自平衡试桩法在港口码头钢管复合桩中的应用

戴国亮 ，龚维明 ，王磊 ，朱文波

（1.东南大学混凝土及预应力混凝土结构教育部重点实验室，江苏 南京 210096；2.东南大学土木工程学院，江苏 南京 210096；3.南京东大自平衡桩基检测有限公司，江苏 南京 210096）

自平衡试桩法在港口码头钢管复合桩中的应用

戴国亮1，2，龚维明1，2，王磊2，3，朱文波2

（1.东南大学混凝土及预应力混凝土结构教育部重点实验室，江苏 南京 210096；2.东南大学土木工程学院，江苏 南京 210096；3.南京东大自平衡桩基检测有限公司，江苏 南京 210096）

在港口码头的基桩竖向承载力检测中，经常遇到场地条件、加载吨位受限的情况，导致传统静载荷试验无法开展。自平衡试桩法能够适用于各种试验场地，可测试大吨位，试验方便，费用低廉，可较好解决港口码头传统静载方法受限等问题。选取港口码头6根钢管复合桩进行自平衡试桩介绍。结果表明：文中所述的自平衡试桩向传统静载试验结果换算的理论可靠，自平衡试桩法测出桩基承载力与规范计算结果相差20%左右，自平衡测试结果略大于规范值。通过自平衡试桩法在港口码头上的成功应用，表明该方法在港口码头试桩中具有广泛的应用前景。

自平衡法；桩承载力；港口码头；钢管复合桩

0 引言

钢管复合桩是港口码头工程中主要桩型之一，多年来钢管复合桩被广泛应用于我国华东、华南沿海港口码头工程。单桩静载荷试验是确定单桩承载力的一种最基本的也是最可靠的方法，是分析桩在荷载作用下桩基承载力的重要手段。测试基桩承载力的传统方法主要有堆载法和锚桩法，但堆载法和锚桩法需进行堆载或锚桩作业，不仅费用高，耗时长，而且容易受到大吨位和场地条件的限制，在港口码头的桩基承载力检测中，传统的基桩静载试验难以开展。

自平衡试桩法检测技术已经日趋成熟，能够适用于各种试验场地，能够测试大吨位，试验方便，费用低廉，近年在港口码头桩基承载力检测中得到了广泛运用[1-3]。文中选取了鄂州码头等6根钢管复合桩进行介绍，通过自平衡试桩法在港口码头钢管复合桩上的成功应用，显示了该方法在港口码头钢管复合桩中具有广泛的应用前景。

1 自平衡试桩法原理

自平衡试桩法是一种接近于竖向抗压桩实际工作条件的试验方法（图1），测试时能直观地反映荷载箱上、下两段桩各自的承载力。将上段桩侧阻力经一定处理后与下段桩端阻力相加即为桩极限承载力[4-6]。

各类型桩的荷载传递机理如图2所示。竖向受压桩（图2（a）），桩顶荷载Q由桩侧摩阻力和桩端阻力共同承担。传统的抗拔桩（图2（b）），拉拔力Q由负摩阻力与桩自重平衡。自平衡桩（图2（c）），通过荷载箱施加于自平衡点，其荷载向上和向下传递。

图1 桩承载力自平衡试验示意图Fig.1 Schematic diagram of self-balancing test of pile bearing capacity

图2 荷载传递机理Fig.2 Load transfer mechanism

设传统静载受压桩的承载力Q为总摩阻力Qs与总端阻力Qp之和，即：

经转换后的自平衡桩承载力亦为Q，Q为等效的上、下段桩承载力之和，上段等效的承载力应考虑修正系数γ，则有

式中：Q上、Q下分别为平衡点处向上及向下的荷载；γ为系数，对于黏土、粉土，γ=0.8，对于砂土，γ=0.7；W为上段桩的自重。

所得的Q-S转换曲线如图3所示。

图3 Q-S转换曲线Fig.3 Q-S conversion curve

2 工程概况

为了扩大自平衡试桩法在港口码头上的应用，本文选取了棋盘洲码头1根、石矶码头2根、三江码头2根、鄂州码头1根等6根试桩进行测试，相关数据如表1所示。由于同是钢管混凝土复合桩，本文主要对鄂州码头C16试桩的结果进行分析，试桩C16直径1.2 m，桩长19 m，荷载箱标高-13.8 m，钢管桩内混凝土芯长度10 m，钢筋混凝土芯柱底标高-14.8 m。桩端持力层为中风化砂岩，桩身每个截面对称设置4个振弦式钢筋计，共布置20个钢筋计。其工程地质柱状图如图4所示，土层力学性能指标见表2。

