孙康星

摘 要：通过技术创新，将自平衡法静载试验引入大管桩检测中，在后张法大管桩管节中加装荷载箱，采用自平衡法静载试验对大管桩进行极限承载力检测。在节省资金、缩短工期的同时，取得了可靠的检测结果。同时总结了自平衡法静载试验在大管桩极限承载力检测中应用原理及试验桩的制作方法，对后续预制混凝土管桩桩基检测有较强的借鉴作用。

关键词：技术创新 大管桩检测 自平衡法 静载试验

1.引言

滨州港海港港区 6#、7#泊位工程，本工程新建 2 个 5 万吨级油品泊位，水工建筑物主要包括码头平台及引桥等。本工程码头平台和引桥采用高桩梁板结构，码头平台基桩为？1200后张法预应力混凝土大管桩，引桥基桩为？1200 大管桩和？1200钻孔灌注桩，其中？1200 大管桩采用水上锤击沉桩施工工艺。

本工程共计选做2根试验桩，原设计为锚桩法静载试验，为降低成本，缩短工期，提出采用自平衡法静载试验。自平衡法静载试验在钻孔灌注桩施工上较为常用，大管桩采用该种方法进行检测还没有过先例。从试验桩制作到沉桩控制再到试验检测，都经过了多次调整。尤其是后张法大管桩管节均为预制成品，在成品管节上加装荷载箱较为困难。最终采取双向法兰对接的方式对荷载箱进行固定。检测结果显示，通过该种检测方法进行大管桩极限承载力检测是可行的，在节省资金及工期的同时，取得了较好的检测效果。

2.课题研究内容

2.1试验桩桩基检测方案比选

为了即满足设计要求，又降低成本，缩短工期，经过充分讨论，并与设计及检测单位多次沟通，最终确定选用自平衡法静载试验进行桩基检测。

2.2自平衡法静载试验工艺原理

自平衡法是接近于竖向抗压（拔）桩的实际工作条件的试验方法。把荷载箱预先放置在桩身平衡点位置。将高压油管和位移杆引到平台，由高压油泵在平台上向荷载箱充油加载，荷载箱将力传递到桩身，其上部桩侧极限摩阻力及自重与下部桩侧极限摩阻力及极限桩端阻力相平衡来维持荷载，从而获得桩的极限承载力。

2.3工艺流程

试验桩制作→试验桩运输→试验桩沉桩→桩基检测→数据分析

2.4操作要点

2.4.1试桩制作

该工程桩基采用D1200B32-2型后张法预应力混凝土大管桩，试验桩采用桩顶管节、标准管节、荷载箱拼接段管节、桩端管节拼、钢桩靴组成。

（1）荷载箱制作

荷载箱根据试桩承载力要求自行设计，本工程试验桩选择的荷载箱由4个1500KN千斤顶、8个实心钢垫块以及4个带套筒钢垫块组成，千斤顶外径240mm，内径200mm，垫块高度高于千斤顶2-3mm，上下加盖法兰盘。

（2）荷载箱与标准段拼接

荷载箱与标准管节拼接是试验桩制作难点。后张法预应力大管桩均为成品管节，箱体与管节间无固定连接点。自行设计2个对接法兰，与上部管体相连接的法兰，上端预留穿线孔，并安装固定锚，下端与荷载箱焊接；与下部管体连接的法兰，上端与荷载箱焊接，下端预留穿线孔，安装活动锚并预留灌浆孔。

（3）桩靴制作及拼接

本工程试验桩桩靴也进行了两处优化，其一，该桩靴由2部分组成，尖端采用锥形设计，顶端采用常规钢管预留穿线孔及固定锚方式，同时管壁四周增加坡土肋板。其二，该桩靴还采用封闭式锥体形式，主要目的是确保检测设备完整。

（4）管节分段拼接张拉

各型号管节在张拉线上通过找平小车在拼装线上逐段拼接，拼接完成后，进行钢绞线穿设、张拉。钢绞线张拉过程中对称同步进行，分2次进行张拉，张拉控制应力不得大于设计张力3%。张拉完成后进行预留孔道灌浆，灌浆强度达到80%进行活动锚拆除、桩顶打磨处理等。

