基于自平衡试桩法的灌注桩承载力检测应用研究

于 宾，于 朋

（1.中国水利水电第十三工程局有限公司，天津 300384；2.山东海逸恒安项目管理有限公司，济南 250011）

基于自平衡试桩法的灌注桩承载力检测应用研究

于 宾1，于 朋2

（1.中国水利水电第十三工程局有限公司，天津 300384；2.山东海逸恒安项目管理有限公司，济南 250011）

探讨采用自平衡试桩法对承载大吨位、大直径、超长的灌注桩进行单桩竖向承载力检测的可行性。以南水北调中线工程磁县段二标滏阳河渡槽3号墩台8号灌注桩的单桩承载力检测为例，结合相关规范规程与自平衡测桩法检测原理，根据读数绘出向上向下的Q-s曲线及相应的s-lgt、s-logQ曲线，分别求得荷载箱上段桩及下段桩的极限承载力，将上段桩极限承载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。结果表明：采用自平衡法测试技术不仅可短时间内测出桩身的桩基侧阻力，而且此装置较简单，不占用场地，可多根同时检测，试桩准备工作省时、省力、安全，试验费用省，特别是在狭窄场地试桩、基坑底试桩等方面优势突出，是传统试桩法难以实现的。

自平衡试桩法；钻孔灌注桩；单桩承载力计算

1 工程概况

南水北调中线工程磁县段二标滏阳河渡槽工程基础采用灌注桩，桩顶与承台固接，承台下设2排桩，每排8根，桩径1.5m，桩间距为4.0m，排距为4.4m；中墩桩长42.0m，边墩桩长35.0m。渡槽灌注桩采用旋挖钻钻孔，要求单桩竖向承载力特征值不少于10000kN（中墩）。根据设计要求，墩身桩基施工前，需对指定3根试验桩进行单桩竖向承载力静载试验，以确认基桩的承载力特征值和沉降量，以指导其他桩基桩长的确定。

2 检测原理

自平衡测桩法[2]是接近于竖向抗压桩实际工作条件的试验方法，其加载设备采用荷载箱，它与钢筋笼连接后安装在桩身下部，并将高压油管和位移杆一起引到地面。试验时，从桩顶通过高压油管对荷载箱内腔施加压力，箱顶与箱底被推开，产生向上与向下的推力，从而调动桩周土的侧阻力与端阻力，直至破坏。将桩侧土摩阻力与桩端土阻力迭加而得到单桩极限承载力。荷载箱的埋设位置，是根据地质勘测报告，进行计算后确定的。其原则是：荷载箱放在桩身平衡点处，使上、下段桩的承载力相等以维持加载。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，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。荷载箱是本测试法的关键设备，测试前埋入桩的位置应根据设计图和专门的规范要求经计算确定。试验时（图1所示），在地面上通过油泵加压，随着压力增加，荷载箱将同时向上、向下发生变位，促使桩侧阻力及桩端阻力的发挥。由于加载装置简单，多根桩可同时进行测试，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。因此，可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”，根据向上向下的Q-s曲 线 及 相 应 的 s-lgt、slogQ曲线，可分别求得荷载箱上段桩及下段桩的极限承载力，将上段桩极限承载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。

2.1 仪器设备

图1 桩承载力自平衡试验示意图

试桩采用1个环形荷载箱，行程20cm，其加载值的率定曲线由计量部门标定，荷载箱的埋设位置根据现场地质资料确定。高压油泵：最大加压值为60MPa，压力表精度为每小格0.4MPa，其压力表亦由计量部门标定。量程50mm（可调）每桩6只，通过磁性表座固定在基准钢梁上，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，由计量部门标定。

2.2 试验桩施工要求

（1）地面上绑扎和焊接钢筋笼，位移管连接用套筒围焊，确保护管不渗泥浆。

（2）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离）保证钢筋笼与荷载箱在同一水平线上，再点焊喇叭筋，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1%；然后荷载箱下底板与下节钢筋笼连接，焊接下喇叭筋。

（3）试验桩混凝土标高按设计要求，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，拔导管速度应放慢，当荷载箱上部混凝土高度大于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200mm，便于混凝土在荷载箱处上翻。

（4）灌注混凝土时，要求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。测试期间应保证不间断供电，试验桩周围10m内不得有较大的振动。

