自平衡测桩法在洺河渡槽工程中的应用

韩志成

（河北省南水北调工程建设管理局，石家庄 050021）

自平衡测桩法在洺河渡槽工程中的应用

韩志成

（河北省南水北调工程建设管理局，石家庄 050021）

洺河渡槽是南水北调中线工程总干渠上的一座大型河渠交叉建筑物，槽身为三槽一联矩形预应力钢筋混凝土结构，其桩基设计试验荷载已临近目前国内常规试桩最大极限荷载。该文通过介绍洺河渡槽桩基检测的方案比选和自平衡测桩法的发展概况、工作原理、现场实验过程及数据分析，全面阐述了自平衡测桩法在洺河渡槽工程中的应用。此应用在南水北调工程建设中尚属首次，本工程的实践为自平衡测桩法在南水北调其他工程中的推广和应用提供了经验。

堆载法；锚桩法；自平衡；数据分析

1 基本情况

洺河渡槽是南水北调中线总干渠上的大型河渠交叉建筑物，位于河北省永年县城西邓底村与台口村之间的洺河上，全长930m，其中槽身长829m，渡槽槽身纵向为16跨简支梁结构，单跨长40m。槽身为三槽一联矩形预应力钢筋混凝土结构，单槽净宽7m，槽净高6.8m，设计流量230m3/s，加大流量260m3/s。渡槽共布置17个槽墩，墩身为实体重力墩，由墩帽、墩身、承台组成。承台下设两排灌注桩，每排7根，桩径1.7m，桩长13.5～54m，单桩设计承载力1400kN。

2 检测方案的比选

按照设计要求桩基成型后，需要进行承载力检测，根据检测规范，本工程的单桩试验荷载要达到2800kN。目前国内传统的荷载试验有堆载法、锚桩法，两者都是采用油压千斤顶在桩顶施加荷载，而千斤顶的反力，前者通过反力架上的堆重与之平衡，后者通过反力架将反力传给锚桩，与锚桩的抗拔力平衡。

2.1 采用堆载法存在的问题

设计桩顶标高在地表以下10m左右，且洺河常年有水，这就涉及到基坑开挖、排水、支护等一系列的措施，才能保证试验的顺利、安全进行。

要解决几百吨甚至上千吨的荷载来源、堆放及运输问题，不但会产生很高的费用，也存在巨大的安全隐患。

要解决千斤顶、反力梁等技术问题，目前国内做到试桩最大极限承载力为3000t，而且管理部门明确建议堆载法尽量在1500t以下，而本工程的试验荷载已达2800t，接近国内已有实验经验的上限，经联系检测单位都认为风险太大，不宜采用此方案进行检测。

2.2 采用锚桩法检测存在的问题

采用锚桩法同样存在基坑开挖、降水、支护等问题，而且处于墩台群桩中的试桩周围因受空间限制难以设置锚桩。

由于试验荷载太大，需要设置多根锚桩及反力大梁，不仅所需费用昂贵，时间较长，而且会因为吨位和场地条件的原因而存在巨大的安全隐患，工期也难以保证。

2.3 采用自平衡法检测的优点

自平衡法装置简单，不占用场地、不需运入数百吨或数千吨物料，不需构筑笨重的反力架。试桩准备工作省时省力，可在原地面进行试验，不需要对基坑进行开挖、降水、支护，大大增加实验的安全性。试验费用较省，与以上两种方法相比可节省试验费用50%。利用输压管对试验桩底进行压力灌浆后，试验桩仍可作为工程桩使用。

3 自平衡法的发展概况

基桩自平衡测试方法思路最早由日本的中山（Nakayama）和藤关（Fujiseki）于1973年提出，并取得了钻孔桩的测试专利。1985年，美国西北大学学者Osterberg在分析、总结前人经验的基础上，花费了数年时间对自平衡测试技术进行了系统研究、开发，并于1989年在桥梁钢桩中成功进行了首次商业试验，后逐渐推广至各种桩型。因此基桩自平衡法载荷试验原名为Osterbergcell载荷试验。至今，该法已在美、英、日、加拿大、新加坡、中国等10余个国家和地区得到推广应用，在北美已被公认为是进行基桩静载荷试验的首选方法，应用十几年来，在全世界范围内已经进行了数千次的O-cell试验，其中约半数是工程桩，几乎涵盖灌注桩和预制桩型。试桩最大深度90m，最大直径3m，最大荷载133000kN。O-cell法于1993年由清华大学水利水电系李广信教授引入国内，经过国内多家单位对自平衡试桩法展开大量理论研究、模型试验和学术讨论之后，自平衡法开始在国内实践和应用。2002年，自平衡法被国家建设部列为科技成果推广项目。

4 自平衡法的原理

桩基自平衡检测法的主要装置是荷载箱，由活塞、顶盖、底盖、箱壁4部分组成，主要功能是用于加载实验，设计时，桩的外径略大于荷载箱顶盖、底盖的外径，顶盖、底盖上布置有位移棒，见图1～图4。

根据地质勘察结果计算可得在基桩中存在一个平衡点，这个平衡点的下部桩体摩阻力和上部桩体的负摩阻力可以达到一个平衡。将荷载箱埋设在该位置，向上下两段桩体施压，并记录施压过程中桩体的位移，对位移进行分析即可得到基桩的极限承载力。与其他静载荷试验相同，自平衡法的最终目的也是对测试进行分析判断，进而确定单桩极限承载力。