表1 试桩有关数据Table 1 Test pile data

图4 工程地质柱状图Fig.4 Engineering geologic column

表2 主要土层力学性能指标Table 2 Main mechanical performance index of soil layer

3 测试情况及结果

3.1 测试情况

加载采用慢速维持荷载法[7]，共分11级，每级加载为1 320 kN，1 980 kN，2 640 kN，3 300 kN，3 960 kN，4 620 kN，5 280 kN，5 940 kN，6 600 kN，7 200 kN，7 920 kN；位移观测：每级加载后在5 min，10 min，15 min，30 min，45 min，60 min测读1次，以后每隔30 min测读1次。

3.2 测试结果

整个测试过程情况正常，荷载箱加载值达到荷载箱最大加载值时停止加载。由现场实测数据绘制Q-S曲线，如图5所示。

图5 自平衡试桩Q-S曲线Fig.5 Self-balancing test pile Q-S curve

根据图5的Q-S曲线，荷载箱下部桩与砂岩变形为2.47 mm，卸载后残余变形为0.9 mm，荷载箱上部位移为1.66 mm，桩顶位移为0.33 mm，桩身压缩变形为1.33 mm，卸载后残余变形为0.53 mm。

加载时桩身轴力分布曲线如图6所示。加载处轴力最大，由于土摩阻力的作用，桩身轴力随着距荷载箱距离增大而减小。在标高从-4.54 m到-14.8 m为中风化砂岩，桩侧摩阻力要远高于上部土层桩侧摩阻力，从图6的测试结果中也可以看出，在中风化砂岩层轴力降低较快，上部淤泥质粉质黏土层，由于桩侧摩阻力较小，在与粉质积土层交界处轴力几乎为0。

图6 C16桩身轴力曲线Fig.6 C16 pile axial force curve

从图7的桩侧摩阻力分布曲线可知，随着外力的增加，每层土的摩阻力逐渐增加，且离加载处（荷载箱）近的土层摩阻力首先发挥作用，然后远处的土层摩阻力才逐渐发挥。同时可以得出，每层土并未达到极限值时就开始将荷载传递到邻近土层中，即摩阻力的发挥与桩土相对位移有关。

图7 C16桩侧摩阻力深度分布曲线Fig.7 C16 pile side friction distribution curve with depth

图8所示为桩侧摩阻力-位移曲线，由图可以看出各土层的摩阻力随着桩土相对位移的增大而增大，且摩阻力的发挥基本上与位移成正比，从图中可见，靠近荷载箱的砂岩层桩土的相对位移最大，在停止加载时相对位移达到1.5 mm，桩侧摩阻力发挥较充分。桩端Q-S曲线由下述原则求得：荷载箱所施加荷载扣除下部土层的侧阻力即为桩端阻力，荷载箱向下的位移扣除下段桩身混凝土弹性压缩即为桩端向下位移，其结果如图9所示。

图8 桩侧摩阻力-位移曲线Fig.8 Pile side friction resistance-displacement curve

图9 C16桩端阻力-位移曲线Fig.9 C16 pile end resistance-displacement curve

在推导过程中采用假定的向下位移值进行试算，故对应的Q-S曲线中，所对应的荷载并非等距，根据江苏省地方标准DGJ 32/TJ77—2009《基桩自平衡法静载试验技术规程》[7]，转换后的Q-S曲线如图10所示。C16桩极限承载力取为：

图10 C16桩等效转换Q-S曲线图Fig.10 C16 pile equivalent conversion Q-S curve

根据JTS 167-4—2012《港口工程桩基规范》[8]算得6根试桩极限承载力与采用自平衡法测的极限承载力见表3，由表3可知，公式算得的结果与测试结果相近，结果相差在20%左右。可以发现按规范算得的桩基承载力低于自平衡试桩法测的结果。