3 前期准备

3.1 仪器、设备测试元件的鉴定与标定

3.1.1 加载系统（电动油泵、高压油管、荷载箱等）

加载前由省计量部门进行系统标定后，由生产厂家进行系统试压，以确保试验荷载的准确性。

3.1.2 测试仪器的标定

所有设备（电子表、压力表、长距离位移传感器）由省级计量标准站在实验室进行调试、标定。

3.2 前期试验桩准备

3.2.1 检索

检查混凝土试块强度、检查桩身完整性及荷载箱埋设情况；测试时间在桩身强度达到设计要求70%的前提下进行，也可参照JGJ106—2003《建筑基桩检测技术规范》规定：对于砂土不少于10d，对于粘性土和粉土不少于15d，对于淤泥及淤泥质土不少于25d。

3.2.2 清理桩头和试验场地

人工清理桩头，同时清理出检测元件，包括声测管、位移监测杆和高压油管。清理过程中确保各检测元件的安全。清理完成后开挖并平整试验场地，保证有至少5m×5m的试验平台，试验平台应低于位移监测杆端以下30cm。

3.2.3 处理检测元件并架设基准梁

清理完试验场地后将各个位移监测点焊接好并保护起来。在试验桩两侧用工字钢架设基准桩，基准桩至少离试验桩中心4m以上且打入地表1.5m以下，基准桩完成之后用工字钢架设基准梁。

3.2.4 搭设工棚并引入电源

用脚手架以试桩为中心搭设6m×6m×2m的试验棚，并用防雨篷布遮盖。要求能四面挡风，上部挡雨。试验棚搭设完毕之后在试验前将电源引入试验棚内，并检查荷载箱是否正常工作，仪器初调。

4 过程分析

4.1 桩基承载力计算[3-8]

按照设计单位提供桩基设计承载力要求与地勘资料进行桩基极限承载力分析，按自平衡法试桩理论进行计算，确定平衡点及试验荷载值。以滏阳河渡槽3号墩台8号灌注桩为例计算荷载箱埋深位置：3～8号试验桩为摩擦桩，桩长42m，桩顶位于地面以下7.3m Q3al+pl卵石层，桩身穿过Q3al+pl卵石层、Nfgl+l粉细沙层与Nfgl+l粘土岩层等地层，桩端持力层为Nfgl+l粘土岩层。根据自平衡测桩法的原理，荷载箱埋设深度计算步骤为：根据地质勘查报告进行单桩极限承载力验算，再根据单桩特点计算平衡点。3～8号试验桩桩基承载力极限值计算见表1。为保证单桩加载达到设计要求的2000t，设计荷载箱位置时，充分考虑了各种土层承载力发挥特性并出于保护基桩安全的目的，设计荷载箱埋设于粘土岩层中的43.375m高程处。3～8号试验桩上、下段桩的反力计算详见表2，3。

表1 3～8号试验桩桩基承载力极限值计算

表2 3～8号试验桩上段桩的反力计算

表3 3～8号试验桩下段桩的反力计算

经过计算可得，上部反力可达到8876.47kN，下部反力可达到8872.46kN。在此计算过程中，卵石层的极限侧阻标准值取自类似工程经验的保守值，也充分考虑了上部摩阻力的发挥，进行了足够的折减，保证了基桩和试验安全。

4.2 试验要求

（1）试桩每次加载分10级，卸载分5级进行。加（卸）载第一级均可取预设加载量的20%。

（2）加载量测：每级加载后在第1h内应在5、15、30、45、60min分别测读1次，以后每隔30min测读1次。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1次。

（3）每级加载下沉量，在最后30min不大于0.1mm时即可认为稳定。

（4）当出现以下情况之一时，可终止加载：某级荷载作用下，位移杆位移大于前一级荷载作用下位移的5倍；某级荷载作用下，位移杆位移大于前一级荷载作用下位移的2倍，且经24h尚未达到相对稳定标准；已达到设计要求的最大加载量，或者累计行程超过荷载箱极限；当荷载—位移曲线呈缓变型时，上段桩累计位移量超过100mm；下段桩累计位移量超过60mm。

4.3 检测数据分析

对桩长为42m，桩径为1500mm的3～8号试验桩于2011年3月1日进行累计荷载试验，得到累计荷载上、下位移值（见表4），并绘制荷载—位移（Q-s）曲线（见图2）、位移—时间对数（s-lgt）曲线（见图3）与位移—荷载对数（s-lgQ）曲线（见图4）。

