田宝升、尹婕、龙巨将

（1.华设设计集团股份有限公司，江苏 南京 210014；2.南京东大自平衡桩基检测有限公司，江苏 南京 211164）

0 引言

近年来，桩基础已广泛应用于城市快速路桥梁、公路桥梁等工程项目中，正确评价单桩的承载能力，选择合理的设计参数至关重要。设计者一般采取《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTG 3363—2019）中所推荐的设计参数进行公路桥梁的桩基设计，然而规范中的推荐参数对于地区性问题往往取值偏于保守，使得桩基安全系数过大，从而造成桥梁桩基工程经济上的浪费[1]。文章结合杭州湾地区特有的地质条件，通过自平衡法承载力测试，确定单桩竖向极限承载力，在桩身内部埋设钢筋应力计，测试在各级荷载作用下单桩的桩身轴力、桩侧摩阻力、桩端阻力分布，从而为设计提供在该地区条件下更为合理的设计参数。

1 工程概况

杭州湾新区兴慈大道快速路南起沈海高速新浦互通，北至滨海二路北侧，拟建工程长度约4.2km，主线道路等级为城市快速路，辅道道路等级为城市主干路。高架桥梁跨度30～60m，桩基单桩桩顶竖向作用力约为3500～5200kN。拟建场地范围内深部含有工程性质较差的软弱土层，其埋深较深，如④1层淤泥质粉质黏土（层顶埋深17.3～36m），导致拟建场地稳定性较差的主要因素之一。淤泥质土层的存在，使得在桩基上部大量堆载的作用下，容易产生沉降变形，从而对桩基础的承载力造成不利影响。

基于拟建工程场地的特点及地质条件，采用基桩自平衡法进行试桩承载力检测，该方法较传统的堆载法更具优势。选取拟建工程场地内2 根桩长70m、桩径1m 的试验桩进行自平衡法承载力测试，均采用单荷载箱方案。受检桩的相关参数如表1 所示。

表1 受检桩相关参数

2 现场检测

2.1 自平衡法检测原理

将一种特制的荷载箱预先放置在桩身指定位置，下笼时将荷载箱的高压油管和位移杆引到地面（平台）。由高压油泵在地面（平台）向荷载箱充油加载，荷载箱将力传递到桩身，其上段桩的桩侧极限摩阻力、自重与下段桩的极限桩侧摩阻力、极限桩端阻力相平衡来维持加载，根据向上、向下的Q-s 曲线判断桩的承载力。图1 为基桩自平衡法静载试验示意图。

图1 基桩自平衡法静载试验示意图

2.2 桩身内力测试原理

基桩自平衡试验开始后，荷载箱处产生的荷载沿着桩身向上、向下传递，各级荷载作用下混凝土产生的应变量等于钢筋的应变量。采用智能弦式钢筋应力计进行桩身应变测量，进而计算出桩身各截面的应力，由此便可获得每级荷载作用下桩身轴力、桩侧摩阻力随荷载和深度变化的传递规律。在桩身岩土层分界面处对称布置2 个钢筋应力计，且每个钢筋应力计采用焊接的方式与钢筋笼的主筋连接，如图2所示。

图2 钢筋应力计安装示意图

3 测试结果分析

3.1 单桩极限承载能力

根据《基桩静载试验 自平衡法》（JT/T 738—2009）附录B 中的等效转换方法，将自平衡法静载试验测得的荷载箱处向上、向下两条Q-s 曲线等效转换为相应的传统静载试验的一条P-s 曲线[2]。由图3、图4 可知，试桩SZ1#和试桩SZ2#的桩顶等效转换曲线为陡降型Q-s 曲线。试桩SZ1#的桩顶等效荷载为13706kN，对应的桩顶等效位移为35.96mm；试桩SZ2#的桩顶等效荷载为13755kN，对应的桩顶等效位移为35.94mm。

图3 试桩SZ1#的桩顶等效转换曲线

在传统的静载荷试验中，对于陡降型的Q-s 曲线，取明显陡降的起始点对应的荷载值作为试桩的竖向抗压极限承载力。等效转换曲线与传统静载试验曲线高度吻合，等效转换结果也与按照《基桩静载试验 自平衡法》（JT/T 738—2009）计算得到的单桩极限承载力相一致，这也说明自平衡法在桩基检测中有较高的可靠性。

