自平衡法钢管桩试桩自平衡测试方案

1、 自平衡法 钢管桩试桩方案 南京东大自平衡桩基检测有限公司 二零一七年二月目 录1 概述1.1 试桩概况11.2 试桩位置布置图21.3 工程地质情况31.4试验目的41.5试验依据52 自平衡法试验52.1试验原理52.2 测试仪器设备52.3试验规范82.2 试验仪器与设备103 水平向荷载试验103.1 试验方法简介103.2 试验桩的布置及试验安排113.3 试验仪器与设备123.4 试验程序133.5 试验数据的分析与整理134 施工配合的内容及要求144.1 试桩的施工144.2 基准梁架设166 本工程投入的仪器设备177 质保体系178 进度安排及报告内容188.1试验进度安排

2、188.2 报告提供的内容181 概述1.1 试桩概况某工程钢管桩试桩方案设计，钢管桩试桩共分3组。分别布置于三个通航孔桥附近。A组试桩位于北通航孔桥附近，对应地勘钻孔为SZZK3，试桩桩径1.6m。 B组试桩位于南通航孔桥附近，对应地勘钻孔为SZZK1，试桩桩径1.8m。C组试桩位于主通航孔桥附近，对应地勘钻孔为SZZK2，试桩桩径2m。其中A、B、C三组均采用自平衡测试，B组同时进行水平承载力测试。试桩有关参数见表1.1-4。试桩平面布置图见图1.2-1、1.2-2、1.2-3。表1.1-1 A组试桩钢管桩参数一览表编号承台底标高桩底标高桩端持力层（m）（m）试桩（1.6m）+2.50-9

3、5.502强风化凝灰岩表1.1-2 B组试桩钢管桩参数一览表编号承台底标高桩底标高桩端持力层（m）（m）试桩（1.8m）+2.50-99.00 2试桩（1.8m）水平反力桩（1.8m）+2.50-74.002水平反力桩（1.8m）表1.1-3 C组试桩钢管桩参数一览表编号承台底标高桩底标高桩端持力层（m）（m）试桩（2.0m）+2.50-108.00 1硬塑，粉质黏土1.2 试桩位置布置图图1.2-1 A组试桩位置布置图图1.2-2 B组试桩位置布置图图1.2-3 C组试桩位置布置图1.3 工程地质情况本次试桩位置采用的地质钻孔号资料见表1.4-1、1.4-2、1.4-3。表1.4-1 SZZ

4、K1号孔地质土层参数表地层编号岩土名称层厚岩性描述承载力基本容许值fa0(kPa）钻孔桩侧摩阻力标准值qik（kPa）沉桩桩端承载力标准值qrk（kPa）沉桩桩侧摩阻力标准值qik（kPa）4淤泥质粉质黏土4.9流塑5012151淤泥质粉质黏土16.2流塑5512181粉土7.7密实13035453粉质黏土2.5流塑10025301粉质黏土14.2软-可塑200501800602粉质黏土5.0可塑160501500551粉质黏土7.4可塑250652400702粉质黏土4.1可塑200552000602粉质黏土12.8硬塑220602200651粉质黏土8.4硬塑280703000802粉质黏

5、土14.7硬塑300753200853粗砂1.6密实3509055001001全风化凝灰岩1.0岩芯呈砂土状28075300080表1.4-2 SZZK2号孔地质土层参数表地层编号岩土名称层厚岩性描述承载力基本容许值fa0(kPa）钻孔桩侧摩阻力标准值qik（kPa）沉桩桩端承载力标准值qrk（kPa）沉桩桩侧摩阻力标准值qik（kPa）3淤泥10.0流塑2淤泥质粉质黏土16.5流塑6015204粉土13.0中密-密实13035452粉质黏土7.7软塑130351000401粉质黏土8.8可塑220602200651粉质黏土7.1可塑250652400701粉质黏土10.1可塑26070250

