李正祥

(中铁二院工程集团有限责任公司土建一院,成都 610031)

1 桩基测试自平衡法的基本概念

1.1 传统的桩基荷载试验方法

传统的桩基荷载试验方法有两种,一是堆载法,二是锚桩法。两种方法均采用油压千斤顶在桩顶施加荷载。采用堆载法时,千斤顶反力通过反力架上的堆重与之平衡；采用锚桩法时,千斤顶反力通过反力架传给锚桩,与锚桩的抗拔力平衡。堆载法的主要问题是必须解决几百吨甚至上千吨的荷载来源、堆放及运输问题。锚桩法的主要问题是必须设置多根锚桩及反力大梁,不仅所需费用昂贵,时间较长,而且易受加载吨位和场地条件的限制。目前国内采用堆载法试桩的最大极限承载力仅达30 000 kN；锚桩法的试桩最大极限承载力也不超过40 000 t,以致山地、桥梁等特殊场地桩和许多大吨位桩的承载力往往得不到准确数据,难以合理发挥桩基的潜力,这是桩基础领域面临的一大难题。

1.2 自平衡试桩法的提出

为解决以上难题,20世纪80年代, 美国学者Osterberg 提出并开展了桩基承载力自平衡试验方法的研究,将一个荷载箱预埋在桩尖处, 用以测试不同桩基的受力情况。自平衡试验方法首先在桥梁钢桩中成功应用,后来逐渐推广到各种桩型,取得了一些成果。20世纪90年代,中国的一些学者引进了这种方法, 并将其发展成自平衡试桩法。该法将荷载箱置放在桩身某一称为“自平衡点”的高度处,用压力箱施压, 向上一直将上段桩顶出地面,达到承载力的极限状态。同时, 千斤顶的底座反力也将下段桩压到其承载力的极限状态。

该法已成功应用在水上试桩、坡地试桩等多种特殊场地试桩上。桩型有钢桩、混凝土预制桩、钻孔灌注桩、沉管灌注桩及人工挖孔桩。在我国,1999年6月制订了江苏省地方标准,2002年建设部和科技部作为重点推广技术。该法在全国27个省市应用于房屋建筑和桥梁桩基工程检测中,并在京沪高铁、郑西客运专线、襄渝铁路二线、达成铁路扩能等铁路工程中广泛应用。目前,国内试验单桩最大承载力已高达130 000 kN,最大桩径2.8 m,最大桩长125 m。

2 桩基试验的主要目的

(1)了解不同地质条件下各种土类的侧阻值,依据试桩成果提供桩周与各土层间的实测摩阻力；

(2)了解不同施工条件下各种土类的桩端阻力值；

(3)校核设计桩长,根据实测侧阻值校核验证试桩的承载力设计值；

(4)通过检测结果评价成桩工艺。

3 桩基试验的编制依据

(1)铁路桥涵地基和基础设计规范》(TB 10002.5—2005)；

(2)《铁路工程基桩检测技术规程》(TB 10218—2008)；

(3)《基桩静载试验自平衡法》(JT/T 738—2009)；

(4)《客货共线铁路桥涵工程施工技术指南》(TZ203—2008)；

(5)该桥相关地质勘察资料。

4 桩基试验的原理及方法

4.1 试验原理

(1)自平衡试桩法是在桩身平衡点位置安设荷载箱,沿垂直方向加载,即可同时测得荷载箱上、下部各自承载力。

(2)其主要装置是一种经特别设计可用于加载的荷载箱。它主要由活塞、顶盖、底盖及箱壁四部分组成。顶、底盖的外径略小于桩的外径,在顶、底盖上布置有位移棒。将荷载箱与钢筋笼焊接成一体放入桩体后,即可浇捣混凝土成桩。荷载箱放置部位见图1。

图1 荷载箱放置部位示意

(3)试验时,在地面上通过油泵加压,随着压力增加,荷载箱将同时向上、向下发生变位,促使桩侧阻力及桩端阻力的发挥(图2)。由于加载装置简单,多根桩可同时进行测试,并可同时对多根桩测试数据进行处理。

图2 桩承载力自平衡试验示意

4.2 理论分析计算

(1)由设计单位提供桩基设计承载力要求。

(2)测试单位根据地勘资料进行桩基极限承载力分析,预估最大加载值。

根据《铁路桥涵地基和基础设计规范》(TB10002.5—2005),在静载荷试验加载前,对单桩极限承载力进行推算,以保证静载荷试验中加载分级的合理性。

根据该规范,钻孔灌注桩的单桩极限承载力[P]可按下式计算

式中 [P]——桩的容许承载力，kN；

U——桩身截面周长，m；

fi——各土层的极限摩阻力，kPa；

li——各土层的厚度，m；

A——桩底支承面积，m2;

