浅析桩基竖向静载试验

路太贵

山东大钿蒂黄河大桥建设投资有限公司

摘要：概述了桩基竖向静载试验的过程，结合本项目的实际情况，讲述了更适合本项目加载方式，阐述了桩体破坏机理，以及试验数据的量测、采集。根据试验数据进行分析，优化了桩基设计，降低工程造价，节约社会资源，更有利于社会的和谐发展。

关键词：静载试验；优化设计

本工程位于黄河主河道上面，全长15.2公里；主桥跨越黄河的主河道，跨径布置为（67m+7×120m+67m）+ 3×（67m+6×120m+67m）变截面连续箱梁组成，共4联。主桥下部桥墩采用薄壁墩；基础为承台、混凝土钻孔灌注桩基。

本项目在进行初步设计的批复中，有关专家提出意见中有一条是：全桥桩基类型较多，桩长普遍较长。应结合详勘资料及抗震设计，加强长桩的有效性研究，优化桩长及桩径尺寸等内容。为此我们多次咨询业界专家并召开优化桩基的专题会，结合本项目的实际情况，最后专家一致认为，有必要通过对超长桩基的单桩竖向静载试验，确认以下几项内容：1、通过钻孔灌注桩单桩竖向静载试验，获取各土层及桩端持力层有关参数、测定桩基沉降和变形，进一步核定钻孔灌注桩各项设计参数和单桩竖向极限承载力，确定基桩合适的持力层，验证单桩竖向极限承载力，为桩型、桩长的优化设计提出建议，并为主体工程基础设计提供依据；2、通过对桩底后注浆加固后的单桩竖向静载试验，获取桩底注浆加固后的单桩的竖向极限承载力，检验钻孔灌注桩桩底注浆加固效果，为钻孔灌注桩优化设计中注浆加固方案提供设计依据；3、通过对优化设计后的单桩竖向静载试验，核定优化设计后单桩竖向极限承载力，为主体工程基础设计提供依据。

确定了以上的试验目的，下面需要做的就是选择试验的加载系统。由于传统的锚桩横梁加载反力系统在大吨位下，尤其锚桩距离较大时，横梁弯矩大，尺寸大，制作、运输、安装、拆卸成本费用增加，使用不便，且锚桩横梁反力系统能够提供的最大反力有限，不能满足本次静载试验的最大加载量；压重平台设备笨重、堆设时间长、费用高、安全性低等缺点，一般只适用于最大加载量小于1000t的情况。而根据本项目地质勘查报告，经计算得到单桩竖向极限承载力为2800t，考虑到单桩105m的超长桩基，本次试验拟采取最大加载量为4500t，锚桩及加载系统能提供的反力应不小于预估最大试验荷载的1.2倍，即5400t。自平衡法虽然比较经济，试验周期短，适用于各种场地，但是其试验结果数据不稳定、可靠性较差，一些学者、专家对其结果提出了质疑。

综合考虑之后，本次试验采用能够提供更高反力的拉压锚法。该加载反力系统符合国家现行基桩检测技术规范的要求，实质为规范中规定的锚桩法，该加载反力装置可提供大吨位加载能力，试验方法为国家现行基桩检测技术规范规定的慢速维持荷载法。该加载反力系统将传统的锚桩横梁反力装置中受弯构件转换为拉压构件，受力合理，使得反力系统结构大大简化，该加载反力系统提供的反力大，尤其解决了超大吨位单桩竖向静载试验的加载难题，目前试验中的最大加载量以达到6000t。该加载反力系统对场地条件的要求低，工期快，适用范围广，可利用工程桩做锚桩节省造价，且不受锚桩间距限制。

明确了加载方法后，首先对桩头加固并接高，通过桩顶上部油压千斤顶对试桩施加反力，反力通过油压千斤顶上部的四层承载体传递到四个方向的钢绞线上，钢绞线通过固定锚具，将反力传递到8根锚桩及锚桩的水平反力柱上，锚桩承受竖向的上拔力，而锚索传递下来的水平力完全由水平反力柱传递到环梁上。