6、0752粉质黏土10.2可塑220602200653粉土3.9中密-密实220602800701粉质黏土9.2硬塑280703000803砾砂3.1密实400905500100表1.4-3 SZZK3号孔地质土层参数表地层编号岩土名称层厚岩性描述承载力基本容许值fa0(kPa）钻孔桩侧摩阻力标准值qik（kPa）沉桩桩端承载力标准值qrk（kPa）沉桩桩侧摩阻力标准值qik（kPa）4淤泥质粉质黏土3.0流塑5012152淤泥质粉质黏土22.0流塑6015202粉质黏土10.0软塑8020251粉质黏土2.6可塑200501600503粉土8.5中密180502300551粉质黏土3.3可塑2

7、20602200651粉质黏土10.3可塑250652400703粉土3.3密实200552500651粉质黏土5.8硬塑280703000802粉质黏土10.2硬塑4009070001002强风化凝灰岩2岩芯呈砂土状50011080001201.4试验目的本工程钢管桩桩基础直径大、入土深度大、承载力要求高。为确保工程设计和施工地安全可靠，需要在工程实施前在工程海域进行足尺的桩基施工工艺和承载力试验。主要实验目的如下：A、自平衡法试桩目的：（1）检验本项目的工程地质勘察成果，测定钢管桩桩侧各土层的分层摩阻力和桩尖端阻力，以便确定桩基合理的持力层；（2）分析钢管桩的桩端闭塞效应；（3）测定钢管桩

8、在设计荷载范围内的桩顶轴向反力系数；（4）根据打桩资料和承载力测试结果，为制定工程打桩停锤标准提供依据；（5）验证泥下区磨砂型防腐涂层面层对桩侧摩阻力的提高作用；（6）实测打桩后试桩区周围泥面施工期间在水流变化冲刷作用下的泥面标高变化和范围。B、水平静荷载试验目的：（1）确定桩的水平极限承载力；（2）分项确定不同水平荷载作用下的地基土的水平反力系数随深度变化的比例系数m，并给出泥面位移为10mm时所对应的m值的推荐值。1.5试验依据1港口工程桩基规范（JTS 167-4-2012）；2港口工程基桩静载荷试验规程（JTJ 255-2002）；3. 港口工程桩基动力检测规程（JTJ 249-200

9、1）；4公路桥涵施工技术规范（JTG/T F502011）；5建筑桩基技术规范（JGJ 94-2008）；6基桩静载试验 自平衡法（JT/T 738-2009）；7.工程钢管桩试桩设计；8海上固定平台规划设计和建造的推荐做法 工作应力设计法（SY/T 10030-2004）。2 自平衡法试验2.1试验原理（1）自平衡法：自平衡法是东南大学教授龚维明博士的专利技术，钢管桩自平衡测桩法是在桩身平衡点位置安设自平衡专利产品荷载箱，与钢管桩焊接成整体沉桩。测试时将预埋的位移量测装置与荷载箱连接，通过高压油泵沿垂直方向加载，即可同时测得荷载箱上、下部钢管桩各自承载力，如图2.1-1所示。图2.1-1 钢

10、管桩承载力自平衡试验示意图2.2 测试仪器设备2.2.1 加载设备（1）每根试桩采用一个环形荷载箱专利产品，荷载箱由南京赛宝液压设备有限公司生产（该公司是龚维明自平衡法用荷载箱专利产品唯一指定生产厂）。行程20cm，其加载值的率定曲线由计量部门标定。荷载箱的埋设位置根据现场地质资料确定。（2）高压油泵：最大加压值为60MPa，加压精度为每小格0.5MPa，其压力表亦由计量部门标定。2.2.2 位移量测装置（1）电子位移传感器（图2.2-1所示） 量程50mm（可调），每桩6只，通过磁性表座固定在基准钢梁上，2只用于量测桩身荷载箱处的向上位移，2只用于量测桩身荷载箱处的向下位移，2只用于量测桩顶

