灌注桩自平衡法检测试验在公路桥梁工程中的应用

蔺媛媛

（徐州市公路工程总公司，江苏 徐州 221000）

0 引言

公路桥梁工程中的桩基检测手段包括钻芯法、低/高应变法、静载荷试验法以及声波透射法等，其中应用较多的主要是静载荷试验法，现场实际应用中主要包括锚桩法和堆载法，如图1所示。但桩基静荷载试验法主要采取的加载方法是慢速维持荷载法，且桩基承载力一般较大，若实际的公路工程项目位于较偏僻的地区或交通不发达区域，则试验时将存在现场施工不便、检测时间长、费用高、检测过程中基桩易发生位移以及配套工作复杂等弊端。此时，传统的静载荷试验法不再适用，而桩基自平衡法静载试验的出现能有效地解决上述相关问题，且在桩基检测过程中不存在安全隐患，能在缩短近1/2检测工期的同时，节省约1/3的检测费用，具有较高的综合效益。

图1 锚桩法（左）和堆载法（右）试验现场

1 工程概况

某高速公路的桥梁工程桩基采用灌注桩，桩长较长，地下水较丰富，共1 102根桩，桩型共设计有4类，桩径为800mm、1 000mm不等，单桩竖向承载力分别为2 300kN、3 000kN、4 600kN、5 300kN。桩基处覆土较浅，大多为黏土与回填土，厚度1～2m，其下风化程度不一的岩层，桩基施工时主要采用机械成孔方式，采用水下C30混凝土灌注成桩，保护层厚度为70mm，混凝土防腐等级为一级。

根据要求，拟对本次公路桥项目采取静载检测的桩基根数达59根，数量较大，因此，需要综合考虑施工成本、场地占用、检测进度以及检测效率等问题，做到在保证桩基检测准确性的条件下，使检测成本和工程进度得到良好的控制。经技术人员与专家会审，考虑现场实际情况，决定采用桩基自平衡法静载试验实施本次桩基检测。

2 桩基自平衡法静载试验检测原理及工艺流程

2.1 桩基自平衡法静载试验检测原理

桩体上段桩的自重与侧阻力随选取截面的不同而变化，在桩身的某一截面位置处，其值约等同于下段桩的侧+端阻力之和，该位置即为桩身自平衡点。根据待检测桩的设计参数，主要包括桩的类型、承载力、桩径及混凝土强度等，通过厂家定制一种加载装置荷载箱，构成包括箱侧壁、顶盖、底盖以及活塞，其外径相比桩外径值应略小，且底盖与顶盖焊接位移杆，主要工作原理与千斤顶相似。在桩身自平衡点处放置加载箱，通过地面上的油管对其施加荷载，导致桩体内发生加载力，继续增大加载压力时，该加载箱将同时对上下侧两段桩产生一定的作用，使桩身处于自平衡状态。然后，对相应的油管压力以及加载箱上下推动的位移进行计算，画出力与位移曲线，从而可求得桩基的极限承载力。检测原理如图2所示。

图2 设备与试验组示意

2.2 桩基自平衡法静载试验检测工艺流程

桩基自平衡法静载试验的检测工艺流程如下：设计检测方案→安装荷载箱以及油管、护管、位移杆等→施工工程桩→安装试验检测装备→逐级加载并观察位移→加载停止→逐级卸荷并观察位移→整理并分析试验所得的检测数据。

3 成桩前施工

3.1 检测方案设计

桩基施工前，与建设方、监理方以及设计方等会面，对桩基进行编号，再按照所确定受检桩的设计参数，选定生产工厂进行自平衡加载箱的定制。

3.2 安装荷载箱、油管、位移杆及导管

验收桩孔后，即可安装荷载箱。将加载箱固定于钢筋笼上，同时设置4根位移杆与护管。4根位移杆均预埋于桩体里，其中2根焊固于箱底，用于底盖位移检测，即对桩基底部的反力是否足够进行判断；另外2根焊固于箱顶，用于顶盖位移检测，即检测桩基上拔值。安装护管的用途主要是保证位移杆能够自由移动，避免其内部因进入泥浆或混凝土而受到影响。

3.3 工程检测桩施工

（1）采用汽车泵进行桩身混凝土浇筑，桩身超灌标高约为1m，并作为后续废弃桩头予以凿除。

（2）当混凝土浇灌至待检测桩基的自平衡点位置时，应放慢速度，使荷载箱附近的混凝土充填密实。

（3）灌注桩桩身的混凝土浇筑时，应科学控制混凝土浇灌速度，避免钢筋笼发生上浮情况。若发生浮笼现象，应对导管采取“慢提快落”的方式，反复多次，从而使钢筋笼能与混凝土面同时下沉。

4 成桩后检测

在混凝土灌注结束后，检测试验应当待桩身混凝土强度达到设计的100%后才能实施。当基坑土方开挖至桩基桩头周围时，应改用人工的方式进行挖土，并人工完成桩头破除，不得使用机械方式，以免使桩身上的油管或护管封头遭到破坏，使后续检测试验无法开展。

4.1 试验检测装置安装

（1）在安装试验检测设备前，对场地进行平整，围好警戒带，并接通电源。检测设备主要为：全自动桩基静载测试仪，可收集数据并分析；可进行压力测定的压力传感器1个；容栅式数显百分百1个，精度为0.01mm；φ48.3mm钢管1根，作为基准梁；额定输出压力70MPa以上的超高压油泵站1台。