[σ]——桩底地基土的容许承载力，kPa；

m0——桩底支承力折减系数。

(3)测试单位按自平衡法试桩理论进行计算,确定平衡点及试验荷载值。

4.3 试验方法

(1)自平衡法测试基桩承载力

基桩自平衡法试验是将荷载箱置放在桩身自平衡点的高度处,在向上顶桩身的同时,也向下压桩底,使桩的端阻力和桩身摩阻力互为反力,分别得到桩身和桩底的荷载-位移曲线,分别测得桩侧阻力和桩端阻力,经过换算叠加后得到桩顶的单桩承载力和荷载、位移关系的Q-S曲线。

(2)自平衡法轴向应力测试

基桩自平衡法试验开始后,荷载箱产生的荷载沿着桩身轴线向上、向下传递。假设基桩受荷载后,桩身结构完好而无破损,混凝土无离析、断裂现象,则在各级荷载作用下,混凝土产生的应变量等于钢筋产生的应变量,通过量测预先埋置在桩体内的钢筋计,可以实测到各钢筋计在每级荷载作用下所得的应力-应变关系,从而求出相应桩截面微分单元内的应变量。由此便可求得在各级荷载作用下各桩截面的桩身轴力值及轴力、摩阻力随荷载和深度变化的传递规律。

5 自平衡试桩法的特点

自平衡试桩法相对于传统的堆载法和锚桩法具有以下特点：

(1)装置较简单,不占用场地,不需运入数百吨或数千吨物料,不需构筑笨重的反力架,试桩准备工作省时省力；

(2)该法利用桩的侧阻力与端阻力互为反力,可测得桩的侧阻力与端阻力和各自的荷载-位移曲线；

(3)试验费用省。尽管压力箱为一次性投入器件,但与传统方法相比可节省试验总费用的30%～60%。当然,具体比例应视桩与地质条件而定,加载吨位越大越明显；

(4)试验后试桩仍可作为工程桩使用,必要时可利用预埋管对荷载箱进行压力灌浆；

(5)方便的重复试验。可在不同的桩端深度(双压力箱或多压力箱技术)和同一桩端深度的不同时间(后压浆试桩效果对比)在同一根桩上方便的进行试验；

(6)可得到土阻力的静蠕变和恢复效果。试验荷载可保留所需的任意长时间段,因此可实测桩侧和桩端阻力的蠕变行为的数据；

(7)在下列情况下或当设置传统的堆载平台或锚桩反力架特别困难或特别花钱时,该法更显示其优势。例如：水上试桩、坡场试桩、基坑底试桩、狭窄场地试桩、斜桩、嵌岩桩、抗拔桩等，这些都是传统试桩法难以做到的。

6 桩基试验的步骤及测试内容

(1)优先在施工条件较好的桥位场地开展试验桩施工及试验；

(2)可以在先行施工的工程桩上开展试验工作；

(3)主要测试内容是桩基承载力及桩身内力测试工作；同时在试验桩中应开展成孔孔径、沉渣、垂直度和桩身混凝土超声等研究性测试项目；

(4)桩基承载力测试优先采用方便实施、工期又短的预埋箱法,桩身内力测试采用预埋钢筋计、应变计形式；

(5)桩基承载力测试用预埋箱安装位置接近下部1/3桩长以下,具体应由现场计算确定；

(6)在桩侧土层厚度较为均等的场地土层界面中预埋内力测试元器件；

(7)在桩侧岩土厚度较大、入岩较短的场地土层中每4～5 m一个测试截面预埋内力测试元器件；

(8)重点研究场地内多见的泥岩、砂岩、砾岩及泥质砂岩的承载力学性能。

7 自平衡试桩法的仪器设备

7.1 加载装置

采用囊式荷载箱,由7个压力单元N2D400装配而成,总推力16 450 kN。压力单元的率定曲线(公式)由计量部门标定。

荷载箱埋设于自平衡点附近。

7.2 加载动力源

荷载箱由位于地面的液压站,通过埋设的高压油管向荷载箱分级加载。

7.3 数据采集

试验采用3组位移数据,分别为下位移(下部桩体位移,测量点位于荷载箱下约1 m位置)、上位移(上部桩体位移,测量点位于荷载箱上约1 m位置)和顶位移(测量点位于桩顶)。