11、向上位移。由计量部门标定。图2.2-1 加载用电子位移传感器（2）电脑及数据自动采集仪一套（图2.2-2） 图2.2-2 笔记本电脑及数据采集仪 （3）应力量测装置（所有试桩）本工程采用准分布式光纤光栅感测技术（FBG）来实现。准分布式光纤光栅感测技术（FBG）主要通过将光纤光栅应变片封装成多种不同类型的光纤光栅传感器，布设安装到被测物体上，实现被测物的多种变形参量的测量。准分布式光纤光栅感测技术（FBG）不仅可以实现静态应力应变监测，而且可以实现实时动态监测桩身的动应力及加速度变化。准分布式光纤感测技术监测方案具有以下优势： 1）抗零飘，耐久性好，适于长期监测。制作光纤的材料石英具有极高的化

12、学稳定性，能在较恶劣的环境中使用，耐久性好。 2）抗电磁干扰。一般电磁辐射频率比光波频率低许多，所以在光纤中传输的光信号，不受电磁场干扰的影响； 3）安全性好。光纤传感器是无电源驱动的调制器，具有本质安全的特点。 4）传输距离长，易于组网。多个传感器之间可以实现串联，可尽量减少光纤的根数，易于实现由单点测量到多点同时测量的准分布式自动化在线监测。针对本次施工的现场条件和桩型特点，传感光缆的安装及防护处理如下： 光缆安装 定线。根据传感光纤的受力特点，要确保所铺设的传感光纤与桩身的受力方向一致，所以要先将铺设线路在结构物上标注出来，即定线方向要与钢管桩的轴向方向一致。 打磨。钢管桩露置在空气中表

13、面会生成红褐色铁锈，铁锈具有疏松结构，直接将光纤铺设在其上将对监测结果产生较大影响，通过打磨可以有效去除铁锈，使传感光纤更好的与钢管桩内侧表面粘结。 除尘。打磨等活动产生的尘屑会影响后期的粘贴剂效果，因此需要对打磨后的钢管桩表面进行清扫除尘。 定点铺线。将传感光纤平铺在打磨面上，并用点焊机以“定点”的方式固定传感光纤。 全面粘贴。沿铺设线路使用环氧粘结剂以“全面粘贴”方式将传感光纤覆盖，使其与打磨面牢固粘贴。环氧粘结剂发挥作用需要一定的时间，常温下粘结剂需要4个小时初步发挥作用，24小时完全固化。 光栅传感器保护采用8号角钢（80mm*80mm*8mm）保护。因钢管桩在沉桩过程中振动锤击方式打

14、入土层中时，桩土间的动态摩擦力会使传感光纤受摩擦挤压后脱落，因此在钢管桩两侧各焊接一条角钢对传感光纤进行保护。出线光缆的保护。采用专用夹具，将光缆中的纤芯转为高强度的铠装光缆进行保护引出，便于后续的光缆接续。 引线固定保护。在桩顶内侧焊接四根钢条，用于固定延长光纤盘绕固定，并在盘绕光缆上覆盖石棉布，用于隔离焊接过程中产生的焊渣。2.3试验规范本次参照港口工程桩基规范（JTS 167-4-2012）及基桩静载试验 自平衡法(JT-T 738-2009)进行。2.3.1 试验程序桩基载荷试验应尽量选在无波浪和平潮期进行，以减少波浪力、水平力对试验的影响。本次试验拟采用快速维持荷载法。每级荷载维持时

15、间不小于1h，当桩顶沉降速率达到稳定标准为止，再施加下一级荷载。2.3.2加、卸载分级（1）加载分级：每级加载值为预估极限承载力的1/10；（2）卸载分级：卸载分5级进行。2.3.3 观测程序（1）加载量测： 每级加载后在第1h内应在5、15、30、45、60min测读一次。电子位移传感器连接到电脑，直接由电脑控制测读，同时在电脑屏幕上显示Q-s曲线、slgt曲线和slgQ曲线。（2）卸载量测：每级荷载维持15min，沉降测读时间为第5、15 min，卸载至零后测读1h，测读时间为第5、15、30、60 min。（3）抗压终止加载条件：1）位移量大于或等于40mm，本级荷载的位移量大于或等于前

