自平衡法桩基静载在大型桥梁工程中的应用

梁文森

（中核华辰建设有限公司，福建 莆田351100）

0 引言

为解决莆田市白塘路建设工程运用传统桩基静载试验方法（堆载法和锚桩法等）受到加载能力、场地条件等方面的限制，难以实施的问题，结合项目实际情况进行了桩基自平衡法[1]静载荷试验。根据项目地质勘察资料及水文条件，选择相近桩基进行自平衡法和堆载法静载试验，通过比较，验证两者得到的单桩极限承载力接近。

1 工程概况

莆田市白塘路建设工程位于城市绿心，东临兴化湾，地势平坦，多为海陆交互相和滨海相地貌。全长约为4.1 km，其中桥梁总长约2.8 km，横跨8条河道。单跨跨径28.0～33.0m，上部为箱梁结构。采用1 200mm的灌注桩，桩长35～45m，单桩承载力容许值为6 000～8 000 kN。

2 试桩试验

2.1 自平衡法试验原理

桩基自平衡法静载荷试验[2]主要装置是一种特制的荷载箱，它主要由活塞、顶盖、底盖及箱壁四部分组成。试验时，通过加载系统对荷载箱施加压力，其顶盖与底盖分离，产生桩周边土的摩阻力与端部阻力。通过位移传感器测出荷载箱向上、向下位移，将上部桩的极限承载力进行换算与下部桩的极限承载力相加，得到单桩的极限承载力，见图1。

图1 自平衡法静载试验简图

2.2 试桩的施工顺序及要求

2.2.1 施工顺序

施工准备→测量放样→埋设护筒→挖设泥浆池→钻机就位→钻孔→制作钢筋笼→检测成孔深度、孔径、倾斜度→清孔→吊放钢筋笼→下导管→二次清孔→混凝土拌和及运输→灌注水下混凝土（初凝前向声测管压力注水劈孔）→钻机撤出→拆护筒养生→15 d～28 d期间做超声波检测→到28 d龄期做承载力检测。

2.2.2 施工特殊要求

自平衡法静载荷试桩施工除严格满足设计图纸及相关工艺规范要求外，还应注意以下几点：

（1）声测管的连接采用套管接头，在荷载箱处断开，上段声测管一端与荷载箱的顶板连接，下段声测管一端与荷载箱的底板连接，另一端密封。

（2）钢筋笼分成两部分，上部钢筋笼与荷载箱上顶板焊接，下部钢筋笼与荷载箱下底板焊接，保证荷载箱中心轴与钢筋笼中心轴重合。加密荷载箱上下2m范围内的箍筋，见图2。

图2 荷载箱与钢筋笼连接

2.3 试桩的自平衡法静载荷试验

2.3.1 试验准备

（1）配置检测仪器设备，检查荷载箱是否正常工作，仪器初调。

（2）布置基准梁、基准桩及搭设防风棚。

（3）架设位移测量系统，布置好位移计。

（4）仪器、设备测试元件的标定。加载前由具有资质的法定计量部门进行加载设备及仪器系统标定，以确保试验荷载的准确性。

2.3.2 试验程序

（1）分级进行加、卸载。

（2）观测。加载量测、卸载量测、稳定标准、抗压终止加载条件等按《基桩静载试验自平衡法》行业标准JT/T 738—2009执行。

2.3.3 试验数据的分析、整理

（1）单桩极限承载力的计算公式根据《基桩静载试验自平衡法》行业标准(JT/T 738—2009)，单桩竖向抗压极限承载力为：

式中：Pu为单桩极限承载力（kN）；Qs为上部桩的加载极限值（kN）；Qx为下部桩的加载极限值（kN）；Ws为荷载箱上部桩自重（kN）；γ 为向下、向上摩阻力换算系数，根据上部桩周边土的类型计取。粘性土、粉士:γ=0.6-0.8，砂土γ=0.5-0.7,岩石γ=1.0，据该桩基工程地质资料,粘性土、粉士、砂土暂取中间值，通过加权平权法，计取γ=0.65。