试桩桩头扩大加固并接高4.0m，为拉压锚法提供必要的高度。为了承受上部油壓千斤顶的局部压力，在桩顶布置钢筋网片。

每个油压千斤顶承载力能够提供的最大反力为600t，共12个，对称布置在桩顶面，油压千斤顶的合力中心应与桩轴线重合。油压千斤顶通过12根液压油管并联到多通转换器，多通转换器由一根主进油管连接到电动油泵。加载时，电动油泵驱动液压油通过主进油管进入多通转换器，多通转换器同时向十二个千斤顶供油，驱动油压千斤顶上升。电动油泵由桩基静载仪通过电压变频器自动控制，从而实现自动加载。

确定加载系统后，要明确桩基在外荷载作用的破坏形式。经验算在最大加载量作用下，本项目的桩体的材料不会破坏，最终破坏的形式可能是桩基地基土强度破坏。单桩竖向极限承载力，就土对桩基的抗力而言，一般分为桩侧摩阻力和桩端阻力（两者既有区别又有相互影响）。试验研究表明：当静载试验加荷、桩尖沉降>10mm时（桩顶因桩身弹塑性压缩量的累计，其沉降比桩尖大），桩侧各层土的桩-土相对位移均大于10mm，这时各层桩侧摩阻力均已被充分发挥。整根桩的总桩侧摩阻力达到峰值后，如继续加载，其值将有所减小或大体保持不变。单桩竖向承载力的极限状态（除纯摩擦桩外），一般由桩端阻力所制约。要充分发挥桩端承载力所需要的桩端沉降量比桩侧摩阻力要大的多。但在各部门的规程中都有明确规定，一般地规定桩顶沉降值为40～60mm时的相应荷载为桩的极限荷载。

桩在极限荷载下，其总桩侧摩阻力基本已充分发挥，总端阻力则可能已充分发挥，或仅部分得到发挥。本次单桩竖向静载试验通过布置在桩顶的油压千斤顶对加载反力系统施加荷载，由于力的作用是相互的，同样大小的荷载反作用于桩顶，桩将产生位移（沉降），可得到试验桩的Q-s曲线，它是桩破坏机理和破坏模式的宏观反映，此外，静载试验过程中，还可获得每级荷载下桩顶沉降随时间的变化曲线，通过埋置于桩身上的钢筋计，可以直接测得桩侧各土层的极限摩阻力和端阻力，以及桩端的残余变形等参数。从而能对桩土体系的荷载传递机理做较全面的了解和分析。

上面准备工作做好后，下面就是对本次试验数据量测的布置。荷载量测采用并联于千斤顶油路的油压传感器测定油压，根据千斤顶率定曲线换算荷载，荷载在桩基静载测试仪上换算。传感器的测量误差不大于1%，压力表精度优于或等于0.4级，试验用压力表、油泵、油管在最大加载时的压力不超过规定工作压力的90%。

位移量测的布置：竖向静载试验过程中，试验桩桩顶沉降量和锚桩上拔量的量测采用电子位移传感器，电子位移传感器通过磁性表座固定到基准梁上，基准梁采用工字钢，应具有一定水平和竖向刚度，一端固定到基准桩上，一端简支在基准桩上。基准桩中心与锚桩中心距离≥4D且>2.0m，基准桩采用四根钢管，钢管打入深度应≥5m。试桩桩顶沉降量和锚桩上拔量的量测采用电子位移传感器，电子位移传感器通过磁性表座固定到基准梁上，固定和支撑电子位移传感器的夹具及基准梁应避免气温、振动及其他外界因素的影响。沉降观测平面宜在桩顶200mm以下位置，测点应牢固地固定在桩身，锚桩上拔量观测平面宜直接布置在桩顶，观测平面应光滑平整。

试桩桩顶沉降量应在其两个方向对称安置4个电子位移传感器，锚桩上拔量在锚桩桩顶安置1个电子位移传感器。电子位移传感器的测量误差不大于0.1%FS，分辨力优于或等于0.01mm。

电子位移传感器通过中继器连接到桩基静载测试仪，自动记录桩顶沉降量和锚桩上拔量。