自平衡法静载实验在大管桩桩基检测中的应用

自平衡法静载试验在大管桩桩基检测中的应用交融天下建者无疆Contents目录

第一部分项目实施背景精益管理合谐共赢第五部分结语第二部分课题研究内容第三部分工艺实施效果第四部分效益评估

滨州港海港港区6#、7#泊位工程建设规模为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，采用高桩梁板结构，码头平台基桩为Ø1200后张法预应力混凝土大管桩，所有基桩均为斜桩。其中大管桩采用水上锤击沉桩施工工艺。

第一部分项目实施背景1.1工程概况码头BIM结构图

本项目要求对试桩做静载试验和高应变动力检测试验。试桩共选做2根，水上沉桩静载试验常规为锚桩法。本项目基桩全部为斜桩，锚桩不能结合工程桩施打。故项目部提出采用自平衡法代替锚桩法进行静载试验。本次试桩制作方案主要是解决了成品管节上加装荷载箱及沉桩过程中荷载箱如何防护的问题。最终采取双向法兰对接的方式固定荷载箱，并通过安装钢垫块保护荷载箱内千斤顶，使得试验检测得以顺利实施。

第一部分项目实施背景1.1实施背景试桩结构图桩靴结构图Contents目录

第二部分课题研究内容精益管理合谐共赢第五部分结语第一部分立项背景第三部分工艺实施效果第四部分效益评估

第二部分课题研究内容2.1自平衡法静载试验与锚桩法静载试验比选

比选方案方案内容优点缺点锚桩法静载试验通过打设锚桩、基准桩、搭设钢结构平台以及提供反力钢梁等，采用快速维持加荷方法，测定在各级荷载作用下试桩的桩侧摩阻力和桩端阻力。

常规工艺，数据可靠。

①工作量大，操作平台复杂、设备笨重，调遣费用高，准备时间长；②工程造价高。自平衡法静载试验通过在试桩中安装荷载箱，埋设传感器，现场搭设简易平台，通过向荷载箱充油加载，荷载箱将力传至桩身，检测试验桩侧摩阻力及桩端阻力。

①准备工作较少，操作平台简易；②造价低

①在大管桩承载力检测中尚属首例，无可借鉴成果，数据可靠性有待检验。②试桩在制作过程中技术要求较高。

综上，为降低成本，减少准备时间，采用自平衡法静载试验进行大管桩轴向承载力检测。

第二部分课题研究内容2.2自平衡法与锚桩法静载试验工艺原理对比⑴自平衡法静载试验工艺原理

自平衡法是接近于竖向抗压桩的实际工作条件的试验方法。把荷载箱预先放置在桩身指定平衡点位置，将荷载箱的高压油管和位移杆/丝引到平台。由高压油泵在平台向荷载箱充油加载，荷载箱将力传递到桩身，其上部桩侧摩阻力及自重与下部桩侧摩阻力及桩端阻力相平衡来维持荷载，从而获得桩的极限承载力。

桩基自平衡法静载试验示意图

第二部分课题研究内容2.2自平衡法与锚桩法静载试验工艺原理对比⑵锚桩法静载试验工艺原理

将四根锚桩与反力梁连接，使用油压千斤顶配合高压油泵施加反力，将力传至桩身。荷载试验仪通过安装在高压油泵上的油压传感器控制加荷量，通过位移传感器（百分表）记录沉降或上拔数据，根据设计要求进行分级加载，从最终获得桩基极限承载力。

锚桩法静载试验示意图

第二部分课题研究内容2.2.1平衡点计算

1#试桩桩长为42m，2#试桩44m。桩顶标高4.5m。分别选取SZ06、SZ10钻孔计算侧摩阻力及桩端阻力计算。经计算并使用天勘GK勘察软件校核，当荷载箱放在-32.5m处，1#试桩上端承载力4033.1kN,下端承载力4028.9kN。2#试桩上端承载力4006.0kN,下端承载力4042.7kN。综上，1#、2#试桩平衡点标高均选在-32.5m处，距桩顶均37m，距桩底分别为5m、7m。