2.4.2试验桩沉桩

打桩船、运桩船定位完成后，起吊试验桩。立桩完成后，打桩船调整好自身姿态后进行下桩。当荷载箱到达水面位置，將上下法兰盘固定肋板及、固定螺栓全部切断，并进行荷载箱外包钢板的焊接，避免沉设过程中进入异物。随后再次校核桩位后正常沉桩。

2.4.3现场试验检测

（1）千斤顶标定

本工程荷载箱采用的千斤顶经标定，油压表数读值与对应压力值存在1：30的线性关系。极限加压值50MPa对应的压力值为1500kN。在加压过程中，油压表读数对应的压力为千斤顶实际输出值。本荷载箱极限压力输出值为6000kN，则荷载箱对应输出压力值为双向12000kN。

（2）传感器安装

位移传感器：传感器采用位移百分表，分辨率优于0.01mm。确保基准梁和夹具不受其他因素影响，避免发生竖向位移。

（3）现场桩基检测

加卸载现场检测采用20 m长？200mm钢管打入试验桩周围，搭设5*5m钢木混合平台，确保平台稳固，且满足设备安放。

本次试桩共分14级加载，每级加载量应为预估最大加载量（8400kN）的1/14，每级荷载为双向600kN，第一级按两倍（双向1200kN）加载。连续加载，且每级荷载在维荷过程中的变化幅度不得超过分级荷载的10%，即不超过60kN，本次试桩为破坏性试验，故无法进行卸载。

（4）位移观测和稳定标准

①采用慢速维持荷载法，每级加卸载后第一小时内，在第5min、10min、15min、30min、45min、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，荷载到零后应至少观测2h，测读时间间隔同加载；

②每级加（卸）载的向上向下位移量在最后30min内均不大于0.1mm：

（5）终止加载条件及极限加载值

向上、向下两个方向应分别判定和取值，平衡状态下两个方向都应达到终止加载条件再终止加载本次试桩总位移量大于或等于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，加载终止，取此终止时的荷载小一级的荷载为极限加载值，1#试桩极限加载值为7800kN，2#试桩极限加载值为6600kN。

2.4.4试验检测数据及分析

（1）1#试桩检测结果

①自平衡静载试验测试结果

本试验过程中，双向加载至8400kN时，1#试桩破坏，破坏形式为a类，根据规范要求，取7800kN为极限加载值。

对于1#试桩，根据勘察报告中对应的钻孔柱状图，试桩修正系数取0.78，荷载箱上部桩身自重取40t，最终计算试桩单桩承载力极限值为838吨。

1#试桩检测结果表明，桩底荷载为3378kN，桩侧摩阻力为5002 kN，总承载力为8380kN。

②高应变检测结果

高应变初打复打测试结果见表1。

（2）2#试桩检测结果

①自平衡静载试验测试结果

该桩试验过程中，双向加载至7200kN时，2#试桩破坏，破坏形式为a类，根据规范要求，取6600kN为极限加载值。

对于2#试桩，根据勘察报告中对应的钻孔柱状图，试桩修正系数取0.78，荷载箱上部桩身自重取40t，最终计算试桩单桩承载力极限值为701.7吨。

2#试桩检测结果表明，桩底荷载为2498kN，桩侧摩阻力为4519 kN，总承载力为7017 kN。

②高应变检测结果

高应变初打复打测试结果见表2。

（3）检测结果分析

根据《水运工程地基基础试验检测技术规程》JTS 237-2017规定，本次试桩取两次平均值作为单桩轴向抗压极限承载力标准值。本工程单桩轴向抗压极限承载力标准值为7698.5 kN。试验检测数据表明，静载试验结果与高应变动测（复打测试）结果基本一致。说明采用自平衡法静载试验检测大管桩轴向抗压极限承载力是可行的，检测数据是可靠的。

