西北地区基桩承载力自平衡法检测技术试验研究

摘  要:  随着经济发展，工程建设规模日趋庞大，西北地区乃至全国建设工程中使用大直径、高承载力基桩日见增多。对于此类基桩的承载能力测试，传统的载荷试验方法已不能满足需要，自平衡法作为近年来发展非常迅速的基桩承载力检测技术，有效地填补了这一空白，其应用前景十分广阔。本文通过对兰州某大桥基桩承载力自平衡法检测技术的试验研究，总结了高承载力基桩承载力自平衡法检测技术的特点及规律。
关键词:  自平衡法  高承载力  荷载箱
Abstract: With the development of economy, the construction scale of the project is huge with each passing day, northwest area and even whole nation used in construction of large diameter, high bearing capacity pile is increased day by day. This article through to the Lanzhou bridge, the bearing capacity of pile self balanced method detection technology study, summed up the high bearing capacity of the bearing capacity of pile self balanced method the characteristics and rules of detecting technology.
Key words: self balanced method; high capacity; load box
 
 
中图分类号：O312.2 文献标识码：A     文章编号：
1  引  言
基桩自平衡法是一种基于在桩体内部寻求加载反力的、间接的、静载荷试验方法，对环境的要求低、场地的适应性强，加载能力可根据试桩要求进行专门设计、基本不受限制，是近年来发展非常迅速的基桩承载力检测技术。甘肃省建筑科学研究院2010年将该检测技术引入我国西北地区进行推广，由于该检测技术具有传统检测方法所不能比拟的优势，在甘肃兰州及周边区域得以迅速推广。
结合兰州某大桥桥桩承载力试验项目，对基桩承载力自平衡检测技术进行了一系列试验研究，本文总结了兰州市及周边地区采用基桩承载力自平衡法检测技术的特点及规律。
2  场地工程地质条件与工程概况
2.1  场地工程地质条件
兰州市某大桥工程场地地貌单元属黄河北岸Ⅱ级阶地前缘，桥位区地层为第四系冲积物及新近系含砾砂岩。该场地各地层岩性描述为：①杂填土，层厚4.9～6.1m，稍湿～湿，松散～稍密。②卵石，层厚2.3～6.2m，中密～密实。③强风化含砾砂岩，层厚3.4～3.5m，中～细粒、碎屑结构，泥质胶结。④中风化含砾砂岩，未揭穿，揭露最大层厚为64.2m，中～细粒、碎屑结构，成岩程度低。
2.2  工程概况
兰州某大桥工程场地，位于兰州市城关区，桥梁全长约569m。其中，北侧引桥长约149m，主要梁型为钢筋混凝土连续梁，主桥长约310m，桥型为下承式连续梁拱组合桥。该工程基础形式均采用冲击成孔混凝土灌注桩（群桩-承台基础），以中风化含砾砂岩层为桩端持力层，桩身混凝土设计采用水下C30。
具体工程桩设计要求，分两种桩型：①对于直径1.8m、有效桩长约49m的工程桩，设计要求承载力试验的最大加荷量为28000kN；②对于直径1.5m、有效桩长约20m的工程桩，设计要求承载力试验的最大加荷量为9000kN。
3  检测内容
对直径为1.8m、1.5m的工程桩，通过现场静载试验，验证单桩竖向抗压极限承载力是否满足设计要求，检测数量为2根。检测桩参数，详见下表。
表1、检测桩参数