图1 荷载箱埋设立面图

洺河渡槽共进行了5根桩自平衡实验，其中前两根2～10和10～4，根据设计提供的地质勘察结果和不同地层的桩侧极限摩阻力及桩端岩石饱和和单轴抗压强度标准值进行了实验，但实际值与设计值出入较大，出现了上部侧摩阻力不足的问题，为提高荷载箱上桩周侧阻力，在进行3～11、4～7和6～8三根实验桩时参考2～10和10～4两根试验桩实测的侧摩阻系数进行了配重。

5 实验步骤

5.1 安装荷载箱

图2 喇叭筋大样图

将荷载箱按计算位置与钢筋笼进行焊接连接，具体操作为：吊车将上节钢筋笼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0.5%；然后荷载箱下底板与下节钢筋笼连接，焊接下喇叭筋见图5。

图3 荷载箱平面图

图4 位移监测点

5.2 浇筑成桩

待成孔后，用吊车将安装荷载箱的钢筋笼下到钻孔内，然后进行混凝土灌注施工。在灌注混凝土时要注意：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。

5.3 现场实验

图5 荷载箱

5.3.1 加、卸载分级

试桩每次加载分9级，卸载分5级进行。加（卸）载第一级均可取预设加载量的20%。

5.3.2 观测

每级加载后在第1h内应在5、15、30、45、60min测读1次，以后每隔30min测读一次，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。

每级加载下沉量，在最后30min不大于0.1mm时即可认为稳定。位移量大于或等于40mm，本级荷载位移量大于或等于前一级荷载位移量5倍时，加载即可终止。取此终止时小一级的荷载为极限荷载。

5.4 数据分析

5.4.1 检测数据的整理

绘制荷载—位移（Q～s）、位移—时间对数（s～lgt）曲线，需要时也可绘制其他辅助分析所需曲线。

5.4.2 承载力确定

法综合分析确定：

（1）根据位移随荷载变化的特征确定。对于陡变（陡降或陡升）型Q～s曲线，应取其发生明显陡变的起始点对应的荷载值。

（2）根据位移随时间变化的特征确定取s～lgt曲线尾部出现明显变化的前一级荷载值。即下段桩取sd～lgt曲线尾部出现明显向下弯曲的前一级荷载值，上段桩取su～lgt曲线尾部出现明显向上弯曲的前一级荷载值。

（3）出现终止加载条件第二种情况时，应取前一级荷载值。

（4）对于缓变型Q～s曲线可根据位移量确定，宜取s=40mm对应的荷载值；当整体桩长大于40m时，应考虑桩身弹性压缩量；对直径大于或等于800mm的，可取s=0.05D（D为桩端直径）对应的荷载值。

（5）当按上述四款判定上、下段桩的极限承载力未达到极限时，可取最大试验荷载值为极限承载力值。

5.4.3 确定单桩竖向抗压极限承载力Qu

实验成果见表1。

6 结语

自平衡测桩法在洺河渡槽桩基检测中的成功应用，有效地验证了桩基的实际承载力与设计承载力的差别，为优化设计，改进施工工艺，保证渡槽的安全提供了科学依据，也为此工艺在南水北调的应用和推广积累了宝贵经验。

表1 实验成果

［1］DB32-T291—1999，江苏省桩承载力自平衡测试技术规程[S].

［2］JT/T 738—2009，山东省基桩承载力自平衡法测试技术规程，桩静试验自平衡法［S］．

［3］JT/T 738—2009，基桩静载试验自平衡法［S］．

［4］周炜，杨宝红，谢杰，等，自平衡检测技术在机械钻孔桩检测中的应用[J].建筑技术开发，2008（9）.

［5］戴国亮.桩承载力自平衡测试法的理论与实践[D].南京：南京大学，2003.

［6］JTJ 041—2000，公路桥涵施工技术规范[S].

［7］JTG D63—2007，公路桥涵地基和基础设计规范[S].

Application of Self-balancing Detection Pale Method in the Ming River Aqueduct Project

HAN Zhi-cheng
（The Hebei Construction and Administration Bureau of South-to-North Water Transfer Project，Shijiazhang 050021，China）

The Ming River aqueduct is a large-scale building of cross rivers and canals in South-to-North Water Transfer Middle Route Project，aqueduct body is coalition between 3-grooves rectangle reinforced concrete structure，design test loads of pile foundations are close to the highest.the paper introduces comparison and selection of pile foundations test schemes in the ming river aqueduct and general development，operating principle，the experiment process，data analysis of self-balancing detection pale method，all-round discusses the application of self-balancing detection pale method in the ming river aqueduct project，it is first appled in South-to-North Water Transfer Middle Route Project，and provids reference for promotion and application in South-to-North Water Transfer other Project.

the anchor pile method；the preloading method；the self-balancing detection method；data analysis

TV672+.3

B

1672-9900（2012）02-0080-03

2012-03-22

韩志成（1972-），男（汉族），河北曲阳人，高级工程师，主要从事工程技术工作，（Tel）13722260866。