16、一级荷载的位移量的5倍时，加载即可终止。取此终止时荷载小一级的荷载为极限荷载。2）总位移量大于或等于40mm，本级荷载加上后24h未达稳定，加载即可终止。取此终止时荷载小一级的荷载为极限荷载。3）总位移量小于40mm，但荷载已达到压力箱极限或位移达到荷载箱行程，加载即可终止，取此最大加载值荷载为极限荷载。2.3.4 试验数据的分析、整理2基桩轴向应力测试为了测定桩身轴向力PZ与钢管桩所受力Pi的关系，假定距荷载箱位置最近的断面为标准断面（标定断面），通过标定断面实测桩身应力应变关系，便可计算其它量测断面的桩身轴向力PZ值。由于标定断面距荷载箱位置较近，因此标定断面上的桩身轴向力近似等于荷载箱处

17、荷载Q。据此便可计算出标定断面处钢管桩应力计所受的压应力，同时通过光栅也能实测到钢管桩在荷载作用下的压应力。2单桩极限承载力判断标准QQS+SS0S0传统静载曲线实测荷载箱向上（Q+s+）、向下（Qs）两条曲线，根据位移协调原则，转换成传统桩顶Qs曲线，如图2.3.4.2所示，等效转换曲线判断试桩极限承载力。 图2.3.4.2 转换示意图2.3.4.3 数据分析整理内容（1）各试桩的PS曲线的实测数据及加载、卸载曲线。（2）各试桩桩侧分层摩阻力和桩尖阻力的分析推荐意见，并提供各桩轴向力沿桩身分布曲线。（3）各试桩的垂直抗压极限承载力。2.2 试验仪器与设备 荷载箱及千斤顶：荷载箱由南京赛宝液压

18、设备有限公司生产，加载值的率定曲线由计量部门标定。 高压油泵：最大加压值为60MPa，加压精度为每小格0.4MPa，其压力表亦由计量部门标定。3 水平向荷载试验3.1 试验方法简介B组钢管桩水平承载力测试采用对顶法，将1#、2#、3#、4#辅助桩相连成整体作为工作平台，用卧式千斤顶对试桩与水平测试反力钢管桩同时施加荷载，研究钢管桩水平荷载时的承载性能。如图3.1-1所示。检验和确定试桩的水平承载能力是试验的主要目的，试桩的水平承载力可直接由水平荷载和水平位移曲线判定，亦可根据实测桩身应变来判定。通过桩身埋设的量测元件，可以较精确求得各级水平荷载作用下桩身弯矩的分布情况，从而检验桩身强度，推求不

19、同深度弹性地基系数提供依据。图3.1-1 水平载荷试验示意图3.2 试验桩的布置及试验安排3.2.1试验桩布置图3.2.1 试桩试验连接布置图3.2.2试验桩安排钢管桩水平推力试验最大加载荷载值(不小于800kN)。考虑到整个平台进行多项试验内容，将1#、2#、3#、4#四根辅助桩用I32a工字钢相连焊接成整体作为试验平台（试验仪器及设备共计重量1000kg左右，施工单位搭设平台时应考虑试桩和反力桩与平的间距，满足水平位移试验的需要，确保水平力方向钢管桩的外侧预留50cm间距。也要考虑整个试验平台的稳固、安全）。试验桩布置方式：利用2#、4#辅助桩作为基准桩架设基准梁进行测试，试桩在做水平推力

20、试验时，在试桩与反力桩之间设置卧式千斤顶进行对顶进行试验，见图3.2.2-1所示。具体现场施工沟通布置。图3.2.2-1 水平千斤顶布置图 3.3 试验仪器与设备 （1）加载设备 卧式千斤顶：卧式千斤顶由南京赛宝液压设备有限公司生产，其加载值的率定曲线由计量部门标定。为保证千斤顶施加作用力水平通过桩身轴线，千斤顶与桩接解面处安装球形铰座。图 3.3 卧式千斤顶 高压油泵：最大加压值为60MPa，加压精度为每小格0.4MPa，其压力表亦由计量部门标定。 传力杆、滚轴、球形铰座等加载辅助工具。 （2）位移量测装置 电子位移传感器：量程50mm（可调），每根桩8只，通过磁性表座固定在基准钢梁上。2只

