益马高速典型地层桩基自平衡试验研究

付学问,雷金山,叶志凌,邓立志,陆海平

(1湖南益马高速公路建设开发有限公司，湖南 长沙 410008；2.中南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410075；3.湖南中大设计院有限公司，湖南 长沙 410075)



益马高速典型地层桩基自平衡试验研究

付学问1,雷金山2,叶志凌2,邓立志3,陆海平3

(1湖南益马高速公路建设开发有限公司，湖南 长沙 410008；2.中南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410075；3.湖南中大设计院有限公司，湖南 长沙 410075)

桩基自平衡检测试验方法是一种新颖的、有效的桩基承载力检测方法,具有加载灵活、不受场地限制、加荷量大、周期短、经济性好等特点。针对益马高速公路典型地层，采用自平衡法对大栗港高架桥摩擦桩桩基承载力进行测试，研究各级加载下桩端阻力发挥和侧摩阻力的分布规律，分析影响侧摩阻力发挥的主要因素。研究结果表明：泥皮过厚会降低桩侧土(岩)层侧摩阻力50%以上，是影响侧阻力发挥的主要因素。

典型地层 摩擦桩；自平衡法；侧摩阻力；桩端阻力；土压力盒

美国学者J.Osterberg[1]在20世纪中期首次提出了自平衡测试法，展开了自平衡法在桩基承载力测试中的研究。此后在欧美和东亚也开始应用[2]，龚维明等[3-4]在1996年引进该技术并将其实用化。自平衡法通过试桩自身反力平衡来进行测试，在成桩时将荷载箱预埋在预先计算所得的平衡点处，通过油泵对荷载箱施加压力，荷载箱则分别对上、下两段桩产生向上、向下的竖向压力，促使上段桩的桩侧摩阻力与下段桩的桩端阻力与部分侧摩阻力发挥，达到“自平衡”。相对于传统试桩法，自平衡试桩法有着占地小、周期短、成本低、吨位大的特点，近年来，桩基自平衡测试法在我国已有广泛的推广[5-12]。本文针对益马典型地层在大栗港大桥桩基采用自平衡法测试，研究了桩基的极限承载力，分析了桩的端阻力与侧摩阻力的分布规律与特点及二者的相互影响。

1 工程概况与地质条件

大栗港高架桥地处桃江县大栗港镇。桥位区属丘陵地貌。两端桥台附近地形起伏较大，益阳端地面高程约58.0～74.0 m，马迹塘端地面高程约53.5～64.0 m。其余地段地形较平坦，地面高程约48.0～51.0 m，在K42+415附近有一溪沟，溪沟宽约15.0 m，冲沟中农田广布，两端桥台附近民房较密集。桥位有简易公路到达，交通方便。桥位溪沟两旁因水利建设，筑有大量填土。

试桩为大栗港大桥24号桩基，该场地地质分层自上而下为：种植土：褐黄色、褐色，松散～松软；填筑土：褐黄色、褐红色，松散～稍密，主要由黏性土和板岩碎块组成；粉质黏土：褐黄色、灰黄色，可塑～硬塑状；细砂：褐黄色，中密，饱和，含少量黏性土，局部分布；卵石：杂色，饱和，中密；全风化板岩：红褐色、褐黄色，岩芯呈硬土夹碎石碎块状；强风化板岩：褐黄色，岩芯呈半岩半土状或块状、柱状。试桩的地层分布及参数见表1。

表1 试桩地层分布

2 试桩测试元件布置

试桩成孔工艺为冲孔灌注桩，为摩擦桩型，桩径d=1.5 m，桩长L=32 m，桩顶标高为51.27 m，桩底标高19.27 m，奠基岩层为强风化板岩。运用各土(岩)层的摩阻力建议值对荷载箱埋置点(平衡点)进行计算，最终确定荷载箱埋置位置为桩底向上5.5 m处，钢筋计安装断面有8个，每个断面安装4个振弦式钢筋计，安装位置如图1所示，信息如表2所示。

试桩在安装自平衡基本装置的基础上在桩底安装土压力盒，土压力盒可测的桩端阻力，对比自平衡法测试数据，验证叠加转换法的可靠性。试桩桩底埋置5个量程为4 MPa的土压力盒。安装步骤如下：1)用两根钢筋焊接成一个与钢筋笼底部直径相同的十字架；2)将5个直径7cm的铁饼焊接在十字架的中央和四端内侧15 cm处；3)将5个土压力盒用AB胶粘结在5个铁饼处，在干燥的地方放置12 h；4) 将十字架焊接在钢筋笼底端。安装示意图如图2所示。

3 测试结果与数据分析

3.1 试桩测试结果

试桩采用慢速荷载维持法，每级加载值为800 kN，第一级加载值取每级加载值的2倍，即1 600 kN，试验所得Q～S曲线如图3所示。本次加载至第4级时，上段桩位移为34.43 mm，下段桩位移为8.45 mm，总位移量达到42.88 mm，规范《基桩静载试验自平衡法》[5]要求总位移超过40 mm时为终止条件，取终止时荷载前一级的加载值为极限加载值。

根据文献[5]，单桩竖向极限承载力的计算式为

(1)

