自平衡法静载荷试验新方法

自平衡法静载荷试验新方法

1自平衡试验方法在基桩施工中的应用随着高层建筑和桥梁建设的增多，桩基本应用的数量也显著增加。不管采用哪一种桩基础,规范规定必须做一定数量的基桩荷载试验,以确定单桩极限承载力。众所周知,传统的基桩荷载试验方法有两种:一是堆载法,二是锚桩法。其存在的主要问题是:前者必须解决几百吨甚至上千吨的荷载堆放及运输问题,后者必须设置多根锚桩及反力大梁,所需费用昂贵,时间较长,还有一定的危险性。单桩承载力越高,试桩困难越大,以致许多大吨位桩的承载力往往得不到准确数据,基桩的潜力不能有效发挥,这是桩基础领域面临的一大困惑。美国于80年代中期开展了桩承载力自平衡试验方法的研究,首先在桥梁钢桩中成功应用,后来逐渐推广至各种桩型,现已取代了传统载荷试验。近10年欧洲及日本、加拿大、新加坡等国也广泛使用该法,且都已有相应的测试规则。该测试方法已成功应用在水上试桩、坡地试桩等多种特殊场地试桩,桩型有钢桩、混凝土预制桩、钻孔灌注柱、沉管灌注桩及人工挖孔桩。目前,国外试桩承载力达150MN。在我国,东南大学土木工程学院在理论研究的基础上,首先将该法于1996年开始实用性应用,经多次专家鉴定,目前已在江苏省广泛应用。该测试方法有以下几个特点:(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,因而可直接测得侧阻力与端阻力。(3)试验费用省。尽管荷载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%,具体比例视桩与地质条件而定。(4)试验后试桩仍可作为工程桩使用,可利用预埋管对荷载箱进行压力灌浆。(5)在下列情况下,或当设置传统堆载平台及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,坡地试桩,基坑底试桩,狭窄场地试桩,斜桩,嵌岩桩,抗拨桩等,这些都是传统试桩法难以做到的。2测试原理和测试技术2.1大直径模型模拟桩测距方程自平衡测桩法是在桩尖附近安设荷载箱,沿垂直方向加载,即可同时测得桩端承载力和桩侧摩阻力。对于一般尺寸的桩可做原型桩试验,而对于大直径嵌岩桩(D≥1.5m),可先测得小直径模拟桩(D≥0.8m)的端阻及侧阻单位面积承载力,再按尺寸换算求得大直径桩的桩端及桩侧总阻力。笔者用模拟法测试过多幢高层建筑人工挖孔基桩,房屋使用情况良好。2.2试验过程及测试结果自平衡测桩法的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。在顶、底盖上布置位移棒,将荷载箱与钢筋笼焊接成一体放入桩底后,即可浇捣混凝土成桩。桩身混凝土严格按照施工规范一次浇捣成型。试验时,在地面上通过油泵加压,随着压力增加,顶、底盖脱开,桩侧阻力及桩端阻力随之发生作用,图1为试验示意图。由于加载装置简单,可多根桩同时进行测试。荷载箱中的压力可用压力表测得,荷载箱的向上、向下位移可用位移传感器测得。因此,当荷载箱内压力增加时,可根据读数绘出相应的“向上的力与位移图”及“向下的力与位移图”,根据两条Q-s曲线及相应的s-logt,s-logQ曲线,可分别求得荷载箱上段桩及下段桩的极限承载力,将上段桩侧阻力经一定处理后与下段桩极限承载力相加即为桩极限承载力。2.3早强剂应用于基桩的混凝土在桩身强度达到设计要求的前提下,成桩到开始试桩的时间为:对于砂类不少于10d,对于粘性土和粉土不少于15d,对于淤泥质土不少于25d,美国曾在一嵌岩桩试验过程中,将早强剂掺入混凝土,从浇混凝土到试桩完毕仅用了4d。笔者在南京市政大楼挖孔桩试验中,在混凝土中也掺入早强剂,从浇桩身混凝土到3根试桩测试完毕仅用了12d。加载方式可采用慢速维持荷载法也可采用快速维持荷载法。