（2）试桩的单桩极限承载力计算

根据试桩荷载箱向上（Q+—s+）、向下（Q－—s－）两条曲线，测算试桩的极限承载能力。先将自平衡法试验的上部分桩（Q+—s+）曲线换算成桩基受压的向下Q～s曲线，叠加两段向下曲线，得到传统静载法Q～s曲线。本次试验最大有效荷载Qs=5 336 kN，先计算Ws=V×ρ=0.6×0.6×3.14×34×24=922 kN，再 计 算Pu= Qx+（Qs- Ws）/γ=5 336+（5 336-922）/0.65=12 127 kN，即本次试桩的单桩极限承载力为12 127 kN。

（3）试桩的主要土层侧摩阻力

桩身轴力及桩身周边主要土层侧摩阻力的测试，在桩身不同深度的位置埋设钢筋计。据该桩基工程地质资料，埋设断面位置分别为桩顶以下2m、10m、16.5m、18.5m、24.5m、34m和39m，基本位于各土层分界面处。加载过程，首次加载1 334 kN，后续每级增加荷载667 kN，最大有效荷载5 336 kN；卸荷过程，每级卸载1 334 kN。加载过程中，读取每级荷载作用下钢筋计的频率，根据标定的频率-荷载关系曲线，得出纵向受力钢筋所受到的应力由σg=εEg，同级荷载下，试桩内混凝土与钢筋产生的变量相同，可得σg/Eg=σp/ Ep，结合公式根据钢筋的应力和应变量关系，推导桩身轴力计算公式：

式中：Fz为桩身截面处的轴力；f0为第i级加载前钢筋计读数；fi为第i级加载后钢筋计读数；Ep为桩身弹性模量；Ap为桩身横截面积；Eg为钢筋弹性模量。

通过桩身轴力计算各土层的平均侧摩阻力：

式中：τ（i）为第i层土的平均侧摩阻力；L（i）为第i层土的长度；FZ（i-1）为第i层土下断面的桩身轴力；FZ（i-1）为第i层土上断面的桩身轴力；u为桩周长。

2.4 桩基堆载法静载试验

2.4.1 试验的目的

通过试验得到桩侧的分层极限摩阻力和桩端极限承载力，确定桩基的单桩极限承载力[3]。为验证本项目采用自平衡法桩基静载荷试验的可行性及可靠性，提供依据。

2.4.2 试桩的选择

在项目采用的自平衡静载荷试桩周边，根据地质勘察报告选择与试桩相近地质条件的工程桩。

2.4.3 试验结果

本次单桩极限承载力试验实测值为12 800 kN。

3 桩基静载荷试验对比分析

本项目通过选择相同或近似工程地质和水文地质条件下的桩基，分别采用自平衡法和堆载法进行桩基静载荷试验，试验结果得到的桩基极限承载力是接近的。对比分析见表1。

4 结 论

（1）本项目自平衡法静载荷试桩计算单桩竖向极限承载力Pu= Qx+（Qs- Ws）/γ 时，验算结果Pu=12 127 kN，接近堆载法实测值12 800 kN。参考行业标准规范中，对于粘土层，向下摩阻力是向上摩阻力的0.6～0.8倍；对于砂土层，向下摩阻力是向上摩阻力的0.5～0.7倍。根据实测各土层向上摩阻力，本项目加权取值γ≈0.65合理。

表1 自平衡法与传统堆载法静载试验对比表

（2）桩基自平衡法静载荷检测具有推广价值。在基桩传统静载试验因试验环境限制难以实施，或检测费用过高不经济等情况，比如水上、坡地、基坑底、狭窄场地及特大吨位等类型桩基，宜采用自平衡法静载荷试验，检测桩的极限承载力，判断是否满足工程设计要求。