自平衡试桩法在城市高架桥中的应用

冯涛 王庆恒

1.济南市公路管理局 山东济南 250013；2.濟南通达公路工程有限公司 山东章丘 250200

摘要：自平衡试桩法是近几十年发展起来的一种试桩方法，其具有占地面积小，加载快，节省试验费用，应用范围广等一系列特点，在城市高架桥工程中具有其他方法无法比拟的优势，其在济广高速济南连接线工程（济南二环西路高架桥工程）中的成功应用具有一定的典型性，可供以后的类似工程参考。

关键词：自平衡；试桩；高架桥；应用

1前言

随着我国城市化进程的加快，我国城市建设的规模也越来越大，交通问题也越来越突出，高架桥是解决城市交通拥堵问题的有力手段之一，它能够使交通途径立体化，充分利用城市里有限的空间，而在城市高架桥建设过程中采用桩基是一种重要的基础形式，桩基具有承载力、适应性强、施工方法多等特点，但基桩承载力的确定是保证工程质量的重要前提。在实际应用中，现场静载试验被认为是最可靠的承载力确定方法。然而长期以来，由于传统的静载试验的费用、时间、人力消耗都较大，广泛推广应用到城市高架桥的建设中，显然困难重重，因此人们常力图回避传统的静载试验。本文介绍一种新的静载试验方法———自平衡试桩法的特点及其在高架桥桩基工程中的应用。

2自平衡试桩法

2.1试验原理

自平衡测桩法是在桩身平衡点位置安设荷载箱，沿垂直方向加载，即可同时测得荷载箱上、下部各自承载力。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。顶、底盖的外径略小于桩的外径，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体后，即可浇捣混凝土成桩。

试验时，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，如图1所示。

图 1桩承载力自平衡试验示意图

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Q-S曲线判断桩承载力、桩基沉降、桩弹性压缩和岩土塑性变形。

基桩自平衡试验开始后，荷载箱产生的荷载沿着桩身轴向往上、往下传递。假设基桩受荷后，桩身结构完好（无破损，混凝土无离析、断裂现象），则在各级荷载作用下混凝土产生的应变量等于钢筋产生的应变量，通过量测预先埋置在桩体内的钢筋应变计，可以实测到各钢筋应变计在每级荷载作用下所得的应力—应变关系，可以推出相应桩截面的应力—应变关系，那么相应桩截面微分单元内的应变量亦可求的。由此便可求得在各级荷载作用下各桩截面的桩身轴力及轴力、摩阻力随荷载和深度变化的传递规律。

2.2自平衡试桩法特点[1]

自平衡试桩法相对于传统试桩法（堆载法和锚桩法）具有以下几个特点：

1）装置较简单，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；

2）该法利用桩的侧阻与端阻互为反力，因而可测得侧阻力与端阻力和各自的荷载～位移曲线；

3）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的；

4）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；

5）方便的重复试验。可在不同的桩端深度（双荷载箱或多荷载箱技术）和同一桩端深度的不同的时间（后压浆试桩效果对比）在同一根桩上方便的进行试验；

6）可得到土阻力的静蠕变和恢复效果。试验荷载可保留所需的任意长时间段，因此可实测桩侧和桩端阻力的蠕变行为的数据；

7）在下列情况下或当设置传统的堆载平台或锚桩反力架特别困难或特别花钱时，该法更显示其优势，例如：水上试桩，坡场试桩，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。

3工程概况

济广高速济南连接线工程（济南二环西路高架桥工程）是济南市迎接第十届全国艺术节的重要交通建设项目，是济南市南北方向重要城市道路（二环西路）。上部为城市快速路，下部地面道路为快速公交路（BRT系统）。因此，本项目按一级公路标准进行设计，同时满足城市快速路标准；设计速度60公里/小时，双向六车道，宽度25米；桥涵设计荷载：公路-I级；抗震按七度设防；采用高架桥方式。共设4对出入口匝道，匝道设计速度40公里/小时，单向双车道，宽度9米。

主梁采用大悬臂预应力混凝土宽幅箱梁，单箱三室截面，纵横向均施加预应力，根据受力的不同分别采用了墩梁固结、墩梁铰结。桥墩采用柱式墩，矩形断面，截面尺寸为1.4×1.7米。由于上部结构较宽，为了减小对路面行车道的干扰，桥墩基础形式全为桩基，但全线地质条件变化较大，且局部存在溶洞、孤石等现象，所以为了减少桥梁运营过程中的安全隐患和节约工程成本，根据局部地质条件和上部结构特点，在全线共布置了6根试桩，分别采用自平衡试桩发进行桩基承载力试验。