表3 承载力对比Table 3 Comparison of bearing capacity

4 结语

1）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，另外它可用来确定基桩的侧阻或端阻单项的极限值，能够很好地用于港口码头钢管复合桩承载力检测。

2）通过选取的6根港口码头的桩基自平衡试桩结果，可以发现自平衡试桩法测出来的承载力与理论计算结果相差20%左右，按规范算得的桩基承载力低于自平衡试桩法测的结果。

3）本文所介绍的自平衡试桩结果向传统静载试验结果转化的理论推导对工程应用来说具有较好的精度。参考文献：

[1] 许锡宾，周亮，吴同情，等.内河港口大直径嵌岩灌注桩试验研究[J].水运工程，2015（1）：175-180.XU Xi-bin,ZHOU Liang,WU Tong-qing,et al.Test research on large-diameter rock-socketed cast-in-place piles at river port[J].Port＆Waterway Engineering,2015(1):175-180.

[2] 何均龙.自平衡检测法在安哥拉LNG工程中的应用[J].水运工程，2011（4）：154-158.HE Jun-long.Application of self-balanced testing method for Angola LNG project[J].Port＆Waterway Engineering,2011(4):154-158.

[3]徐勇.桩基自平衡试桩法的理论分析及工程应用研究[D].长沙：中南大学，2011.XU Yong.Theoretical analysis and engineering application of pile foundation self-balanced test pile method[D].Changcha:Central South University,2011.

[4] 戴国亮，龚维明.压桩和托桩摩阻力的原位试验研究[J].建筑结构，2009，39（2）：58－60.DAI Guo-liang,GONG Wei-ming.Field test of friction resistance and negative skin friction of cast-in-situ piles[J].Building Structure,2009,39(2):58-60.

[5] 龚维明，蒋永生，翟晋.桩承载力自平衡测试法[J].岩土工程学报，2000，22（5）：533－536.GONG Wei-ming,JIANG Yong-sheng,ZHAI Jin.Self-balanced loading test for pile bearing capacity[J].Chinese Journal of GeotechnicalEngineering,2000,22(5):533-536.

[6] 戴国亮，龚维明，刘欣良.自平衡试桩法桩土荷载传递机制原位测试[J].岩土力学，2003，24（6）：1 065－1 069.DAI Guo-liang,GONG Wei-ming,LIU Xin-liang.Experimental study of pile-soil load transfer behavior of self-balanced pile[J].Rock and Soil Mechanics,2003,24(6):1 065-1 069.

[7]DGJ 32/TJ77—2009，基桩自平衡法静载试验技术规程[S].DGJ 32/TJ77—2009,Technical specification for static loading test of self-balanced method of foundation pile[S].

[8]JTS 167-4—2012，港口工程桩基规范[S].JTS 167-4—2012,Code for pile foundations of harbor engineering[S].

Application of self-balanced test pile method in steel composite pile foundation of port wharf

DAI Guo-liang1,2,GONG Wei-ming1,2,WANG Lei2,3,ZHU Wen-bo2
（1.Key Laboratory of Concrete and Prestressed Concrete Structure of Ministry of Education,Southeast University,Nanjing,Jiangsu 210096,China;2.Department School of Civil Engineering,Southeast University,Nanjing,Jiangsu 210096,China;3.Nanjing Dongda Self-Balanced Pile Foundation Inspection Co.,Ltd.,Nanjing,Jiangsu 210096,China）

In the test of vertical bearing capacity of pile foundation in port wharf,we often encounter the condition of site and load limit,which can't be carried out by traditional static load test.Self-balancing method can be applied to a variety of test sites,it can test high load,convenient test and low cost,and it can solve the shortcomings of traditional methods.In this paper,six combination piles are selected to analysis.The results show that the theory of conversion to the traditional static load test is reliable and has good accuracy.The pile bearing capacity measured by the self-balanced test method is about 20%larger than that of standard calculation results.The successful application of the self balanced test pile method on the port wharf shows that the method has a wide application prospect in port wharf.

self-balanced method;bearing capacity of pile;port wharf;steel composite pile

U655.55

A

2095-7874（2017）10-0037-05

10.7640/zggwjs201710008

2017-05-14

2017-06-15

戴国亮（1975— ），男，江苏南京人，博士，教授，主要从事地下结构工程方面的教学和研究工作。

E-mail：daigl@seu.edu.cn