4  基桩自平衡法检测技术
4.1  基本原理
基桩自平衡法的主要装置是一种特制的加载用荷载箱，它需根据桩的类型、截面尺寸及荷载大小来制作，其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，直至达到桩承载力极限状态，试验终止。
4.2  试验装置
4.2.1、加载系统
包括荷载箱、高压油泵以及加压管。
4.2.2、数据采集系统
基桩自平衡法数据采集，采用无线静载自动采集仪读数方式进行。
记录内容包括：油压，荷载箱上部位移，荷载箱下部位移，桩顶位移等。
（1）数据传感装置
①位移传感器：传统的位移棒作为位移测量的装置，安装要求高，安装效率低，特别是不适应长桩的检测。此次项目采用位移丝外套护管的方式，以简化安装过程并提高检测精度。检测点截面引出若干组位移丝（通常3组），到桩顶后，用一套特定装置将这些位移丝进行固定，并读取这些位移的平均值。位移值由位移传感器进行测量，其读数精确到0.01mm。
②先进的位移传感器固定结构的设计和安装，在原理上保证了位移测量值只受桩体位移和基准梁运动的影响。
4.3  检测过程
基桩自平衡法，试验依据《基桩静载试验自平衡法》（JT/T738—2009）相关规定，对各试验桩的单桩竖向极限承载力进行检测。
4.3.1、加载方法
在桩身强度达到设计要求的前提下，成桩到开始测试试桩的时间：对于砂土不小于10d，对于粘性土和粉土不小于15d，对于淤泥及淤泥质土不小于25d。
加载方式一般采用慢速维持荷载法，以流体（液压油）为加载介质，向埋设于桩基内一定深度位置的荷载箱中加压，从而对荷载箱上下两部分桩体同时施加载荷。当采用多个荷载箱加载时，液压站以并联油路对多个荷载箱同时加压。
4.3.2、试验加（卸）载要点
根据规范和相关设计要求，采用慢速载荷维持法进行加载。
（1）加载应分级进行，每级加载量为预估最大加载量的1/10。
（2）卸载也应分级进行。每级卸载量为2个加载级的荷载值。
（3）加卸载应均匀连续，每级荷载在维持过程中的变化幅度不得超过分级荷载的10%。
（4）位移观测：每级加（卸）载后在第1h内应在第5、10、15、30、45、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。卸载至零后应至少观测2h，测读时间间隔同加载。
（5）稳定标准：每级加（卸）载的向上、向下位移量在下列时间内均不大于0.1 mm：
①桩端为巨粒土、粗粒土或坚硬黏质土，最后30min；
②桩端为半坚硬黏质土或细粒土，最后1h。
（6）终止加载条件：
①总位移量≥40mm，且本级荷载的位移量大于或等于前一级荷载的位移量的5倍时，加载即可终止。
②总位移量≥40 mm，且本级荷载加上24h后未达稳定，加载即可终止。
③巨粒土、密实砂类土以及坚硬的黏质土中，总位移量小于40mm，但荷载已大于或等于设计荷载乘以设计规定的安全系数，加载即可终止。
④施工过程中的检验性试验，一般加载应继续到桩两倍的设计荷载为止。如果桩的总位移量不超过40mm，以及最后一级加载引起的位移不超过前一级加载引起的位移的5倍，则该桩可予以检验。
⑤达到设计要求的试验最大加荷量。
4.3.3、单桩竖向极限承载力Q_u的确定
上、下桩段极限承载力的确定应遵循以下原则：
（1）按位移随荷载变化特性确定：
①对于陡变型Q-S曲线（即本级荷载的位移量大于或等于前一级荷载的位移量的5倍），取Q-S曲线发生明显陡变的起始点。
②对于缓变型Q-S曲线，按位移值确定极限值。上段桩极限侧阻值取对应于向上位移S上=40～60mm所对应的荷载，下段桩极限承载力取对应于向下位移S下=40～60mm所对应的荷载或大直径的S下=0.03D～0.06D（D为桩端直径）所对应的荷载。
③巨粒土、密实砂类土及坚硬黏质土中，总位移量小于40mm，但荷载已大于或等于设计荷载乘以设计规定的安全系数，取此时的荷载为极限加载值。
（2）根据位移随时间变化特性确定：上段桩取S-lgt曲线尾部出现明显向上弯曲的前一级荷载值，下段桩取S—lgt曲线尾部出现明显向下弯曲的前一级荷载值。
（3）极限荷载难以确定时，应绘制荷载-位移曲线（Q-s曲线）、位移-时间曲线（s-lgt曲线），确定比较合理的极限荷载取值。
考虑到自平衡加载时，上段桩侧阻力将使土层减压松散，其测出的摩阻力（负摩阻力）小于常规（抗压）摩阻力，应充分考虑桩身的轴向变形效应、泊松效应、边界效应等因素对侧摩阻力的影响，在将上段桩负摩阻力转换为压桩正摩阻力时，应除以修正系数γ，即求得单桩竖向抗压极限承载力Q_u：