7.4 位移传递

(1)上位移和下位移各采用2条位移杆(丝)对称布置,传 递位移。位移丝(杆)一端与测量点固定,另一端上延至地面。顶位移测量与传统试验方法相同。

(2)每条位移丝(杆)皆采用保护管实施保护,用于隔离位移杆与桩体混凝土,保证位移杆与测量点同步顺畅移动。

7.5 位移数据读取、记录

位移数据采用电子传感器采集,在位移丝(杆)地面端读取,数据自动传输至电脑测量仪进行显示、记录、处理。

8 试验程序及荷载判定方法

8.1 试验前的准备

(1)试验准备工作,如桩头处理,桩顶位移杆制作安装,电源准备,试验帐篷搭建,基准梁安装,测试设备安装、调试,测试环境等,与传统静载试验要求一致。

(2)所有试验设备安装完后,进行一次系统检测,方法是对桩施加一较小的荷载进行预压,目的是消除整个试验系统和被测桩本身由于安装等人为因素造成的影响,排除荷载箱及管路中的空气,检测管路接头、阀门等是否漏油等。如一切正常,卸载至零,待位移计显示读数稳定后,并记录初始读数,即可开始正式加载。加载方式可采用慢速维持荷载法或快速维持荷载法。

8.2 加载方案

(1)加载分级：以预估极限值的50%为依据,作为试验加载极限值,分为10级进行。

(2)加载方法：加载分级采用逐级等量加载；其中第一级取分级荷载的2倍。当桩顶沉降速率达到相对稳定标准时,再施加下一级荷载。

(3)相对稳定标准：桩顶位移量不超过0.1 mm/h,并连续出现2次(从每级荷载施加后第30 min开始,由3次或3次以上每30 min的沉降观测值计算)。

(4)卸载：卸载分级进行,每级卸载量取加载时分级荷载的2倍,逐级等量卸载。

(5)加载数据记录：每级加载后在第1 h内观察第5、15、30、45、60 min的位移值,以后每隔30 min观察一次,以判断稳定状态。同时电脑监控系统自动同步进行位移记录。

(6)卸载数据记录：卸载时,每级卸载值为每级加载值的2倍。每级荷载维持1 h,卸载后隔15 min测读1次残余沉降,读2次后,隔30 min再读1次,即可卸下一级荷载,全部卸载后,隔3～4 h再读1次。电脑监控系统同步记录参与位移值。

(7)终止加载条件：当上、下段桩任一段达到下述情况即破坏。

①某级荷载作用下,桩顶沉降量大于前一级荷载作用下沉降量的5倍(注：当桩顶沉降能稳定且总沉降量小于40 mm时,宜加载至桩顶总沉降量超过40 mm)。

②某级荷载作用下,桩顶沉降量大于前一级荷载作用下沉降量的2倍,且经24 h尚未达到稳定标准。

③已达加载装置的最大加载量。

④当荷载-沉降曲线呈缓变形时,可加载至桩顶总沉降量60 mm。

8.3 位移测量

(1)同时监控并记录3层位移数据：荷载箱下位移、上位移和顶位移。每层位移测量点为3个均布。

(2)位移测量基准以不受桩侧土变形影响为准。

8.4 应力测量

应力计采用钢筋计,根据地质资料,在桩侧土厚度较为均等的场地土层界面中预埋,每层对称均布3个测量点。

8.5 数据监控记录

(1)按照规定时间频率,同时监控并记录时间、载荷、位移、应力数据。

(2)数据监控和记录由电脑自动完成。

8.6 试验结论得出

(1)根据试验数据,分别绘制试桩上、下部分的Q-s曲线和s-logt曲线。

(2)根据上述曲线进行分析,分别得出上、下部分的桩基极限承载能力。

(3)根据试验数据,绘制各监测层应力的Q-σ分布变化曲线,并通过计算,进而绘制各监测土层摩阻力的Q-Qsk分布变化曲线。

9 结论

自平衡试桩法相对于传统的堆载法和锚桩法具有装置较简单,不占用场地,试桩准备工作省时省力,测试速度快,试验费用省的优势。还可进行方便的重复试验,又可得到土阻力的静蠕变和恢复效果，桩基承载力实测值与计算值误差在10%以内。该法已在襄渝铁路二线、达成铁路扩能、厦深线及郑西客运专线等铁路项目上应用。目前,已在湘桂线、柳南客运专线和京沪高速铁路上全面推广。

但是,由于在计算桩基极限承载能力的公式中, 无法确定自平衡点。荷载箱的放置位置都是按经验确定的,还存在一定的随意性，还需通过进一步的研究解决。

[1]TB10002.5—2005，铁路桥涵地基和基础设计规范[S].

[2]TZ203—2008，客货共线铁路桥涵工程施工技术指南[S].

[3]王伯惠.评桩基测试自平衡法[J].公路，2005(7)．

[4]龚维明，戴国亮.桩承载力自平衡测试技术及工程应用[M].北京：中国建筑工业出版社，2006.