大直径桩基承载力自平衡法试验研究

王新山

(大连理工现代工程检测有限公司 大连市 116024)

1 项目概述

某工程桩基采用钻孔灌注桩，直径达2.1m，设计要求单桩极限承载力不小于24000kN。检测桩基承载力时，传统的方法[1]虽然直接可靠，但对于大吨位的桩基，由于必须解决数千吨甚至上万吨的配重堆放和运输，以及配套的反力大梁，所需费用极高，检测周期又长，且有一定的风险性，采用传统静载试验法存在一定困难[2]。自平衡试桩法与传统静载试验相比，其具有造价省、操作容易，测试数据精度高等优点，尤其是在检测场地受限、测试大直径桩的极限承载力时，该法可以较好克服传统静载试验法的不足，在国内、国际桥梁界得到广泛应用[3]。

依托本工程桩基自平衡试桩法荷载试验，介绍了自平衡试桩法的测试原理、测试系统和试验程序，并通过现场试验测得了桩基极限承载力，为同类地质条件下大直径桩基的设计、施工和检测提供宝贵经验及重要参考。

本次基桩静载试验对象为试验桩，试验桩桩号为S1、S2，桩长26m，桩径2.1m，详见表1所示。

表1 试桩参数表

2 自平衡试桩法试验原理

自平衡试桩法的基本出发点是利用试桩自身反力平衡的原则，在桩端附近或桩身某截面处预先埋设单层(或多层)荷载箱，试验时，通过荷载箱对上、下段桩身施加荷载，从而迫使上段桩身上抬,使上段桩桩侧摩阻力徐徐发挥，同时迫使下段桩下沉，使下段桩桩侧阻力及桩端阻力徐徐发挥；此时，上下桩段的反力大小相等、方向相反，从而达到试桩自身反力平衡加载的目的；如此随着荷载箱压力的不断增加，试桩破坏，试验终止。经过测试可获得上下桩段2条Q～S曲线及相应的S～lgt曲线，采用合理的数据转换方法和承载力判定方法，即可得到桩顶的Q～S曲线，确定基桩的极限承载力、桩侧及桩端阻力分布情况[4]。

图1 自平衡法原理图

3 试验过程

根据初始设计参数计算得到，平衡点以上桩长Lu=21m，平衡点以下桩长Ld=5m，荷载箱布置于平衡点的位置。为设计提供依据的试桩,应加载至破坏。最大双向加载值可取按地质报告计算的单桩极限承载力的1.2～1.5倍。根据设计文件要求，确定荷载箱最大双向加载值为25000kN，荷载箱位置见图2。

图2 荷载箱布置图

在桩顶位置共布置4个位移测点，对称布置，分别为荷载箱向下位移测点2个(S1、S2)、荷载箱向上位移测点2个(X1、X2)，其中荷载箱向上、向下位移通过位移杆传递到桩顶测量，位移测点布置详见图3。

图3 位移测点布置平面图

共2根试验桩，每根试验桩设置3个应变测试断面，每个断面布置4个应变测点，全部共计12个应变测点，应变测点布置详见图4。

图4 应变测点布置图(单位：m)

采用慢速维持荷载法[5]。每级加(卸)载后第1h内应在第5min、10min、15min、30min、60min测读位移,以后每隔30min测读一次,达到相对稳定后方可加(卸)下一级荷载。卸载到零后应至少观测2h，测读时间间隔同加载。每级加(卸)载的向上、向下位移量在最后30min内均不大于0.1mm。

4 试验结果及数据分析

4.1 单桩竖向抗压承载力

表2为试桩S1和试桩S2单桩竖向抗压静载试验结果，图5和图6分别为其对应的荷载-位移曲线。

图5 试桩S1荷载-位移曲线

图6 试桩S2荷载-位移曲线

表2 试桩单桩竖向抗压静载试验荷载-位移结果汇总表

本次试验桩所处地层多为卵石，承载力较高，总位移量小于40mm，但荷载已大于或等于设计荷载乘以规定的安全系数，取极限加载值为50000kN，并以此计算试桩的极限承载力。

试桩的抗压极限承载力按下式计算[5]：

其中：Pu—试桩的单桩极限承载力，单位为kN；

Quu—试桩上段桩的加载极限值，单位为kN；

Qlu—试桩下段桩的加载极限值，单位为kN；

W—荷载箱上部桩自重，单位为kN，若荷载箱处于透水层，取浮自重；

γ—试桩的修正系数，根据荷载箱上部土的类型确定：粘性土、粉土γ=0.6，砂土γ=0.7，岩石γ=1.0，若上部有不同类型的图层，γ取加权平均值。本次试验桩所处地层基本为卵石，取γ=0.8。

根据上式和已知条件，计算试桩单桩竖向抗压极限承载力Pu不小于54000kN。

单桩竖向极限承载力容许值Pk不小于27000kN。

4.2 桩侧阻力和端阻力

桩侧阻力和桩端阻力可以通过桩身轴力图求得[5]，表3和表4分别为试桩S1和试桩S2计算得到侧阻力和端阻力结果，从计算结果可以看出，在加载过程中，采用不同荷载等级计算得到侧阻力和端阻力相差较大。由于规范所涉及到的侧阻力和端阻力为极限状态下力学参数，因此，本次计算取加载过程的后半部分结果进行计算(0.5～1.0倍极限荷载)。试桩S1的侧阻力实测值为310kPa，端阻力实测值为3933kPa；试桩S2的侧阻力实测值为284kPa，端阻力实测值为4211kPa。取两组数据的平均值，侧阻力实测值为297kPa，端阻力实测值为4072kPa。

表3 试桩S1侧阻力及端阻力计算汇总表

表4 试桩S2侧阻力及端阻力计算汇总表

5 结语

(1)本工程桥梁桩基直径达2.1m，施工场地狭窄，采用传统静载试验法检测桩基承载力成本高、试验不便。

(2)选用自平衡法对大直径试桩进行了承载力检测，测得2根试桩极限承载力测试值不小于设计值27000kN，侧阻力实测值为297kPa，端阻力实测值为4072kPa。为同类地形、地质条件下大直径桩基的设计、施工和检测提供了宝贵经验及重要参考。

(3)通过本试验研究可以看出，自平衡试验法试验装备构造简单，场地影响小，试验迅速，安全性高，试验数据准确可靠，尤其适用于大直径、大吨位以及施工场地受限等桩基承载力检测，在桥梁桩基检测中具有广阔的应用前景。