3～8号基桩试验过程中加载至9000kN时，向上总位移量为15.66mm，Q-s曲线平缓，无明显陡降段，s-lgt曲线呈平缓规则排列；因此向上极限承载力大于等于9000kN。向下为总位移量11.31mm，Q-s曲线平缓，无明显陡降段，s-lgt曲线呈平缓规则排列；因此向上极限承载力大于等于9000kN。根据自平衡静载试验单桩竖向抗压极限承载力计算公式

对于粘性土、粉土γ=0.8

对于砂土 γ=0.7

对于岩石 γ=1.0

扣除桩自重，反算单桩极限承载力标准值Qu≥20191kN，满足设计要求。

表4 3～8号试验桩累计荷载作用下的上、下位移值 单位：mm

图2 荷载—位移（Q-s）曲线

图3 位移—时间对数（s-lgt）曲线

图4 位移—荷载对数（s-lgQ）曲线

4.4 试验完成后的桩身加固处理

测试完成后，需要对试验桩进行加固处理以确保基桩的安全使用。根据基桩情况，首先用有压水对试验抗裂隙进行清洗处理，清洗完毕后采用专业灌浆设备及机具，浆液通过桩身上的位移杆保护管压入桩中，浆液在高压作用下渗入荷载箱裂隙及桩周空隙，通过灌浆，桩身完整性及桩身混凝土物理力学性质得以改善。一般来说，浆液很难形成原设计桩型的柱状体，但能在一定程度上改善桩身的受力性能。

5 结语

南水北调工程磁县段二标采用自平衡法测试技术测出了基桩侧阻力，这是传统静载方法无法做到的，同时，此装置较简单，不占用场地，不需要运入数百吨或数千吨物料，该方法可多根试验桩同时检测，试桩准备工作省时、省力、安全；试验费用省，尽管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一半以上，特别是在狭窄场地试桩、基坑底试桩等方面具有独特优越性。

［1］张志斌.基桩静载试验综述［J］.山西建筑，2010，36（34）：88-89.

［2］龚成中，何春林，洪静.基于自平衡技术双荷载箱测试方法应用分析［J］.建筑科学，2010，26（9）：75-78.

［3］ JGJ94—2008,建筑桩基技术规范［S］.

［4］ JGJ106—2003,建筑基桩检测技术规范［S］.

［5］ JTG/TF81-01—2004,公路工程动测技术规程［S］.

［6］ JT/T738—2009,基桩静载试验自平衡法［S］.

［7］dBJ/T 14-055—2009,基桩承载力自平衡检测技术规程［S］.

［8］dB32/T291—1999,桩承载力自平衡测试技术规程［S］.

Application and Research of Pile Bearing Capacity based on Self-balancing Test Piles

YU Bin1，YU Peng2
(1.Sinohydro Bureau13Co.,LTD,Tianjin300384,China；2.Shandong L&A Project Managemengt CO.，LTD，Jinan250011,China)

Discussion on the feasibility of large tonnage,large diameter,long pile of vertical bearing capacity test based on self-balanced load test piles.Taking the Fuyang river aqueduct piers 3,No.8 of Cixian’sⅡbid section of the South-to-North Water Transfer Project middle line as an example.According to the related codes and detection of self-balancing principle of testing pile,reading down theQ-scurve and the correspondings-lgt,s-logQcurve,ultimating load cases obtained of upper and lower pile.The upper pile ultimate bearing capacity by a certain treatment and add the following paragraph is the ultimate bearing capacity of pile ultimate bearing capacity of pile.The results showed that the selfbalancing test piles can not only measure the short pile of the pile side resistance,and this device is relatively simple,do not take up space,can simultaneously detect multiple,test pile preparation time,effort,security,test cost province,especially in the narrow field test piles,test pile foundation at the end so obvious advantages,which is difficult to achieve by the traditional test pile.

self-balancing test piles;drilling pile;calculation of pile capacity

TV223.2+1；TV522

A

1672-9900（2011）03-0075-04

2011-03-23

于宾（1981—），男（汉族），山东临沂人，助理工程师，主要从事水利水电工程建设项目管理工作，（Tel）15630066165。