1#试桩平衡点计算

第二部分课题研究内容2.3施工工艺流程图2.3-1工艺流程图

第二部分课题研究内容2.4操作要点2.4.1试桩制作

B32-2型后张法预应力混凝土大管桩，管桩的砼强度等级为C60，试验桩由桩顶管节、标准管节、荷载箱拼接段管节、桩端管节、钢桩靴组成。

管节拼接试桩制作完成

第二部分课题研究内容2.4操作要点⑴荷载箱制作荷载箱根据试桩承载力要求自行设计，由法兰盘、千斤顶、钢垫块、传感器、液压油管、固定螺栓、导向限位板、固定棒等组成。上下法兰盘外径1200mm，内径640mm，厚度30mm。1500KN千斤顶4个，实心钢垫块8个，带护筒缸垫块4个。垫块高度高于千斤顶2-3mm，上下加盖法兰盘。

荷载箱制作成品

第二部分课题研究内容2.4操作要点⑴荷载箱制作

上下法兰盘通过固定螺栓连接，固定螺栓下端与下盘焊接，上端穿过上盘螺帽固定，起到抗拉作用。法兰盘切割4个长方孔，限位板穿孔并与上法兰盘焊接，以便于荷载箱与上下管节定位拼接。位移丝固定螺栓焊接在法兰盘内侧，上下盘各2个。千斤顶串联，打压试验完成后采用固定棒焊接在上、下法兰盘上。同时增加4个带套筒垫块，限制上下桩体水平位移。

荷载箱结构图荷载箱安装图

第二部分课题研究内容2.4操作要点⑵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。荷载箱与成品管节间无固定连接点。自行设计2个拼接法兰，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。上下桩体拼接、张拉、灌浆完成后，焊接固定棒，确保试验桩吊装过程中荷载箱连接处刚度满足要求。拼接法兰法兰、荷载箱焊接

第二部分课题研究内容2.4操作要点⑵灌注桩中荷载箱与上下桩体连接

灌注桩中固定荷载箱较为简单，通过法兰盘将荷载箱焊接在钢筋笼上，上、下盘通过固定螺栓连接。同时预埋穿线管及注浆管，试验检测完成后，可将荷载箱注浆填充后作为工程桩使用。

荷载箱与上下桩体焊接

第二部分课题研究内容2.4操作要点⑶桩靴制作及拼接

本工程试验桩桩靴也进行了优化设计。本桩靴结构与常规桩靴有两处优化，其一，桩靴由2部分组成，尖端0.9m采用锥形设计，顶端1m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。两项举措同时增强了桩靴破土能力。其二，桩靴采用封闭式锥体形式，对荷载箱、油管、位移丝等精密部件保护起到决定性作用。桩靴内、外结构图

第二部分课题研究内容2.4操作要点2.4.2试验桩沉桩打桩船定位完成后，运桩驳定位。打桩船起吊试验桩，立桩完成后，调整好自身的水平、位置、桩架垂直度后缓缓下桩，当荷载箱到达水面位置，将上下法兰盘固定棒全部切断，并进行荷载箱外包钢板的焊接。随后压锤和替打，再次校核桩的偏位、垂直度，确定各项控制数据完全达到设计要求后，方可开始沉桩。

固定螺栓切除外包钢板焊接

第二部分课题研究内容2.4操作要点2.4.2试验桩沉桩根据设计要求，采用138锤，2档锤击。打桩初时，起锤应轻压或轻击数锤，观察桩身、桩架、桩锤等中心轴线一致后，方可转入正常施打，以避免偏心锤击。无额外原因，锤击要保持连续，以免扰动土壤恢复而增大沉桩的阻力。试桩起吊大管桩沉桩

第二部分课题研究内容2.4操作要点2.4.3桩基检测⑴千斤顶标定组成荷载箱的千斤顶必须经法定检测单位标定，荷载箱焊接前应试压，荷载箱总压力值不小于设计极限值。经标定，本工程所采用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。千斤顶标定测试数据

第二部分课题研究内容2.4操作要点2.4.3桩基检测⑵传感器安装①位移传感器：传感器采用位移百分表，分辨率优于0.01mm。固定和支撑位移传感器的夹具和基准梁在构造上确保不受气温、振动及其他外界因素的影响，以防止发生竖向位移。②桩身内力传感器：传感器用于测试桩身内力，并由桩身内力推算各土层的抗压或抗拔侧摩阻力，本工程采用表面式光纤光栅式应变传感器。将传感器固定于桩身内壁，传感器放在两种不同土层的界面处。位移传感器内力传感器

