高速公路改建工程桩基自平衡试验及桩的受力特性研究

Study on Self-Balance Test of Pile Foundation and Force Characteristics of Piles in Highway Reconstruction Engineering

摘要: 相对于传统的堆载法或锚桩法，自平衡法具有省时、省力、安全、环保、占用场地少，适用范围广的特点。特别是对大直径、大吨位桩试桩，采用传统静载试验时试桩难度大，且不安全，得到的承载力数据也不够准确，造成承载力的浪费，在这种情况下，自平衡的优势也就更加的明显。本文以京港澳高速公路长沙段黎托段改造工程为基础，采用自平衡法测试大吨位桩的桩身轴力及侧摩阻力，既可确定实际承载力，又能测试桩的实测摩阻力与勘察所取侧摩阻力的差异，判断同一地质条件下桩基的承载性能。

Abstract: Compared with the traditional pile loading method or pile method, self-balancing method can save time and effort. It has the characteristics of safety, environmental protection, less occupied space, and a wide range of applications. Especially for large diameter and large tonnage piles, which is difficult and unsafe to test the pile with traditional static load test, the bearing capacity data ob-tained is not accurate enough, and the bearing capacity is wasted. In this case, the advantage of self-balancing method will be more obvious. Based on the reconstruction project of Changsha Liutuo section of the Beijing-Hong Kong-Macao expressway, self-balanced method is used to test the pile axial force and lateral friction force of the large tonnage pile, which can determine the actual bearing capacity and test the difference of the measured friction force and side friction resistance in survey , and judge the bearing capacity of pile under the same geological condition.

1. 引言

京港澳高速公路长沙黎托段改造工程地质条件复杂，为确保工程安全验证设计参数，需对桩基进行荷载试验。由于加载荷载较大，本次试验采用自平衡法，为研究自平衡试验条件下桩的受力特性，需进行桩侧摩阻力测试试验，既可确定实际承载力，又能测试桩的实测摩阻力与设计所取侧摩阻力的差异，判断同一地质条件下桩基的承载性能。

本次检测的试桩参数见表1。

Table 1. The main parameter of test pile

表1. 主要试桩参数表

2. 概况

2.1. 工程概况

京港澳高速公路长沙黎托段改造工程起于京港澳高速公路雨花互通南侧约300 m，K1501 + 390处，依次下穿长沙市劳动东路、曲塘路、杜花路、香樟路，止于香樟路南侧约1300 m京港澳高速公路K1505 + 099.354处，路线全长3.709 km，其中全、半敞开式及全封闭段2.24 km。

2.2. 工程地质条件

检测场地地层按地质年代、成因类型、土层结构及其性状特征进行岩土层划分，主要有第四系全新统桔子洲组( ${\text{Q}}_4^{\text{al}}$ )：人工填土、种植土、淤泥(淤泥质土)及坡积层；上更新统白水江组( ${\text{Q}}_3^{\text{bs}}$ )、中更新统新开铺组( ${\text{Q}}_2^{\text{x}}$ )冲洪积层；残积层；基岩为内陆湖相沉积的第三系(E)枣市组碎屑岩：泥质粉砂岩、砾岩。

本场地下伏基岩为厚度巨大的第三系泥质粉砂岩及砾岩，含水微弱，属隔水边界。长沙地区第四系沉积物的分布受近期构造运动控制，中晚更新世时期曾因河流泛滥形成本地区老粘性土，后经浏阳河下切侵蚀作用使河床逐渐固定下来，全新世时期堆积厚达数米的全新统冲积层。冲积层具有二元结构，上部为粘性土，为相对隔水顶板，下部中密-密实状的砂砾石，为含水层，赋存有孔隙水，中上更新统的老粘性土为隔水边界。本场地地下水的补给来源、补给边界主要有两种：一是II级阶地的广大地面，接受充沛的大气降水补给；二是场地周边II级阶地地下水的侧向渗透，河水与冲积层地下水之间存在补给关系。

3. 设备及元器件埋设

3.1. 平衡点计算及荷载箱埋设

由于桩基的承载力设计值较大(12,000 kN),试验采用自平衡法进行检测。平衡点计算时，平衡点以上摩阻力系数取勘察确定值得0.7倍，平衡点以下取1.0。平衡点以上受力包括上段桩侧摩阻力及桩的自重，平衡点以下受力包括下段桩的侧摩阻力及端阻力。计算的平衡点位置为标高−23.5 m处(桩顶标高为−2.0 m，桩底−24.5 m)荷载箱为在国内具有专利技术的腔式荷载盒，直径同钢筋笼外径，高约20 cm，行程15 cm，荷载箱的形状(图1)、布局形式等参数，充分考虑灌注混凝土、注浆、声测等任务预留实施空间。

