自平衡法深层平板载荷试验测试短嵌岩桩承载力

摘要：介绍桥梁短嵌岩桩承载力的自平衡深层平板载荷试验测试方法，并将其与基桩承载力自平衡测试法和堆载测试法等进行对比。结合工程实例说明自平衡法深层载荷试验通过测试桩端阻力特征值推算单桩竖向抗压承载力。实践表明，自平衡深层平板载荷试验测试法适用于城市道路高架桥等受场地条件限制的桥梁短嵌岩桩承载力检测。

关键词：基桩承载力；自平衡法；深层平板载荷试验

中图分类号：TU473文献标识码： A 文章编号：

前言

基桩承载力测试方法主要有静载试验（锚桩法、堆载法、锚桩-堆载法）、自平衡法、高应变法和静-动试桩法（介于静载试验和高应变法间的方法）。

随着城市建设步伐的加快，城市的交通流量急剧增大，高架桥的建设能起到很好分流地面交通流量和提高车行速度的作用。但是，由于在原有的道路上进行施工高架桥，施工所受的限制很多，施工难度也增大很多。城市高架桥短嵌岩桩承载力测试受到场地的限制，如采用传统的静载试验方法（锚桩法、堆载法、锚桩-堆载法）很难实施，而且超高的堆载造成很大的安全隐患，传统的静载试验在城市高架桥短嵌岩桩承载力测试中显得不适用。而城市高架短嵌岩桩，由于自重小、桩端承载力高，上下段承载力无法获得平衡，自平衡法也不适用于城市高架桥短嵌岩桩承载力的测试。自平衡试桩法和深层平板载荷试验相结合的桩承载力自平衡法深层平板载荷测试，解决了堆载法和自平衡法不适用于城市高架短嵌岩桩的承载力测试的问题。

测试原理

深层平板载荷试验是采用直径为0.8m 的刚性承压板对桩端持力层进行静载试验，用于确定深部地基土层及大直径桩桩端土层在承压板下应力主要影响范围内的承载力。紧靠承压板周围外侧的土层高度应不小于80cm。

自平衡试桩法是接近于竖向抗压(拔)桩的实际工作条件的一种试验方法。将一种特制的加载设备——荷载箱与钢筋笼连接并放置于桩身任一部位或底部，通过荷载箱加载，测试桩侧土摩阻力与桩底土阻力，可确定单桩竖向抗压(拔)极限承载力。这种方法将荷载箱放在桩身的合适位置，使上、下段桩的承载力相等以维持加载。该法，一般情况下顶部无须堆载，因而无场地的限制，解决了传统的堆载法所无法解决的问题。自平衡测试原理图见图1所示。

图1自平衡法测试原理图

自平衡法深层平板载荷测试将自平衡试桩法和深层平板载荷试验相结合。为模拟大直径短嵌岩桩的实际工作条件，本测试方法将荷载箱位置由桩身下部移至桩底部，浇注桩身混凝土后，利用荷载箱上端的桩侧阻力和下端的桩端阻力进行互为反力的载荷测试，省去了深层平板载荷试验地面上笨重的反力装置，却同样达到了验证桩端持力层承载力的目的。此外，用这种方法，不仅可以确定大直径短嵌岩灌注桩的桩端持力层阻力特征值，同时还可以评价桩侧极限侧阻力。

测试设备

荷载箱加工与安装

荷载箱由上、下承压板和千斤顶等三部分组成。承压板直径800mm，厚度根据试验荷载确定，并满足刚度要求，一般厚50~80mm。上承压板要预留高压油管孔和下位移棒孔，上、下承压板用高强螺栓与千斤顶组合为一体。千斤顶加载能力应大于预估试验最大荷载的1.2倍。荷载箱标定后，用厚3 mm的钢板密封围护，荷载箱的核心部件即为千斤顶，试验荷载直接由其产生。千斤顶的制作质量直接关系到试验结果的准确性，因此荷载箱应由具备精密铸造能力的厂家生产。

荷载和位移传递系统

荷载及位移传递系统由高压油管、位移护管及位移棒组成。高压油管由荷载箱通至地面，与高压油泵相连；上、下位移护管各2根，选用内径不小于50mm的钢管，对焊垂直连接。为防止水泥浆漏人护管，焊接部位不得有孔洞、漏焊等缺陷。位移护管顶部通至自然地面，底部与荷载箱上承压板用螺纹对接器连接，并固定于桩身钢筋笼上；位移棒采用直径为20mm或22mm的螺纹钢，对焊垂直连接，插入位移护管，顶部露出位移护管20~30mm。上、下位移棒底部分别与荷载箱上、下承压板用螺纹连接。