21、下表用于量测桩体作用力水平面水平位移；2只上表用于量测桩体作用力水平面以上100cm处水平位移；2只下表用于量测作用力水平面桩体背面水平位移；2只上表用于量测作用力水平面桩体背面以上100cm处水平位移； 电脑及数据自动采集仪一套。 （3）弯矩量测装置弯矩用光纤传感器及测斜管量测，测斜仪计由计量部门提供标定记录。对称布置2条光纤传感（水平轴力方向布置）。对称布置2根43m测斜管（水平轴力方向布置）。3.4 试验程序本次参照港口工程桩基规范（JTS 167-4-2012）单向单循环水平维持荷载法进行。 （1）加、卸载分级加载分级：加卸载均应分级进行，加载时每级级差可取预计最大荷载的 1/10，卸

22、载时可取2倍加载级。卸载分级：卸载亦分5级进行，每级卸载量为二个加载级的荷载值。 （2）观测程序 加载量测：每级荷载维持20min，第5、10、15、20min测读；电子位移传感器连接到电脑，直接由电脑控制测读，同时在电脑屏幕上显示Q-s曲线、slgT曲线和slgQ曲线。 卸载量测：卸载时，每级荷载维持10min，第5、10min测读；卸载到零后，维持30min，第10、20、30min测读。 终止加载条件：a）达到试验要求的最大荷载或最大位移（泥面处最大位移按照50mm控制）；b）在某级荷载作用下，桩顶水平位移急剧增加、位移速率明显增大。3.5 试验数据的分析与整理（1）提供水平力-力作用点

23、位移（H-Y）关系曲线、水平荷载-时间-位移 H-t-Y 曲线、水平力-位移梯度（H-Y/H）关系曲线和水平力-力作用点位移双对数曲线（lgH-lgY）关系曲线；（2）提供水平荷载-水平地基反力 H-kN 曲线、 水平荷载-地基土水平抗力系数的比例系数 H-m 曲线、水平地基反力-位移 P-Y 曲线簇，绘制桩身弯矩分布曲线、桩身挠度变形曲线、桩顶或泥面处转角的变换曲线；（3）提供单桩水平极限承载力，单桩的水平极限承载力可根据下列方法综合确定： 1） 取单向单循环加载法时的H-t-Y0曲线或慢速维持荷载法时的H-Y0曲线产生明显陡降的起始点对应的水平荷载值。 2） 取慢速维持荷载法时的Y0-lg

24、t曲线尾部出现明显弯曲的前一级水平荷载值。 3） 取H-Y0/H曲线或lgH-lgY0曲线上第二拐点对应的水平荷载值（钢桩取第一折点）。4 施工配合的内容及要求 4.1 试桩的施工试桩除严格满足规范以及设计院要求外，由于自平衡测桩法的需要，自平衡试桩施工时应注意以下几点：（1）荷载箱运输至钢管加工现场时，装卸应轻吊轻放，避免碰撞，以免油管及位移装置损坏。（2）确定荷载箱位置，荷载箱与钢管桩对接时上下段钢管桩要求300外坡口焊接（施工单位负责焊接）。（3）高压油管及位移丝用8号角钢（80mm*80mm*8mm）保护分布傍焊在钢管桩内壁上（与光纤保护共用），从荷载箱位置一直傍焊至距桩顶1.0m处，