3桩上、下段摩阻力计算方法东南大学地下建筑工程研究所开发了测桩软件及数据自动采集处理系统,可同时绘制多根桩加载时向上、向下Q-s曲线及s-logt曲线,将桩视为上、下两段,分别求出极限承载力。根据位移随荷载的变化特性确定极限承载力。陡变形Q-s曲线取曲线发生明显陡变的起始点,对于缓变形Q-s曲线,上段桩极限侧阻力取对应于向上位移s+=40～60mm的荷载,下段桩极限值取s-=40～60mm的荷载,或大直径桩的s-=(0.03～0.06)D的对应荷载。根据沉降随时间的变化特征确定极限承载力。取s-logt曲线尾部出现明显弯曲的前一级荷载值。根据上述准则,可求得桩上、下段极限承载力实测值Qu+,Qu-。该法测试时,荷载箱上部桩身自重方向与桩侧阻力方向一致,故在判定桩侧阻力时应当扣除。该法测出的上段桩的摩阻力方向是向下的,与常规摩阻力方向相反。传统加载时,侧阻力将使土层压密,而该法加载时,上段桩侧阻力将使土层减压松散,故该法测出的摩阻力小于常规摩阻力,国内外大量的对比试验已证明了这点。目前国外对该法测试值如何得出抗压桩承载力的方法也不相同。有些国家将上、下两段实测值相叠加而得抗压极限承载力,这样偏于安全、保守。有些国家将上段桩摩阻力乘以大于1的系数再与下段桩叠加而得抗压极限承载力。我国则将向上、向下摩阻力根据土性划分。对于粘土层向下摩阻力为(0.6～0.8)倍向上摩阻力;对于砂土层,向下摩阻力为(0.5～0.7)倍向上摩阻力。笔者在同一场地做了多根堆载法与本法的对比试验,表明在软土中其系数λ为0.73～0.80。因此按我国桩基规范,桩极限承载力Quk为Quk=Qu+−GPλ+Qu−Quk=Qu+-GΡλ+Qu-式中GP为荷载箱上部桩自重;λ为系数,对于粘性土、粉土,λ=0.8,对于砂土,λ=0.7。对于工程应用而言,计算结果已具有足够的精度。4基桩式基桩法尽管加载装置为一次性投资器件,但与传统方法相比,可节省试验总费用的30%～60%。对于某些场地,为了进行堆载试验,必须先进行试桩场地处理,配重运输道路的修建,附加费用往往超过静载试验本身所需费用。同时传统的试验方法要消耗大量人力、物力,配重的运输增加了道路的拥挤,污染了环境,大吨位堆载试验还可能产生伤亡事故。采用该测试方法,只需要少量测试人员,对环境无任何负面影响,社会效益相当显著。对于大吨位基桩,港口工程、海洋工程、桥梁工程、复杂地区工程基桩,由于难以进行堆载试验,常采用保守的估算方法,以至设计桩数过多,未能发挥基桩的承载潜力,造成极大的浪费。采用该法则可充分发挥基桩的作用,获得更为显著的经济效益,这也是美国首先在水中试桩应用该法的主要原因。南京市口腔医院门诊大楼挖孔桩极限承载力达54MN,场地位于繁华市区,夜间才允许配重车进场,仅配重运输就需20多天。3根试桩常规测试费用60万元,采用该法费用仅为原价的1/3,测试时间仅3d。泰州电信大楼钻孔桩工程,4根试桩常规测试费用42万,测试工期38d,而采用该法费用约为原价的1/2,工期仅2d。南京狮子山阅江楼位于山项上,坡角达40°,汽车、吊车均无法上山,常规方法测桩无法进行,其挖孔桩承载力测试采用该法,为设计提供了依据,显示了其优越性。5一些问题讨论5.1桩端承载力验算目前国外采用该法测试的试桩桩端都位于坚硬持力层中,荷载箱位于桩端,这样就可分别测得桩端、桩侧阻力。而对于我国华东地区,桩基大部分是端承摩擦桩,也即预估的桩极限侧阻力大于其极限端阻力,同时大量使用的钻孔灌注桩桩端有较厚的虚土或沉渣。如果将荷载箱摆在桩端,由于端阻力很小,只能测出一部分极限侧阻力。因而在该地区试桩应将荷载箱放在桩端上部一定位置,使上段桩的极限侧阻力约等于下段桩的极限侧阻力与桩端极限阻力之和,这样就可维持加载,测得试桩极限承载力。5.2继续加压时桩的位移随着荷载箱内压力的增加,上、下段桩之一首先达到极限阻力,此时仍可继续加压,只不过另一段桩也达到承载力极限值时,先期达到极限阻力的桩位移较大而已。