斜锚桩在锚桩法静载试验中的应用

黎双邵，孙红梅

（中交天津港湾工程研究院有限公司，天津 300222）

0 引言

桩基础是一种常用的深基础[1]。基桩静载荷试验是确定试验桩极限承载力和检验工程桩承载力最直接的手段，在工程中得到普遍应用[2]。基桩静载荷试验反力装置一般采用堆载、锚桩反力梁或采用锚桩和堆载联合提供反力，根据反力装置特点简称为堆载法、锚桩法和锚桩联合堆载法。在水上基桩静载荷试验多采用锚桩法[3]。桩基工程中对水平承载力要求不高的工程大部分采用直桩，对水平承载力有要求的会采用斜桩。国内外规范[4-6]基桩静载试验锚桩均为直桩，采用斜桩作锚桩的基桩静载荷试验[7]很少见。有的采用斜桩的工程为了试桩而加打直桩，例如杭州湾大桥在主墩中间增加5 根直桩（1 根试验桩，4 根锚桩），金塘大桥在桥墩旁专门进行了6 组试桩，专门打设直桩。这些为基桩静载试验而加打的直桩不仅增大了工程建设成本，也会增加工期。在进行锚桩法静载试验时能利用工程桩中的斜桩作锚桩就能节省成本，加快工程建设，缩短工期，因此进行斜锚桩静载试验研究十分必要。近年来海上风电在我国得到大力发展，风机基础如采用高桩平台多采用斜桩。在福建莆田南日岛海上风电项目试桩工程中，采用工程桩作锚桩进行了斜锚桩基桩静载荷试验，取得了斜锚桩在锚桩法基桩静载荷试验的应用经验。

1 工程概况

龙源福建莆田南日岛400 MW 海上风电场工程位于莆田市南日岛东北侧海域，规划布置100台单机容量4.0 MW 的风力发电机组。根据实测海底地形图资料，风电场区海底高程在0～-30 m（85 高程，下同），风电场海域内岛屿、岛礁分布较多，水深变化范围较大，海底地形较为复杂。工程区域地质情况复杂，环境保护要求高，缺乏可以利用的试桩资料，有必要在工程区域内进行施工工艺试桩[8]。福建莆田南日岛海上风电项目风机机位基础采用髙桩承台结构，单个基础采用8根直径φ1 800 mm 钢管桩作为工程桩，且均为斜桩，倾斜度5 ∶1。风机基础钢管桩和试桩平面布置见图1。根据前期设计，本工程需要采用两种桩型：打入式非嵌岩钢管桩、打入式嵌岩钢管桩，每种桩型做1 组试验，共2 组试验。各试桩均做水平承载力试验、抗压和抗拔承载力试验。试验桩单桩抗压静载试验预计加荷值为22 000 kN。

图1 钢管桩平面布置图Fig.1 Steel pipe pile layout plan

2 试桩方案

风机基础采用髙桩承台，每个机位的基础由8 根分布在同一圆上的倾斜度为5∶1 的斜桩组成。由于锚桩在静载荷试验中受力很大，利用工程桩作锚桩可能会使工程桩倾斜度发生改变，如果采用直桩作锚桩必须加打直桩，最好的办法就是利用8 根工程桩作锚桩进行静载试验，采取适当措施防止工程桩倾斜度变化。

利用工程桩作为锚桩需要降低静载试验中斜桩桩身弯矩和挠曲变形，避免改变工程桩倾斜度。静载荷试验时上拔力会使锚桩桩身产生弯矩，当上拔力作用点和锚桩嵌固点间的水平投影长度较大时，产生的弯矩也较大，这可能导致细长的锚桩产生明显的挠曲变形，甚至可使斜桩的设计倾斜度发生改变。利用尽可能多的工程桩作锚桩就可以减少单根锚桩上的上拔力，所以最优的方案就是采用8 根工程桩作锚桩。试验桩预计加荷值为22 000 kN，按通常锚桩法试验会采用4 根锚桩，每根锚桩上拔力平均为5 500 kN。本项目中的方案为采用8 根锚桩，则每根锚桩上拔力平均为2 750 kN，相比于4 根锚桩极大地减小了对锚桩的影响。试桩方案决定采用锚桩法进行海上静载试验，利用8 根工程桩作锚桩，并临时设置2 根直桩作观测基准桩。