第二部分课题研究内容2.4操作要点2.4.3桩基检测⑶现场检测加卸载现场检测采用4根20m长Ø200mm钢管打入试验桩周围，搭设8*8m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。加载均匀连续，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。灌注桩数据采集原理与大管桩数据采集原理相同。大管桩检测数据采集灌注桩检测数据采集

第二部分课题研究内容2.4操作要点2.4.3桩基检测⑷位移观测和稳定标准

采用慢速维持荷载法，每级加载后第一小时内，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下一级荷载。⑸终止加载条件及极限加载值

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，加载即可终止，取终止时的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。1#试桩加载数据

第二部分课题研究内容2.4操作要点2.4.3桩基检测⑸桩身内力数据读取及转换

光纤光栅传感器采用相应配套的光纤光栅解调仪读取数据，扫描相应的波长值。传感器安装后存在徐变过程，安装2~3天后再进行数据采集。同时配备温度传感器进行温度补偿，补偿温度变化所导致的波长变化，剔除掉温度的影响。相应应变量计算公式：△E=（λ-λ0-△λt）/K。1#试桩分级加载轴力汇总表

第二部分课题研究内容2.4操作要点2.4.4试验检测数据及分析（1）自平衡静载试验测试结果本试验过程中，1#试桩双向加载至8400kN时，试桩破坏，取小一级荷载7800kN为极限加载值。2#试桩双向加载至7200kN时，试桩破坏，取6600kN为极限加载值。对于试1#、2#桩，根据勘察报告中对应的钻孔柱状图，试桩修正系数均取0.78，荷载箱上部桩身自重均取40t。本次试桩为破坏性试验故不进行卸载测试。最终总承载力计算结果如下：

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

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

第二部分课题研究内容2.4操作要点2.4.4试验检测数据及分析

（2）高应变测试结果

第二部分课题研究内容2.4操作要点2.4.4试验检测数据及分析

（3）桩身内力测试结果

第二部分课题研究内容2.4操作要点2.4.4试验检测数据及分析

（3）检测结果分析根据试桩检测数据分析，本工程单桩轴向抗压极限承载力标准值为7698.5kN。试验检测数据表明，静载试验与高应变动测（复打测试）结果比较吻合。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。Contents目录

第三部分工艺实施效果精益管理合谐共赢第五部分结语第一部分立项背景第二部分课题研究内容第四部分效益评估

第三部分工艺实施效果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液压油管、位移丝、传感器等精密部件的保护起到了决定性作用。

第三部分工艺实施效果3.1依托工程的实施效果

3.1.1创新点

⑷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。

第三部分工艺实施效果3.1依托工程的实施效果

3.1.2实施效果自平衡法静载试验在大管桩中的应用尚属首次，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，该种方法取得了较好的检测效果。得到检测及设计单位的一致认可。较传统的锚桩法静载试验相比，节省资金约161.8万元。同时总结了自平衡法静载试验，在大管桩极限承载力检测中应用原理及试验桩制作方法，对后续类似项目有极强的借鉴作用。

第三部分工艺实施效果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Ø12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。在吊桩、立桩过程中起到抗拉作用。固定螺栓的应用，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。

第三部分工艺实施效果3.3存在的问题及改进措施

3.3.1外包钢板密封方式改进本次试桩外包钢板是在沉桩现场加工制作，虽对荷载箱起到了保护作用，但整体密封性还有可优化提升的空间。再行设计时，可将外包钢板在厂家制作加工，固定肋板及固定棒处预留切断孔。沉桩过程中固肋板及固定棒全部切断后，现场仅需对预留孔进行密封。即可降低现场焊接量，又能提高焊接密封效果及沉桩效率。3.3.2平台搭设本次试桩平台搭设采用4根20m长Ø200mm钢管打入试验桩周围，搭设8*8m钢木混合平台。本平台在5-6级以下风力可满足检测要求，考虑投入成本，所用材料有限，稳定性受风浪影响较大。若施工季节风浪较大，需要增大投入确保平台稳固，提高位移检测精度。Contents目录

第四部分效益评估精益管理合谐共赢第五部分结语第一部分立项背景第二部分课题研究内容第三部分工艺实施效果

第四部分效益评估

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——东营广利港所采用的锚桩法对比，节约成本161.8万元。经咨询多家检测单位，在实际投标报价中，若锚桩可结合工程桩施打，成本应在200万左右。但本项目桩基全部为斜桩，锚桩不能结合工程桩施打，总成本约在500-600万之间。自平衡法在灌注桩中较为常用，检测费每根