只要荷载箱位置适当,仅需增大一点压力就可测出两段桩的极限承载力,该桩的实际抗压极限承载力至少大于两段桩实测承载力之和。5.3与传统q-s曲线的对比国外做了大量的两种测试方法的比较,结果表明,将上、下两条Q-s曲线相应的荷载及位移值叠加形成的总Q-s曲线与传统Q-s曲线相吻合。值得指出的是,这类试桩都是将荷载箱摆在桩端进行的。笔者也做了一定的对比试验,认为曲线的拟合与荷载箱位置有一定的关系。向上Q-s曲线加以一定修正后与向下Q-s曲线叠加方可与传统的Q-s曲线比较,这个问题将另文阐述。5.4受拉压箱压力由桩底向桩顶发展的桩侧阻力与由桩顶向桩底发展的桩侧阻力及其破坏规律略有区别。实际工程桩受力时,总是桩侧上部阻力完全发挥后逐步向下部传递荷载,待侧阻力完全发挥后才传至桩端,因此测试时应尽量使摩阻力充分发挥。据此,对于一般工程而言,荷载箱宜放在桩身某部位比较合理。因此,根据地质资料,通过计算,选定荷载箱位置十分重要。6自平衡测试法江苏几十例工程应用表明,该法除被用来确定单桩承载力外,还常被用来确定桩的侧阻力和端阻力单项极限值或最大值,以满足设计要求,并为此发展了多种具体做法,现举例说明。[实例1]苏州防暴大队综合楼基桩试桩为钻孔灌注桩,桩长24m,直径600mm,荷载箱埋在桩顶下11m处,荷载箱直径与试桩相同。试桩1首先采用自平衡测试法进行,试验后经过22d间隔进行堆载试验,同时对试桩1附近的试桩2进行堆载试验。试桩1荷载箱处向上、向下Q-s曲线如图2所示,此后进行的堆载试验桩顶Q-s曲线如图3所示,试桩2堆载试验桩顶的Q-s曲线如图4所示,两根试桩的极限承载力均取为1500kN。试桩剖面及试验方案本工程试桩的目的是测定岩层的桩端阻力和嵌岩段的桩侧阻力,共进行了3根挖孔桩的测试。试桩的施工,先在岩石覆盖层挖一直径1.6m孔,深18.1m,在岩层内挖一直径1.1m、深3.5m小孔,清底找平后放入荷载箱,在箱顶灌混凝土3.5m。试验时由荷载箱分别施加向上、向下力5000kN,试桩剖面及Q-s曲线见图5。嵌岩部分极限端阻力大于等于10MN/m2,极限侧摩阻力大于等于366kN/m2。试验后在岩层内重新挖孔及扩底2.8m,如图5虚线所示。该工程桩承载力极限值取54MN。荷载箱及扩底高度该场地软硬岩层相互交替,进行了两根人工挖孔桩承载力试验。其中一根直身部分直径1.2m,有效桩长12m,扩底直径2.4m,扩底高度1.5m,荷载箱置于扩底以上直身部分底端,如图6所示,根据设计单位要求,最大荷载(向上荷载+向下荷载)12MN,向上位移4.1mm,向下位移4.42mm。另一根试桩未扩底,直径1m,试验最大加载10MN,向上位移1.6mm,向下位移2.75mm,两根试桩的位移与荷载基本成直线关系,远未达到极限值。试桩荷载曲线本工程为一多层住宅组团,共进行了4根试桩,两根采用堆载法,两根采用自平衡法。试桩均为钻孔灌注桩,直径600mm,长26～29m,荷载箱分别摆在桩顶下16m和18m处,试验Q-s曲线如图7和图8所示。自平衡法测得的单桩极限承载力为1755kN,同一场地堆载试桩极限承载力为1800kN。载箱充放电试桩测试4根钻孔灌注桩直径分别为1.2,1.2,1.0,0.8m,桩长均为53m。荷载箱均摆在桩端上部17m处,4根试桩同时测试,试桩结果为:直径1.2m试桩极限承载力为12.51MN,直径1.0m试桩极限承载为10.83MN,直径0.8m试桩极限承载为8.2MN。试验后对荷载箱注了浆,试桩仍作为工程桩使用。地下主副桩结构月牙湖花园为3幢5～6层框架结构建筑,其底部由一地下车库连在一起。无住宅部分基础自重小于地下水产生的浮力,抗压桩、抗拔桩均为直径800mm人工挖孔桩,分别采用砖护壁及混凝土护壁。基坑开挖后进行测试,测试表明抗拔承载力远大于设计值,砖护壁侧阻力约为混凝土护壁侧阻力的0.73倍。