3.2 桩身轴力

试桩SZ1、试桩SZ2 的桩身轴力分布曲线如图5、图6 所示，两根试桩的桩身轴力随深度变化的趋势一致。

图5 SZ1#桩身轴力分布图

图6 SZ2#桩身轴力分布图

在各级荷载作用下，试桩桩顶轴力始终为0，荷载箱将试桩分成上段桩和下段桩两部分。上段桩桩侧土层负摩阻力承担一部分荷载的同时，还需克服桩身自重作用，桩身轴力随土层深度的增加而增大，在荷载箱处桩身轴力达到最大值；而下段桩的桩身轴力随深度的增大而减小，这与采用传统的堆载法获得的桩身轴力曲线的变化规律相同。

3.3 桩侧摩阻力

试桩SZ1#、试桩SZ2#的桩侧土层摩阻力随桩土相对位移变化的关系曲线表明，桩侧土层摩阻力的发挥与桩土相对位移密切相关[3]。在各级荷载作用下，随着桩土相对位移的增大，各土层的桩侧摩阻力呈现出非线性的增长趋势，加载至最后一级时，试桩SZ1#、试桩SZ2#下段桩的桩侧土层摩阻力均达到极限值，如图7、图8 所示。

图7 SZ1#桩侧摩阻力- 位移曲线

图8 SZ2#桩侧摩阻力-位移曲线

根据试桩要求，为了获得试桩的单桩竖向抗压极限承载力，需要对2 根试验桩做到极限破坏，荷载箱的最大加载值按照1.5 倍极限承载力进行加载。表2和表3 分别列出了试桩SZ1#和试桩SZ2#的桩侧土层摩阻力实测值，上段桩对应侧阻已扣除桩身自重并转换为正摩阻力。

表2 SZ1#桩侧土层摩阻力表

表3 SZ2#桩侧土层摩阻力表

由表2、表3 可知，SZ1#和SZ2#桩侧各土层的摩阻力实测值均大于地勘建议值。从总体上来看，桩侧摩阻力实测值是地勘建议值的1.05～1.5 倍。

3.4 桩端阻力

各级荷载作用下的桩端阻力-桩端位移的关系曲线如图9、图10 所示，当加载至最后一级2×6900kN时，曲线出现陡变，说明桩端阻力已充分发挥。由表4可知，实测的桩端承载力特征值是地勘建议值的1.8倍左右。

图9 SZ1#桩端阻力-桩端位移曲线

图10 SZ2#桩端阻力-桩端位移曲线

表4 SZ1#、SZ2#桩端土层承载力特征值qr

3.5 试桩承载力分析

根据上述桩侧土层摩阻力和桩端土层承载力的测试结果，可获得两根试桩的承载力组成（见表5）。从桩侧极限摩阻力和桩端极限承载力的占比来看，两根试桩均呈现出端承摩擦型桩的承载性状，即试桩依靠桩侧土层摩阻力和桩端阻力共同承受上部荷载，其中桩侧摩阻力起主要支承作用[4-5]。具体表现为试桩SZ1#的桩侧极限摩阻力占总承载力的91.84%；试桩SZ2#的桩侧极限摩阻力占总承载力的92.63%。

表5 试桩承载力组成表

4 结语

基于宁波杭州湾地区特有的地质特点，采用自平衡法进行试桩承载力测试，测试结果表明自平衡法在稳定性较差、抗震不利地段具有较好的适用性，值得推广应用。通过自平衡法承载力测试，确定了单桩竖向极限承载力，试桩表现出端承摩擦型桩的承载性状；在桩身内部埋设钢筋应力计，获得了各级荷载作用下的桩身轴力、桩侧摩阻力及桩端阻力分布。试桩检测结果能够为设计人员提供在该地区条件下更为相对合理的桩基设计参数，为后续进一步优化桩基设计、合理节约建设成本提供技术支撑。