two Village Bridge

图9 两山村大桥试桩等效Q－S曲线Fig.9 Equivalent Q － S curve for pile of Two Village Bridge

LSC－1在荷载达到4 950 kN时才出现位移猛增，桩体开始进入塑性阶段，而LSC－11号桩在荷载为3 420 kN时就开始破坏，这是由两桩上桩段土层情况决定的，如表3所示。LSC－1号桩上桩段土层主要是黏性土，所提供的桩周摩阻力较大，荷载箱(距桩顶25m)以上桩周土提供极限摩阻力为4 387.6 kN。在桩－土相对位移较小时就被激发;LSC－11号桩上桩段土层主要是砂类土，所提供的桩周摩阻力很小，荷载箱(距桩顶25 m)以上桩周土提供极限摩阻力为2 680.1 kN。侧摩阻力的发挥需要较大的桩－土相对位移［8］。

表3 岩土物理力学指标Table 3 The targets of physical and mechanical rock

4 结论

(1)荷载箱位置是自平衡试验试桩承载力的关键因素之一。准确确定荷载箱位置，使上桩段和下桩段承载力充分发挥，力求同时达到承载极限，对承载力的准确确定具有重要意义。在自平衡试验确定自平衡点位置时，除根据已有资料和经验来确定以外，利用单桩轴向受压容许承载力公式反算自平衡点也是一种行之有效的方法。

(2)在确定单桩极限承载力时，应根据上、下桩段Q－S曲线特征，即对称关系、有无拐点、拐点处对应的位移大小等因素综合确定。

(3)土层性质对桩侧摩阻力的发挥影响显著，进而影响单桩承载力。本文试验中，粉质黏土极限侧摩阻力大于细砂极限侧摩阻力，且在较小的桩－土相对位移的情况下就能发挥，而砂类土侧摩阻力发挥较慢。

［1］ Jori Osterberg.New device for load testing driven piles and drilled shaft separates friction and end bearing［J］.Piling and Deep Foundations，1989.421 －427.

［2］龚维明，蒋永生，翟 晋.桩承载力自平衡测试法［J］.岩土工程学报，2000，22(5):532 －536.

GONG Wei-ming，JIANG Yong-sheng，ZHAI Jin.Selfbalanced loading test for pile bearing capacity［J］.Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2000，22(5):532－536.

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Jiangsu local standards，DB32/T291 － 1999，Technical code for self－balanced measurement method of pile bearing capacity［S］.1999.

［4］山东省地方标准.DBJ/T14－055－2009，基桩承载力自平衡检测技术规程［S］.

Shangdong local standards.DBJ/T14－055－2009，Technical code for self－balanced measurement method of pile bearing capacity［S］.

［5］安徽省地方标准.DB34/T648－2006，桩承载力自平衡法深层平板载荷测试技术规程［S］.

Anhui local standards.DB34/T648 － 2006，Technical code for self－balanced measurement method of pile bearing capacity［S］.

［6］中华人民共和国交通行业标准.JT/T738－2009，基桩静载试验－自平衡法［S］.

Transportation industry standurds of the People＇s Republic of China.JT/T738 －2009，Static loading test of foundation pile － self－ balanced method［S］.

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GONG Wei-ming，DAI Guo-liang，JIANG Yong-sheng，et al.Theory and practice of self－ balanced loading test for pile bearing capacity［J］.Journal of Building Structures，2002，23(1):82 －88.

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MA Ye，WANG Tao.Experimental study on bearing behavior of super－long drilled pile with the self－balanced load test method［J］.Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2005，27(3):275 －278.

Self－balanced loading tests for bridge pile foundation

LI Xu1，YU Ming-den1，ZHANG Ming2

(1.Liouzhou － Nanning Project Departmen of China Railway 12th Bureau Group Co.Ltd，Nanning 530011，China;2.School of Civil Engineering，Central South University，Changsha 410075，China)

Combined with self－balancing loading test data on eight bridge piles from new Nanning to Litang railway，the position effects between osterberg cell and the self－balanced point on ultimate bearing capacity of pile were analyzed based on the location of the osterberg cell for test piles and the properties of the surrounding soil.The results show that accuracy of ultimate bearing capacity of single pile can seriously depend on whether the osterberg cell was put in the right position or not.The properties of soil around the pile also can not be ignored.The self－balance position，presented an aids，can be back － calculated by allowable bearing capacity of axial compression for single pile.

self－balancing loading test;position of osterberg cell;bearing capacity;pile shaft resistance

U443.15

A

1672－7029(2011)06－0033－06

2011－05－30

中铁十二局集团有限公司项目(中铁十二局集团科［2010］45号)

黎 庶(1974－)，男，湖南邵阳人，工程师，从事铁路工程施工与管理等工作