某桥梁双荷载箱自平衡法检测桩基承载力试验分析

陈 洋

（贵州桥梁建设集团有限责任公司,贵州 贵阳 550001）

0 引言

自平衡法是一种较新型的基础桩静载测试技术，它是将带有千斤顶的荷载箱置于桩的平衡点，该位置桩基上下桩体的承载力相等，并通过上桩体的侧摩擦力、下桩体的侧摩阻、端阻力来维持加载的试验过程[1]。为了解决单荷载箱体的定位误差无法准确地反映桩身的实际承载力问题，该文提出了一种利用双荷载箱自平衡方法来测试桩承载力的方法，采用这种方法可以测量桩身上部和下部的侧阻力和桩端阻力[2-3]。将两个载荷箱置于桩的中间和下部，用以测量各个部位的阻力，由此可以判定桩的承载能力。

1 工程概况

该文以某高速公路大桥工程为背景，根据设计的试桩条件，对试桩进行了全破坏试验。根据大桥初步设计方案，试桩地点在西引桥3-1号桩附近，场区地质具体情况详见图1。

图1 西引桥3-1号桩地质图

根据设计图纸及相关附件要求，西引桥3-1号试桩桩长为33 m，设计要求的单桩容许承载力为6 785 kN，该次试桩主要参数见表1。对该试验桩进行检测，检测目的主要包括：单一桩体的竖向抗压极限能力、桩基侧面各地层的侧向摩阻力、桩端阻力。

表1 自平衡试桩设计参数表（试桩编号：西引桥3-1号）

2 基桩承载力自平衡法双荷载箱技术原理

桩基础承载能力强、稳定性好，在各种工程中得到了广泛的应用，而桩基承载能力的测试是确保桩基承载能力和工程安全性的先决条件[4-5]。基桩承载力自平衡方法是在桩身中预先埋置一种特殊的载荷设备，即荷载箱，然后在灌注混凝土前与钢筋笼一同埋于桩中对应的部位，并将荷载容器的压力管道和其他需要的检测设备从桩身引至地面，其测试设备见图2。试验桩灌注成型，达静止龄期后，用压力泵将载荷箱在地面上经过预先埋好的管道进行加压和加载，从而使载荷箱产生上下两个方向的作用力，并将其传递到桩身上。在荷载作用下，桩身的反作用力等于两次静载荷试验的结果：1）在荷载作用下，上部桩身在逆向荷载作用下的响应参数；2）在荷载作用下，得到下层桩身在前载荷作用下的响应参数。通过计算分析荷载与位移、应力等的关系，得出了桩身承载力、桩端承载力、侧摩阻力、摩阻转换系数等参数。

图2 自平衡试桩法试验示意图

桩基础双荷箱承载力测试的主要设备是采用特殊的传感器，在桩基混凝土浇筑之前，将承载箱体置于桩基钢筋笼中。检测阶段，须确定荷载容器的埋设位置，也就是平衡点。所述负载容器由液压千斤顶、顶板、底板等组成[6]。在试验中，为了测量桩侧土的摩擦力和顶端的阻力，将高压油泵注入负载箱内而推动液压千斤顶，以施加荷载于桩体，来测量桩身的摩擦力和顶端的阻力。双向荷载箱测试承载力的过程见图3所示。

图3 双向荷载箱测试承载力示意

3 试桩目的及荷载箱埋设位置

为确保结构安全可靠，桩基入土深度需合理，主桥的地质状况和现场施工条件均有必要进行试桩试验。试桩的目的包括：1）通过对分级加卸载后的荷载-变形曲线进行分析，得出单桩竖向抗压极限承载力，以检验其是否符合设计规范；2）对每一地层的桩侧摩擦力、桩端阻力等力学指标进行校核，为该工程的桩基础施工图设计提供较为精确的数据；3）对现场钻孔桩成孔工艺的优化进行分析，以便选择适当的机械和装备，以提高工程施工中的钻孔效率[7]。

通过地质勘察资料提供的地层参数及桩基参数计算确定荷载箱预埋位置：1）试桩名称为某大桥工程西引桥3-1桩基；2）试桩设计参数为桩径为1.2 m、设计桩长为33+0.12（m）、计算参考柱状图见图1；3）计算过程及结论见表2。

表2 荷载箱预埋位置计算表

4 双荷载箱自平衡法检测技术要点

4.1 仪器、设备测试元件的安装

（1）加载方式：1）将预制的荷载箱置于计算位置；2）将荷载箱上下外径钢环分别与上部钢筋笼和下部钢筋笼连接，并平放于桩身中央位置；3）高压管道应直接沿着竖向主筋定位，应延伸出桩顶5 m以上；4）在进行测试前，荷载箱、高压油泵等的装载设备，应由省级计量标定单位进行系统地检测和校准。

