改进高应变法的桥梁基桩承载力检测研究

黄健锋

（清远市建设工程质量检测站有限公司）

桥梁基桩结构是软土地区建筑物和构筑物常用的基础结构，将结构荷载通过基桩有效传递到地基深层位置，以此满足建筑结构的合理变形以及合理沉降要求。当前我国工程建设得到了十分快速的发展，在桥梁、高层建筑、大型厂房等建筑结构建设中，普遍采用了基桩结构[1]。在高等级公路工程中，每年要建造数以千计的桥梁，为了保证地基的承载力，必须采取深地基作为一种最常见的地基形式。基桩的作用是将上层结构的荷载转移到深层稳定的岩土地基中，使地基承载力得到极大地改善，地基的沉陷也得到了较好的保护[2]。但由于桥梁基桩造价成本相对较高，通产会占据整个桥梁施工总成本的1/4以上，并且该结构通常设置在地下或水中，属于典型的隐蔽性工程。在实际施工中存在工程繁琐、技术要求高、施工难度大等问题[3]。除此之外，桥梁基桩通常都是大直径长桩结构，并且分布较为反分散，各个桩结构所在的工程地质条件变化差异较大，现场施工场地、设备等都会对其造成不同程度的限制，因此无法充分发挥基桩的作用，同时还会造成整个桥梁施工效率的降低。针对这一问题，为向桥梁基桩施工提供新思路，引入高应变法，开展对桥梁基桩承载力检测方法的设计研究。

1 工程概况

以某桥梁建设项目为例，已知该桥梁项目采用了机械钻孔灌注桩，其设计桩数为30 个，桩径为1600mm，桩长22m。基桩的承载力参数对桥梁的影响很大，必须通过测量得到的相关资料，以确定单桩的极限承载力是否符合设计要求，以便为地基的验收工作提供参考[4]。针对该建设项目所在位置进行地质勘察，并得到如表1所示的土层情况记录表。

表1 桥梁建设项目所在地区土层情况

该桥梁拟建桥梁建设位置以松散岩型孔隙潜水和破碎岩孔隙裂缝承压水为主，许多砂体与地面潜流直接连通，水力关系十分紧密。根据现场钻探现场的实测结果，其压力水头与潜水高度基本一致，不会因承压水的存在而影响到钻孔灌注桩的施工。地下水与地表水的水力关系十分紧密，一般都是从地下排入河流[5,6]。通过抽水实验，采用相关公式进行计算，得出了卵石层的平均渗透率。通过对水质的分析，得出了地下水不会腐蚀混凝土的结论。

2 检测设备与方法

2.1检测设备选型

在明确该桥梁建设项目基本概况后，为实现对其基桩承载力的检测，在检测前还需要准备的检测设备包括：重锤、荷载箱、基桩静载仪、基桩高应变承载力检测仪器等。针对桥梁基桩承载力检测，首选柴油锤，这一类型重锤与其他类型相比更加便于操作[7,8]。在没有柴油锤的情况下，也可根据实际情况选择5T 规格的方锤激振，对于灌注桩设计容许值小于5000kN 的应当使用10T 规格的重锤激振。根据工程项目中基桩设置的实际地质情况以及磁刺激检测的目的，在遵循荷载箱上下段桩身反力平衡的原则基础上，设计荷载箱的放置位置，如图1所示。

图1 检测过程中荷载箱放置位置示意图

图1 中（a）表示按力平衡原理，将荷载箱置于桩体内一定的位置，在桩顶阻力与桩端阻力之和达到极限时，荷载箱上段的桩侧阻也会达到极限，两者相加，即可求得桩的极限承载力；（b）所表示的放置方式可用于测试嵌岩桩嵌岩部分的侧向阻力和桩端阻力之和。如果仍然需要测量土体的极限侧阻，可以在嵌岩段的试验结束后进行桩周段的混凝土，等到混凝土强度达到一定程度后，才能进行试桩[9]；（c）所表示的放置方式应用于大头桩、或当桩端阻力比桩侧阻小的情况，需要测量桩侧阻的极限时，应加大桩底，并将荷载容器置于扩大头上。

在完成对荷载箱的设置后，再对基桩静载仪进行选型。选用PDS-JY464型号基桩静载仪，该型号基桩静载仪重量为1.4kg，电压为380/220V，分辨率为0.01mm，准确度为0.01%，测量范围在0～9999KN 之间，可实现远程显示[10]。该型号基桩静载仪可实现无线远程操控，控制距离超过1000m，并且能够保证信号的安全和稳定。针对检测过程中所需的基桩高应变承载力检测仪器，选用RSM-PDT870型号，该型号基桩高应变承载力检测仪器存储为16G 电子硬盘；采样间隔为50μs～500μs 分档可调；采集模式为两道加速度+两道应变；噪声电压＜20μV；动态范围≥100dB；工作温度-20℃～+55℃；外形尺寸为255mm×180mm×60mm。图2 为基于高应变法的桥梁基桩桩身轴向应力检测设备组成结构图。