（注：Q_u—单桩竖向抗压/抗拔极限承载力（kN）；Q_u上—荷载箱上段桩的实测极限承载力（kN）；Q_u下—荷载箱下段桩的实测极限承载力（kN）；W—荷载箱上段桩的自重；γ—荷载箱上段桩侧阻力的修正系数。）
5  检测结果与计算分析
5.1  检测结果
兰州市某大桥工程基桩自平衡法承载力检测，整个测试作业严格按检测规程进行，测试过程情况正常。由现场实测数据，绘制各检测桩的向下位移、向上位移Q-s曲线、s-lgt曲线。
1#检测桩：桩径1800mm、有效桩长49m。荷载箱加载分级按预估加载值14000kN来分级，分成10级，每级加载值为1400kN，首级加载按两倍分级荷载（即2800kN）加载。从附图中可以看出：该检测桩在加载到第10级荷载14000kN时，下段桩向下位移Q～s曲线呈缓变型、s～lgt曲线呈平直型，上段桩向上位移Q～s曲线呈缓变型、s～lgt曲线呈平直型。向上位移与桩顶位移有明显增大的趋势，向下位移走势比较稳定，考虑到该检测桩为工程桩，且已达到设计加载要求，经协商，决定终止加载，并开始卸载。取最大荷载14000kN为最终加载值。
向下最大位移量为13.66mm，卸载后剩余位移为9.15mm，回弹率为33.0%；向上最大位移量为37.53mm，卸载后剩余位移为25.27mm，回弹率为32.7%。
2#检测桩：桩径1500mm、有效桩长20m。荷载箱加载分级按预估加载值4500kN来分级，分成10级，每级加载值为450kN，首级加载按两倍分级荷载（即900kN）加载。从附图中可以看出：该检测桩在加载到第10级荷载4500kN时，下段桩向下位移Q～s曲线呈缓变型、s～lgt曲线呈平直型，上段桩向上位移Q～s曲线呈缓变型、s～lgt曲线呈平直型。上下位移走势都比较稳定，考虑到该检测桩为工程桩，且已达到设计加载要求，经协商，决定终止加载，并开始卸载。取最大荷载4500kN为最终加载值。
向下最大位移量为10.68mm，卸载后剩余位移为8.43mm，回弹率为21.1%；向上最大位移量为4.42mm，卸载后剩余位移为3.09mm，回弹率为30.1%。
 
5.2  计算分析
依据该工程地质报告及Q-s曲线特征，根据《基桩静载试验自平衡法》（JT/T738—2009）的规定，综合考虑荷载箱的上部桩土修正系数γ取0.8。
1#检测桩的单桩竖向抗压极限承载力为：
上段桩侧土极限摩阻力：取对应于第10级荷载14000kN并考虑自重及修正系数后，经计算约为14670kN；下段桩的加载极限值：取对应于第10级荷载14000kN。
该检测桩的单桩竖向抗压极限承载力=上段桩侧土极限摩阻力+下段桩的加载极限值，按规范计算取值为28670kN。
2#检测桩的单桩竖向抗压极限承载力为：
上段桩侧土极限摩阻力：取对应于第10级荷载4500kN并考虑自重及修正系数后，经计算约为4640kN；下段桩的加载极限值：取对应于第10级荷载4500kN。
该检测桩的单桩竖向抗压极限承载力=上段桩侧土极限摩阻力+下段桩的加载极限值，按规范计算取值为9140kN。
表2、自平衡法静载试验成果汇总表

6  基桩自平衡法在甘肃省的应用情况
我院先后在兰州市及周边地区、天水市、张掖市等多个项目应用了基桩自平衡法检测，现已完成了33根工程桩及试验桩的单桩承载力检测工作。其中，以张掖市某小区新建工程试桩及工程桩的承载力试验检测为例，说明采用基桩自平衡法检测单桩承载力与传统试验方法的优点。
张掖市某小区新建工程于2011年启动时，因现场工程桩间距过大，根据已有设备无法采用锚桩横梁反力法进行现场试验。最终该工程建设方选用了配重堆载法，最大试验荷值达860t，最终堆载物高度达18m（与相邻的6层既有建筑物高度相当）。2012年该小区相邻项目，其建设方最终经我院推荐采用了基桩自平衡法承载力检测技术，现场检测时间仅10日，同样完成了6根桩的单桩承载力检测。经初步测算，采用基桩自平衡法承载力检测技术，与传统配重堆载法相比，节约工期75日、节约直接费用数十万元，社会及经济效益显著。
7  结  语
近年来，随着国家“西部大开发”政策实施力度的不断加大，城市化进程的加快，我国西北地区超高层建筑越来越多，设计所需的单桩承载力也会不断增加。本文通过在甘肃兰州某大桥桥桩承载力试验检测介绍了基桩自平衡法检测技术，通过甘肃河西地区张掖市某小区的工程应用，并与传统的试验方法、试验结果对比分析，证明了基桩自平衡法在我国西北地区应用的适宜性、准确性、可靠性及安全性。
 
参考文献：
1、龚维明、薛国亚、戴国亮等，基桩静载试验自平衡法. 北京. 人民交通出版社. 2009
2、陈凡、徐天平、朱光裕等，建筑基桩检测技术规范. 北京. 中国建筑工业出版社. 2003 
3、张喜刚、鲍卫刚、赵君黎等，公路桥涵地基与基础设计规范. 北京. 人民交通出版社. 2007

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