（2）应力检测及位移监控系统：1）采用钢筋计进行桩体应力检测，宜将其置于两个不同的土质层交界处，与桩底、桩顶、荷载箱之间的间距不得少于1倍桩径，并在同一剖面上均匀对称布置4根；2）通常使用静态分析采集装置进行位移试验，测量装置的另一头与安装在基准梁上的电子测量计相连接。每根试验桩均应布置两套位移传感器，以测量载荷箱体的上下位移；3）在每个试桩桩顶部设置一套测量桩顶位移的位移传感器；4）位移试验的原件应通过省级计量站标定，然后置于桩顶部及基准梁上，基准梁与载荷箱焊接的位移杆件相连。

4.2 试桩前期现场工作

（1）对试桩桩头进行处理，将灌注在混凝土中的油管、钢筋计传输线、位移杆等外露于桩体侧面，通过超声波检测，保证桩体的完整性[8]。

（2）将油管与相应高压油泵相连，并对载荷箱进行压力测试，以确定该载荷系统能正常工作。

（3）在试桩的上部设置基准梁，在适当的位置安装电子测微计，使测量仪的接触点刚好与位移杆件接触，然后对各个测试仪器进行校正、调试[9]。

（4）安装遮风棚，为试验做好准备。

4.3 荷载箱加、卸载要点

加载方式为缓慢维持载荷法，按分段等载荷方式进行，各阶段载荷应为最大载荷的1/10，第一级载荷应为分级载荷的2倍。在每一阶段的加载（卸载）后的第1 h内，应在第5 min、10 min、15 min、30 min、45 min、60 min测得位移，之后每30 min测一次，直到达到相对稳定状态，才能进行下一阶段的加载。

卸载分级进行，每级卸载量宜取加载时分级荷载的2倍，且应逐级等量卸载；加、卸载时，应使荷载传递均匀、连续、无冲击，并保持荷载维持期间，各阶段荷载的变动不能大于分级荷载的±10%，卸载至零后应观察2 h以上，测读时间间隔要求同加载方式一致。

各阶段加卸载量的稳定标准为：1）桩端为巨粒土、粗粒土、硬质土，最后30 min，位移量不大于0.1 mm；2）桩端为半硬黏性土壤或细颗粒土壤，最后l h，位移量不大于0.1 mm。

上下两个方向应分别确定和计算，在平衡状态下，两个方向均应满足结束载荷的要求，才能结束载荷。各方向的载荷结束状态及对应的极限载荷数值具体规定包括：1）总位移超过40 mm，而该阶段载荷的位移大于或等于前一阶段载荷的5倍以上，则结束载荷，以该端部最小的一阶负荷为最终载荷；2）当总位移超过40 mm时，在该阶段加载24 h内不能达到稳定状态时，即可结束负载，以该端部最小的一阶负荷为最终载荷；3）在巨粒土、密实砂土、黏性土中，其位移不超过40 mm，但其荷载超过或等于设计荷载乘以安全系数时，应停止荷载，将该时刻的载荷作为其最大载荷；4）施工阶段所进行的检验性试验，应当加载至2倍设计荷载为止。如果桩的总位移量不超过40 mm，则该桩可进一步进行试桩试验。

该桥梁项目西引桥3-1桩基荷载箱加、卸载值见表3。

表3 西引桥3-1桩基荷载箱加、卸载建议值

5 结论

综上所述，采用双载荷箱法对桩身进行受力测试，并结合工程实践，对桩基上、中、下桩轴承载力进行精确计算。这与传统单荷载箱检测方法相比，能更精确地检测出桩基的承载力，为后续的桩基优化工作提供了有效依据，也能够使工程中桩基设计结构受力更加符合实际工况。

双荷载箱较单荷载箱法更能精确地测出桩基的实际承载力，因需在桩基中埋置双荷载箱，给桩基施工带来了困难，也对桩基灌注提出了更高的要求：1）在钢筋笼加工安装、混凝土浇筑过程中，传感器的安装数目增加，很可能会对传感元件产生损伤，需要更加小心保护；2）双荷载箱分别位于桩基的不同位置，需要更加精确的钢筋笼加工水平，以及在起吊安装时对钢筋笼进行防变形处理，这都增大了施工难度；3）双荷载箱的中心孔位要对齐，由于混凝土灌注导管的作用较大，一旦发生偏移，将会使管道无法进入钢筋笼的底部。