式中：Qu为单桩竖向抗压极限承载力，kN；Qu上为荷载箱上段桩加载压力；Qu下为荷载箱下段桩加载压力；W为荷载箱上段桩的有效自重；γ为荷载箱上段桩侧阻力修正系数。

根据试桩的土层桩况，考虑上段桩所受的渗水浮力，上段桩的有效自重为689 kN，荷载箱上部为强风化板岩，故上段桩侧阻力修正系数取1.0。上、下段桩加载压力取3 200 kN，最终试桩的竖向极限承载力5711 kN。

表2 钢筋计布置断面位置

图1 钢筋计沿桩布置示意图Fig.1 Distribution of steel bar along the test pile

图2 桩底土压力盒布置示意图Fig.2 Distribution of earth pressure box of test pile tip

图3 试桩Q-S曲线Fig.3 Q-S curve of test pile

3.2 侧阻力分析

在加载过程中，钢筋受力产生的变形将引起焊接于钢筋上的振弦式钢筋计内钢弦变形，使钢弦发生应力变化，从而改变钢弦的振动频率。测量时利用电磁线圈激拨钢弦并量测其振动频率，频率信号经电缆传输至频率读数装置或数据采集系统，再经换算即可得到钢筋的应力变化量，则有：

(2)

在测出钢筋计所在各个断面的轴力之后，用相邻两个断面的轴力差除以其侧面积，即可求出桩侧摩阻力。试桩各级荷载下桩侧摩阻力沿深度变化的曲线如图4所示。图中看出，前两级加载下侧摩阻力从荷载箱处沿着桩身越往上越小，快到桩顶时甚至为0[6]。各级加载下桩端附近侧摩阻力都偏大，且侧摩阻力最大值发生在荷载箱埋置点附近，这是由于荷载箱对侧摩阻力的泊松比效应和端阻力对侧阻力的强化效应[7-8]。加载至第四级时，桩顶已被顶出，各土(岩)层侧阻力均已发挥，强风化板岩的侧摩阻力实测值已稳定在40～50 kPa之间，其地勘建议值为100 kPa；粉质黏土与卵石的侧摩阻力实测值分别为13.83和34.28 kPa，其地勘建议值分别为60和140 kPa，各土(岩)层的侧摩阻力的发挥都小于地勘建议值的50%以上。结合本次试桩概况与文献，发现影响侧摩阻力发挥的主要因素是桩侧泥皮过厚[9-10]。对比不同土(岩)层的实测侧摩阻力还可发现，桩侧泥皮对不同土(岩)层的影响程度也不相同。

图4 试桩侧摩阻力分布Fig.4 Distribution of side friction resistance of test pile

3.3 端阻力分析

有些学者将埋设最深的钢筋计所测出的轴力作为桩端阻力[11]，而本次试验中，在每次加载时通过土压力盒测出桩底的压强，再乘以桩底的面积，即可求出试桩的桩端阻力，土压力盒测试结果如表3所示。从表中看出，桩端阻力随着荷载增加而增加，1、2级荷载下桩端阻力占桩基承载力的33.90%和34.85%，而3、4级加载时端阻力占桩基承载力的40.19%和39.64%，这说明桩侧摩阻力的发挥也会强化桩端阻力的发挥[8]。

表3 土压力盒测试数据

4 结论

1)桩侧泥皮对侧摩阻力的影响十分巨大，因此，控制泥皮质量是桩基承载力自平衡法测试成功的关键。

2)侧摩阻力的发挥受荷载箱与端阻力发挥的影响，在荷载箱附近与靠近桩端处偏大。

3)用土压力盒测试端阻力，对比钢筋计的测试数据，可提高试验结果的准确性，而且成本较低，有一定的推广价值

4)在计算平衡点时，也应考虑到泥皮对侧摩阻力的影响，对侧摩阻力进行折减，确保试验成功与数据准确。

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Studies on a self-balanced test for typical stratigraphic piles of YIMA Freeway

FU Xuewen1, LEI Jinshan2, YE Zhiling2, DENG Lizhi3, LU Haiping3

(1.HunanYi-Ma Expressway Construction and Development Corporation , Yiyang 413400, China;2.Central South University, Changsha 410075, China;3.Hunan ZHONGDA Design Institute CO. LTD, Changsha 410075, China)

Pile self-balanced testing method is a novel and effective method for the detection of pile foundation with flexibility to load and unload, without space constraints, and with advantages of large load capacity, short cycle and good economic benefit. In the paper, based on YIMA freeway typical stratigraphic, the self-balanced testing method was used to study the friction pile bearing capacity of pile foundation of Da Ligang Bridge and the regularities of distribution of pile tip resistance and side friction resistance under load conditions at all levels. The results show that the thickness of mud closed to pile has certain effect on side friction resistance. When the thickness is enough, the side friction resistance can be reduced by 50 percent. Therefore, it is a major factor that influences the side friction resistance.

typical formation; friction pile; self-balance method; pile tip resistance; side friction resistance; earth pressure box

2016-02-20

国家自然科学基金资助项目(50678175)；益马高速建设科技计划项目(YM201501)

雷金山(1973-)，男，湖南湘乡人，高级工程师，博士，从事岩土工程教学与科研工作；E-mail：5822673@qq.com

U451

A

1672-7029(2016)11-2163-05