3 方案实施

采用斜桩作锚桩的方案实施，主要需要考虑减小上拔力对斜桩的倾斜度的影响和抵消斜桩分力产生的水平力问题。

根据现场工况条件研究分析，主要采取两方面措施，保证了斜桩作锚桩方案的顺利实施。一方面，设计加固平台将8 根斜桩连接在一起，相邻桩之间用型钢焊接起来，中间再加一个“井”字架连接4 根桩，这样每根锚桩和3 根桩连接固定在一起。锚桩连接加固示意图见图2。这样可以一举三得，一是加固平台增加了锚桩体系的整体刚度，二是加固平台抵消了静载试验时对锚桩产生的大部分水平力，也能束缚锚桩倾斜度的改变，三是加固平台可以兼作试验平台。另一方面，将未能打入的钢桩富余部分截下来，截成1.2 m长，对称两侧开口，开口宽度为梁宽略加富余量，将桩头放置在试验梁上，桩头轴线和锚桩轴线重合，使锚桩为轴向受力，通过锚筋与锚桩连接起来承受拉力。将锚桩间用型钢焊接连成整体，桩头轴线与锚桩轴线轻微偏移产生的少量水平力可由焊接的型钢抵消，最大程度地避免了静载试验对锚桩产生变形影响。

图2 锚桩连接加固图Fig.2 Joint and reinforcement plan of anchor pile

锚桩通过型钢连接成整体后，型钢就可以作为试桩平台的受力支撑结构，在型钢上焊接薄钢板做试验平台。试验平台搭设完毕后就可以安装静载试验设备了。先在试桩上布设垫板，垫板上布设试验用千斤顶。在基准桩上焊牛腿，在牛腿上架设基准梁。等千斤顶和基准梁安放好后，在锚桩上布设支撑反力梁的支架。支架安装好后吊装反力梁，分层搭设反力梁。反力梁上放置利用桩头加工的拉帽，拉帽和锚桩之间利用螺纹钢筋连接起来。螺纹钢筋焊接达到相应的长度就可以进行静载试验了。

4 实施效果

2 根试桩抗压静载试验均加载至22 000 kN，没有出现破坏，试桩的单桩轴向抗压极限承载力均为不小于22 000 kN。在加载过程中，没有出现危及试验安全的情况，锚桩斜度试验前后没有变化。由于抗拔静载荷试验和水平静载荷试验荷载均比抗压静载试验吨位小很多，所以另外两种静载试验对工程桩影响可以忽略不计。

本工程静载试桩首次采用8 根斜桩作锚桩，首次采用桩头做拉帽均取得很好效果。采用斜桩作锚桩进行海上静载荷试验，设计加固平台将8根斜桩连接在一起，增加了锚桩体系的整体刚度，抵消了水平分力和水平变形，并可兼作试验平台；采用桩头做拉帽，拉帽轴线与锚桩轴线重合，锚桩只产生轴向变形。两方面的措施，保证了斜桩作锚桩方案的顺利实施，同时避免重新打设4 根直桩作锚桩，节省了数百万元直接成本。采用斜桩作锚桩，并且用截下来的桩头做拉帽，有效地解决了静载试验利用斜桩作锚桩可能引起较大弯矩和明显挠曲变形的难题，在减小水平力产生和满足工期要求的前提下节约了成本投入，在今后类似工程中值得借鉴。

5 结语

通过本工程实践可以得到以下结论：

1）在锚桩法基桩静载试验中采取适当措施利用工程桩中的斜桩作锚桩是可行的。

2）利用斜桩作锚桩不用加打直桩，可以大量减少工程成本，节省工程造价和缩短工期，具有良好的经济效益和社会效益。

在本项目试桩工程中采用了8 根工程桩作锚桩，由于风机基础只有8 根桩，所以需要临时打设2 根直桩作试验基准桩。后来在其它风电试桩项目中，同样是8 根斜桩的高桩承台基础，也尝试取8 根桩中的2 根桩作基准桩，用6 根斜桩作锚桩，这样不需要打设基准桩。把6 根锚桩通过工字钢连接起来，工字钢作为搭设试桩平台的受力结构。采用6 根斜桩作锚桩效果也很好，对工程桩的倾斜度也没有影响。