25、焊接要求为每间隔50cm焊接10cm焊缝（施工单位负责焊接）。 （4）桩身内力测试：A组试桩（自平衡法），在钢管桩内侧采用8号角钢布置3条从桩底部至桩顶的角钢保护光纤传感器（其中一条是保护位移丝及油管）。 B组试桩（自平衡法）试桩，在钢管桩内侧采用8号角钢布置3条从桩底部至桩顶的角钢保护光纤传感器。 B组试桩（水平推力试验）在试桩与反力桩水平力方向钢管桩内侧各布置一根长43m，规格 16号角钢（160mm*160mm*10mm）用作保护测斜管，检测桩身的弯矩，要求傍焊在钢管桩内壁上，角钢两边的焊缝要求满焊密封，沉桩时定位确保试桩与反力桩的测斜管位置在同一水平轴线上，建议这两根桩在出厂前做好定位

26、标记，在平台搭设好后先下放测斜管，再对测斜管外侧角钢内侧缝隙部分注浆固定测斜管。 C组试桩（自平衡法）试桩，在钢管桩内侧采用8号角钢布置3条从桩底部至桩顶的角钢保护光纤传感器。所有8号角钢焊接要求相同（施工单位负责焊接）。（5）每根试桩钢管桩内布置了元器件保护角钢，在焊接设计内剪力环时需要将剪力环与保护角钢位置处理过度（现场沟通）。（6）焊接完成后，整体起吊时，避免直接起吊荷载箱位置，四根试桩荷载箱距桩端向上3m及10m和10m位置，必须在荷载箱上部和下部位置设置吊点，计算吊点位置，保证钢管桩起吊应水平吊起转场。 （7）准备打桩时将荷载箱位置的16根保护钢板其中12根割断，割断方式沿管壁从上向

27、下切割至打开处，另外4根不割断，从内向外切割保留2cm即可（现场指导）。（8）打桩过程中也要注意保护高压油管及位移装置的安全，避免挤压碰撞损坏！（焊接时现场沟通）（9）防风蓬架设：根据现场实际情况布置防风蓬，防风蓬采用60钢管焊接固定在平台上，外侧用油布围挡，要考虑稳定及安全（现场沟通商量布置，施工单位确定）。（10）测试期间应保证不间断供电（380V、220V两种电源），试桩周围50米内不得有较大的振动（施工单位确定）。 （11）现场操作以施工前的技术交底为准。表4.1 试桩试验材料参数表名 称规格长度（m）小计（m）重量（kg/m）共计（kg）测斜管保护角钢16号角钢160mm*160mm

28、*10mm4343*2/根=8624.7292126.69位移丝保护及光纤角钢8号角钢80mm*80mm*8mm14201420（5根桩）9.65813714.36基准梁I32a工字钢1212*3/平台=4852.7172530.42基准桩I32a工字钢66*6/平台=3652.7171897.81防风蓬架外径60mm*3.5mm钢管8m长*4m宽*2m高8080*2/平台=1604.88780.8防风蓬油布8m长*4m宽*2m高100m2施工配合钢管桩内侧角钢、平台、基准梁、防风蓬焊接、测斜管压浆等由施工单位负责4.2 基准梁架设1）布置基准梁，采用I32a工字钢。基准梁长度暂定为12.0m

29、（见图4.2-1）。2）为尽量减少试桩时外部因素的影响，须搭设防风蓬架（保护罩），确保测试时仪表不受外界环境的影响，（施工单位负责搭设）（见图4.2-2）。3）检查荷载箱是否正常工作，仪器初调。 图4.2-1 竖向承载力自平衡试桩示意图 图4.2-2 竖向承载力基准梁架设6 本工程投入的仪器设备表6 仪器设备一览表序号设备名称型号单位数量1荷载箱HZX1- HZX4南京赛宝液压设备有限公司生产套42卧式千斤顶WFYG-1000南京赛宝液压设备有限公司生产套13高压油泵OVM台24电子位移传感器WDL-50T只125数据采集仪ZPH-8台26电子传感线dy米1007电缆线dy米508笔记本电脑Lenovo台29光纤光栅解调仪MOI-SM125 台110综合采集仪BGK-8210台111测斜仪CX-801D测斜仪台212现场检测车全顺台17 质保体系自平