地面测试设备

地面测试系统由基准桩、基准梁、数显式位移计、压力传感器、高压油泵、静载试验仪等组成，其中基准桩和基准梁的安装尤为重要。基准梁应具有一定的刚度，梁的一端应固定在基准桩上，另一端应简支于基准桩上。测试桩与基准桩之间的中心距离应不小于4倍桩身直径且大于2.0m。

试验过程

采用慢速维持荷载法逐级加载。加载应分级进行，采用逐级等量加载；分级荷载为预估极限荷载的1/10，第一级可按2倍分级荷载施加。每级加载后在第1h内应5、15、30、45、60（min）测读一次，以后每隔15min测读一次。位移测读时间累计为1h时，若最后15min时间间隔的桩顶沉降增量与相邻15min时间间隔的桩顶沉降增量相比未明显收敛时，应延长维持荷载时间，直至最后15min的沉降增量小于相邻15min的沉降增量为止。

结果分析

（1）桩侧极限阻力(kN)的推定

QSK=(Qsu-W-Wp)/γ

式中：Qsu 为极限抗拔力值；W 为桩身自重；Wp 为堆载重量，当桩侧抗拔能力小于桩端承压板下持力层极限承载力时，可在桩顶增加堆载配重；γ为桩侧抗拔-抗压阻力比，可取0.7~1，根据地区经验值取0.8。

（2）持力层桩端阻力特征值(kPa)的推定

qpa=(1/2) (Qpu/A)

式中：A 为承压板面积；Qpu 为承压板下持力层极限承载力值。

（3）桩端极限阻力(kN)的推定

QPK=ψp×qpa×Ap×2

式中：Ap 为桩底面积；ψp为大直径桩端阻力尺寸效应系数，按现行《建筑桩基技术规范》(JGJ 94-2008)中相关规定取值。

（4）单桩竖向抗压极限承载力(kN)推定

Qu=QSK+QPK

工程实例

某城市高架桥是在原有的城市环线道路基础上修建。基础为钻孔灌注嵌岩桩，由于地质条件较好，桩身长度较短，基本介于20~25m，设计桩径1.5m，桩身材料采用C30混凝土，设计桩端持力层为微风化岩层，入岩的深度为2m。该工程选取4根测试基桩承载力。由于场地限制和短嵌岩桩本身的特性，采用自平衡试桩法和深层平板载荷试验相结合的桩承载力自平衡法深层平板载荷测试基桩承载力。

自平衡深层平板载荷试验采用慢速维持荷载法分级加载，分级荷载为设计极限承载力的1/10（即600kN），第一级加载单级荷载的2倍（即1200kN）。检测结果（下位移Q~s曲线和上位移U~d曲线）。4根桩的最终加载量为6000kN。其最大下位移为16.71mm，由于4根桩持力层基本一致，实测Q~s曲线也基本重合，持力层的承载力均不小于6000kPa。同时，从U~d曲线上看，加载至最终加载量6000kN时，4根桩的最大上位移为3.35mm，这说明摩阻力远大于6000kN。根据，推算4根桩的单桩竖向抗压极限承载力均不小于22000kN，满足设计要求。

结语

采用自平衡深层平板载荷试验方法测试城市高架短嵌岩桩承载力，精度满足工程需要，而且检测周期短，效率高。本工程系自平衡深层平板载荷试验方法应用于城市高架短嵌岩桩的成功案例，充分说明了自平衡深层平板载荷试验方法是解决城市高架短嵌岩桩承载力检测难题的有效方法。但是该方法目前存在的问题主要有以下两方面。

（1）试验得到的向上侧阻力与桩抗拔力不同。由于桩的上位移很小，桩向上的侧阻力不能充分发挥，因此，折算的极限桩侧阻力比实际的侧阻力小。

（2）试验使用的承压板面积为0.5m2，得到的桩端承载力是按照实际桩端面积换算得到的推定值，与实际桩端承载力存在一定差异。

参考文献：

［1］JGJ106-2003，建筑基桩检测技术规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2003.

［2］GB50007-2002，建筑地基基础设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2002.

［3］JGJ94-2008，建筑桩基技术规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2008.