图 2标准横断面

由于篇幅所限，这里没有给出各个试桩的详细数据，只在表1中列出了各个试桩的主要参数。

表1 试桩主要参数表

试桩编号 5-2 0-5 40-4 50-4 166-3 175-4

桩径（mm） 1500 1200 1500 1500 1500 1500

桩长（m） 50.807 40 15.7 8.357 12.228 25.33

混凝土规格 C30 C30 C30 C30 C30 C30

设计承载力（kN） 23600 7000 21200 18600 25600 18600

目标承载力（kN） 23600 7000 21200 18600 25600 18600

荷载分级 11800kN

/10级 3500kN

/10级 5200kN

/10级 4500kN

/10级 12800kN

/15级 9300kN

/15级

荷载箱位置 桩端上18m 桩端上15m 桩端 桩端 桩端 桩端

成桩日期 2008-6-1 2008-6-4 2008-5-30 2008-5-20 2008-5-28 2008-6-18

试验日期 2008-8-6 2008-6-25 2008-6-23 2008-6-22 2008-6-14 2008-7-3

5试桩施工及加载

试桩严格按设计图纸施工。施工具体步骤如下：

1）按设计图纸施工桩基础，钻孔时严格掌握钻压、防止偏孔、斜孔；

2）试桩钻孔完成后，垂直度用孔径仪设备检测；

3）地面上绑扎和焊接钢筋笼，将荷载箱与钢筋笼连接成整体。由施工单位负责，测试单位配合，位移棒、声测管与钢筋笼绑扎成整体，确保护管不渗泥浆，同时确保钢筋应变计位置正确并绑扎连接好；

4）埋荷载箱前检查桩径、桩长（包括荷载箱）、油管及钢管长度、钢管距离、应力计位置；

5）下钢筋笼；

6）导管通过荷载箱到达桩端浇捣混凝土，浇混凝土至设计桩顶，当通过荷载箱处时，注意拔管速度；

7）保護油管及钢管封头，防止杂物漏入；

8）灌注水下混凝土时，制作了一定量的混凝土试块，测试时作了混凝土强度、弹性模量试验。

9）按照预设荷载，进行逐级加载，每级荷载作用下，上下两段桩均达到相对稳定条件后方可加下一级荷载，依次类推，直至达到终止加载的条件，然后按照操作规程进行逐级卸载。

6测试结果和分析

本项目上所有的试桩都兼做工程桩，故加载目标值至设计承载力即停止试验，即认为满足设计要求，所做试桩情况如下表1所示。

在桩承载力自平衡测试中，测定了荷载箱的荷载、垂直方向向上和向下的移位量，以及桩在不同深度的应变等。通过桩的自平衡法测试得到的S-Q曲线可转

图3 自平衡法测试得到的沉降-加载曲线

化为与传统的静载荷试验等效的S-Q曲线（图3）。

图4 自平衡测试结果转换示意图

（a）自平衡测试S-Q曲线；（b）等效转换S-Q曲线

根据文献[1]提供的转换公式，可得各个试桩的竖向抗压极限极限承载力，如表2所示。

由上表可以看出，按照测试结果分析后，试桩的极限承载力均达到设计要求。

表2 试桩抗压极限极限承载力

试桩编号 5-2 0-5 40-4 50-4 166# 175#

设计承载力（kN） 23600 7000 21200 18600 25600 18600

试验承载力（kN） 24812 7027 21360 18771 28139 19555

7小结

首先，自平衡试桩法装置较简单，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，此特点在本次试桩中得到了验证。

其次，试验中的试桩包括了工程中常用的摩擦桩和端承桩，运用自平衡试桩法进行深层加载试验，均达到了预期效果。

自平衡法深层载荷试验方法不受工期和现场场地条件的限制，因而对于检验大直径钻孔灌注桩的极限承载力不失为一种简捷而有效的方法。

参考文献：

[1]龚维明，戴国亮.桩承载力自平衡测试技术及工程应用[M].北京：中国建筑工业出版社，2006.2

作者简介：

冯涛，工作单位：济南市公路管理局，邮编：250013。

王庆恒，工作单位：济南通达公路工程有限公司，邮编：250200。