（2）利用钢管架对位移基准梁进行固定，并安装好位移传感器，传感器两端分别连接位移杆与显示器。将静载测试仪连接于泵站，可读取相应的测试数据，泵站另一端与油管相连，用以加压。

（3）安装完成相关的机具装置后，调试运行状况。预压受检桩，确定油管接头、阀门等没有漏油情况。检查系统运行无误后，卸载至原始状态，并记录初始读数。

4.2 逐级加载及加载位移观测

（1）对桩基采取分级加载，分级加载量为设计加载值的1/10，每级加载完毕后应保持稳定后方能进行下一级加载。

（2）按照规范要求实施分级加载后，分别于相应时间点测读一次数据，时间点分别为5min、15min、30min、15min、60min。在这之后，数据测读按每半小时进行一次。

（3）本次逐级加载过程中，判断加载位移趋于稳定的标准为：在1.5h内连续进行的三次测读数据中，前面两次测读的位移差值小于0.1mm，后面两次测读的位移差值也不超过0.1mm。

4.3 终止加载

本次试验中，判断加载终止的标准为测读数据出现下述3种情况：

（1）数据已达到设计荷载值，保证基岩不被破坏的前提下（能控制加载之后的最大沉降值不超过40mm），可再施加0.5～1.0级荷载。

（2）某级荷载施加后，受检桩的位移值约为上一级荷载时相应位移值的2倍，且没有能够稳定的迹象。

（3）受检桩的桩端沉降量累积约40mm（最大沉降量控制在不超过40mm）。

4.4 逐级卸载及卸载位移观测

（1）卸载要求：按照规范，每级卸载值取为2倍的每级加载值，每级卸载时间维持1h。

（2）位移观测：按照规范，测读沉降量分别在第15min、30min、60min进行，卸载结束后应保持3h后再测读，各次测读时间分别为第0.25h、0.5h、1h、1.5h、2h、2.5h、3h。

4.5 试验检测数据的整理与分析

（1）将各级荷载作用下受检桩的相应位移和累积位移数据进行汇总，并据此绘制出对应的力和位移曲线，见图5～图8。本次受检桩的桩长为11.88m，桩径为800mm，注意需要分别汇总桩基的上位移与下位移。

（2）基于图5～图8所示的曲线图，分析后得到以下结论：

图5 U-δ曲线图

图8 s-lgt曲线图

对曲线U-δ和δ-lgt、Q-s和s-lgt进行对比分析可知，在试验荷载作用下，基桩累计上移2.07mm，累计下移3.24mm，两者数值均在标准的允许范围内。其中曲线U-δ和Q-s没有出现拐点，曲线δ-lgt和s-lgt整体趋势也呈现为平缓形状，说明各分级加载条件下基桩基本保持稳定状况。

综上所述，本次公路工程中所测长11.88m、桩径800mm钻孔灌注桩的检测结果符合要求，为合格桩，其相应的承载力达到标准要求。

图6 δ-lgt曲线图

图7 Q-s曲线图

5 桩基自平衡法静载试验检测的应用要点与思考

与锚桩法、堆载法等传统的基桩检测技术相比，自平衡法具有许多优势，如：试验装置简单，不需要体量庞大笨重的反力架和堆载物，环保安全，占用空间少，对地基和周围桩体的影响很小；对空间基本无要求，可广泛应用于坡地桩、水上试桩、基坑底试桩、斜桩等，检测效率高，检测结果可信；可以取得桩侧摩阻力和桩端阻力，且结果可信；试验费用较为节省，虽然荷载箱为一次性不可反复利用，但整体经济性可节省30%～50%，桩基承载力越大，节省越多；试验为非破坏性试验，可在试验桩和工程桩上进行检测试验，检测完毕，对荷载箱空腔注浆，即可保证桩体正常使用。

总之，桩基自平衡法静载检测方法虽然已有较多应用，但不同工程中的实际工况存在区别，实际应用中需要根据现场条件，因地制宜地确定检测方案。经过本文的实践应用，总结出以下几点思考：

（1）自平衡法基桩静载检测装置较为简单，不需要堆载法那样运输数百吨或千吨的堆载块，也不需要锚桩法那样笨重的反力架，省时省力，而且会较大程度节约检测成本，本次检测成本节省近35%。

（2）荷载加载箱位置的确定，应确保上段桩侧阻力估算值与下端桩侧阻力和端阻力估算值之和相接近，保证检测结果的精度。若没有相关参数进行估算，应进行试桩，用试验测得的数据来确定加载箱合理位置。

（3）文中涉及工程选取工程桩进行自平衡静载试验检测，加载极限值为设定值，并非桩体真正破坏的抗压承载力极限值。如此可以保证现状工程桩在检测结束后能正常使用。

（4）实际应用中，针对不同地层情况，可考虑负摩阻力的放大效应，提高基础部分的安全储备。

6 结语

本文所述高速公路合同标段内的桥梁工程桩基自平衡法静载检测的实践证明，所测长11.88m、桩径800mm钻孔灌注桩的检测结果符合要求，为合格桩，其相应的承载力达到标准要求。相对于传统的堆载法、锚桩法等检测手段，灌注桩自平衡法优势显著，如所需设备简单、费用更低，实施时场地条件容易满足，同时可多根桩基同时检测，且检测过程安全可靠、绿色环保。但该技术也存在一定的缺陷，如桩身自平衡点的选取存在难度，实际计算其位置时往往有一定误差，一般需要由设计单位辅助确定。