图2 基于高应变法的桩身轴向应力检测设备组成结构图

利用上述选择的设备为后续基于高应变法的承载力检测提供辅助条件。

2.2基于高应变法的检测方法

在完成上述准备工作后，采用高应变法实现对桥梁基桩承载力的检测，图3 为基于高应变法的检测原理图。

图3 基于高应变法检测原理图

以大锤击桩为基础，以高能量冲击脉冲作用于桩顶，引起桩与土间的相对位移，由上向下依次激发桩周土的阻力和岩土的摩擦力，由桩身两端设置的加速度传感器和加速度传感器，由速度时程和应力波理论进行分析，以确定桩的承载能力。在上述原理基础上，结合公式（1）计算得出基桩的承载力具体数值：

式中：

Rc——被检测的基桩承载力；

Jc——阻尼系数；

F(t)——反射峰对应时刻；

Z——安装传感器位置上基桩本身阻抗；

V(t)——桩周土阻力。

在检测的过程中，首先，将桩头上的浮浆、松散、破损部分清理干净，露出坚硬、平整、干净的混凝土。其次，再在原来的桩顶上安装3m 长的桩帽。桩顶混凝土的强度等级不能低于C40，其龄期应在10 天以上。最后，对桩身上的主筋进行清理，并全部采用接长的方法，直到灌注桩覆盖的保护层下面。在检测之前，在桩头距桩头1 倍处，采用3mm～5mm 厚的高强度钢板将桩盖整个包覆。在采用柴油机起重锤作冲击装置时，应预留一定长度的桩以便于安装传感器。在场地上必须进行整平和清扫操作，以保证在使用重力锤进行冲击时，起重装置不会发生倾覆。对混凝土预制桩的桩头造成严重破坏或桩头发生较大变形时，必须将受损部位锯断。每根桩的预备面积略大于5 至10 个均匀的板料，厚度为20mm。在进行高应变承载力检测时，应该测量桩身的穿透度，而规范中规定的2mm～6mm 的穿透度仅仅是为了确保承载能力分析的可靠性。在检测过程中，使用高精度的水平仪器对钻孔进行检测，在使用打桩机械进行锤击时，可以通过反复锤击的总沉降来确定钻孔深度。由于在安装和吊装落锤过程中，很难保证竖向，出现偏心现象。对此，当锤子偏心严重时，可以通过调节导杆进行调整，使其对中，当锤子偏大时，可以通过调节板子（锤子）的放置或铺沙子来解决。

3 检测结果分析

3.1桥梁基桩承载力分析

按照上述操作完成对该工程项目桥梁基桩的承载力检测，针对承载力检测结果进行分析。将检测结果记录如表2所示。

表2 桥梁基桩承载力检测结果

表2 中检测结果说明该桥梁基桩的承载力均符合设计承载要求，在此基础上，为进一步分析基桩荷载与沉降量之间的关系，绘制图4 所示的某基桩荷载-沉降量关系曲线。

图4 基桩荷载-沉降量关系曲线

结合图4所示得出，该桥梁建设项目中基桩荷载达到38000kN 时，总沉降量超过40mm，此时曲线出现明显陡降，曲线呈现出陡降形态。

3.2桥梁基桩极限承载力

再针对该桥梁基桩的极限承载力进行分析，在桩体混凝土龄期28 天之后进行的，在桩顶以下的桩体两侧对称设置加速度传感器，传感器与桩顶的垂直间距为3.0m。通过对该项目其中6 个基桩承载力进行检测，并结合现场地质调查和上述承载力分析内容，得出了该工程结构的阻尼系数为0.40。现场检测结果显示，通过反复测试，桥梁桩基在锤击激励下的振动信号明显，信噪比高，反复取样所获得的信号重复性和频谱一致性较好，表3为6个基桩的基本参数。

表3 基桩承载力基本参数

根据表3 中的内容，测定6 个基桩的极限承载力，并将其绘制成图5所示。

图5 基桩极限承载力变化图

从图5可以看出，六个基桩的极限承载力变化差异较大，但基本控制在20200.0kN～22900.0kN范围内，其中最大极限承载力出现在#4 号基桩，最小极限承载力出现在#2号基桩。通过上述检测得到的结果可作为该桥梁建设项目承载力验收的依据。将检测得到的结果与该桥梁建筑标准承载力要求限值对比，针对承载力较低基桩及周围土体可采取相应的加固措施，确保该桥梁建设项目的顺利实施。

4 结束语

通过本文上述论述，以某桥梁建设项目为依托，开展对其基桩承载力的检测研究。通过研究得出，将高应变法应用到对基桩承载力检测当中具有极高的可行性，可准确得出各个桩基结构承载力以及极限承载力，为桥梁建设施工提供重要依据。