3.工艺实施效果

3.1依托工程的实施效果

3.1.1创新点

（1）钢垫块的使用，对千斤顶保护起到决定性作用

荷载箱钢垫块的使用，对沉桩过程中千斤顶的保护起到了决定性作用。垫块高于千斤顶顶面2-3mm，在沉桩过程中通过钢垫块将竖向力传导至底端管节，千斤顶在沉桩过程中不受任何影响，这项举措也是与荷载箱在灌注桩静载检测应用中的不同之处。

（2）套筒垫块的应用

本荷载箱除了8个半固定钢垫块之外，还对称增加了4个带活塞套筒钢垫块，在试验加载过程中起到限制上、下端桩体水平位移作用。

（3）外包钢板的使用

外包钢板的使用对荷载箱中精密部件的保护起到了关键作用。

（4）钢桩靴的优化设计

封闭式钢桩靴的优化，增加了管桩的破土能力的同时，对荷载箱内部结构及精密传感器保护起到至关重要的作用。

3.1.2实施效果

自平衡法静载试验在大管桩中的应用尚屬首次，该种检测方式使得荷载箱专利技术在大管桩极限承载力检测中得到有效的应用。同时经过研究探索，有效解决了荷载箱与大管桩管节的拼装问题。现场检测平台搭设简易，检测手段简单，耗时短，节省大量检测设备倒运费、沉桩船机费及人工费用。

通过试验结果显示，该种方法检测效果可靠。得到检测及设计单位的一致认可。较锚桩法静载试验节省资金约161.8万元。同时总结了自平衡法静载试验在大管桩桩基检测中的检测方法。对类似工程有较强借鉴作用。

3.2试验中的经验教训

3.2.1固定螺栓的应用

荷载箱上下法兰通过？12螺杆固定连接，固定螺栓下端与法兰焊接，上端穿过上盘用螺帽上紧固定。起到抗拉作用的同时，也解决了立桩后，固定棒切割后，荷载箱上下两段管节连接问题。固定螺栓在试验检测过程中一级荷载加载完毕，即可自动断开，在沉桩过程中，对上下两段管节连接也起到了决定性作用。

3.2.2导向限位板的有效应用

导向限位板插入上下管节法兰后即可直接进行焊接作业，极大的提高了荷载箱安装精度及安装效率。

4.效益评估

采用自平衡法替代锚桩法静载试验对试桩进行极限承载力检测，极大提高了试桩检测效率，并大幅度降低现场工作量。常规锚桩法检测平台搭设每个试桩至少需要5天时间，需要大量船机设备及人工配合。相比之下，自平衡法检测平台要求简单，搭设简易，每根试桩平台搭设1天即可全部完成。经与类似项目——东营某港所采用的锚桩法对比，节约成本161.8万元。

5.结语

自平衡法静载试验在灌注桩承载力检测中较为普遍，但在大管桩轴向承载力检测中尚无先例。本文通过试桩制作过程以及自平衡法静载试验应用原理的阐述，并通过高应变动力检测对结果的校核，充分说明了检测方法的可行性，以及结果的可靠性。同时，通过两种检测方式成本对比，也充分体现出了自平衡法静载试验较大的成本优势。此种检测方法试验装置简单，安全隐患少，占用空间小。在大吨位静载试验、海上桩基检测以及市中心狭窄场地大吨位静载试验检测中有着极大的成本及可操作性优势。同时为荷载箱专利技术在预制桩中的应用提供了成功经验。因此，本项创新在类似预制桩桩基检测项目中有极强的推广价值。

参考文献：

[1]JTJ249-2001，武汉港湾工程设计研究院.港口工程桩基动力检测技术规程.北京：中华人名共和国交通部，2002.

[2]JT/T738-2009，中华人名共和国交通运输部.基桩静载试验自平衡法.北京：人民交通出版社出版发行，2009.

[3]龚维明.建筑基桩自平衡静载试验技术规程.JGJ 403-2017，北京：中国建筑工业出版社，2017.

[4]JGJ106-2014，中国建筑科学研究院.建筑基桩检测技术规范.北京：中国建筑工业出版社，2014.