3.2. 钢筋计的埋设

每个断面安装3个钢筋计，埋设在不同性质土层的界面处，以测量桩在不同土层中的分层摩擦力。

Figure 1. The annular load-boxes

图1. 环形荷载箱

Table 2. Position table of embedded Steel stress gauge of 2084#-3 pile

表2. 2084#-3桩埋设钢筋应力计的位置表

注：共埋设4个断面，桩顶标高为−2.0 m，桩底−24.5 m。

从桩底起算，各桩埋设钢筋应力计的位置见表2。

4. 现场检测

4.1. 检测设备

1) 自平衡静载测试分析仪

试验过程由JCQ-503A自平衡静载测试分析仪根据人工设置自动控制，通过压力传感器与位移传感器自动数据采集、记录和存储。记录内容包括：油压，荷载箱上部位移，荷载箱下部位移，桩顶位移等。

2) 位移量测装置

位移杆采用内杆加外套护管的方式，两上位移杆焊接在荷载箱上盖板，两下位移焊接在预留好的下位移连接处，采用丝扣连接，呈90˚分布，拧紧时需缠生料带，顺着钢筋笼连接至地面。位移值由位移传感器进行测量，其读数精确到0.01 mm。位移传感器采用磁性表座固定于基准梁上，基准梁采用工字钢。基准梁支点与试桩中心的距离为该试桩3倍桩径。

先进的位移传感器固定结构的设计和安装，在原理上保证了位移测量值只受桩体位移和基准梁的影响。

3) 应力数据测读

本次数据采样点较多，因而配了JMZX-32A32通道采集模块可同时采集32个通道的数据，提高了检测效率，增加了可靠性。

1、在静载荷试验加载以前，先用频率采集仪测各应变计的初始频率模数；

2、在施加每级荷载，位移速率达到相对稳定标准后测读各钢筋应力计的频率模数。

3、应变量测读：用频率采集仪测读各种荷载下的钢筋应力计频率模数，换算出桩身混凝土的应变量。

4.2. 加载试验

根据《基桩静载试验自平衡法》JT/T 738-2009的要求，加载分10级进行，每级加载量为最大加载量的1/10，第一级按两倍分级荷载加载。

加载分级按预定值6000 kN来分级，分成10级，每级加载值为600 kN，首级加载按两倍荷载即1200 kN加载。

5. 数据分析与结果

5.1. 等效转换曲线

根据《基桩静载试验自平衡法》JT/T 738-2009附录B的规定，桩身无轴力实测值等效转换方法采用如下公式计算：

桩顶等效荷载P为：

$P=\left(Q_u-W\right)/g+Q_l$ (1)

与等效桩顶荷载P对应的桩顶位移s为：

$s=s_1+\Delta s$ (2)

其中上段桩身的弹性压缩量Δs为：

$\Delta s=\frac{\left[\left(Q_u-W\right)/\gamma +2Q_l\right]L}{2E_P{A}_P}$ (3)

式中(下同)：

Q_u：对应上段桩Q_u-s_u曲线中位移绝对值等于s₁时的荷载(kN)；

Q_l：荷载箱向下荷载(kN)，可直接测定；

s₁：荷载箱向下位移，可直接测定(mm)；

W：试桩荷载箱上部桩自重(kN)；

g：试桩上部桩土修正系数，取0.8。

L：上段桩长度(m)；

E_P：桩身弹性模量，取值3.15 × 10⁴ MPa；

A_P：桩身截面面积(m²)。

5.2. 单桩竖向抗压极限承载力

实测得到荷载箱上段桩的极限承载力 $Q_{u上}$ 和荷载箱下段桩的极限承载力，根据《基桩静载试验 自平衡法》JT/T 738-2009中的承载力计算公式得到单桩竖向抗压极限承载力 [1] [2] [3] [4] [5] ：

$P_u=\frac{Q_{u上}-W}{\gamma }+Q_{u下}$ (4)

式中：

P_u：试桩单桩竖向抗压极限承载力(kN)；

$Q_{u上}$ ：试桩上段桩的极限加载值(kN)；

$Q_{u下}$ ：试桩下段桩的极限加载值(kN)；

W：试桩上段桩的自重(kN)。

5.3. 桩身轴力测试分析

桩身轴力计算步骤如下 [6] [7] [8] [9] [10] ：

1) 由下列公式计算出各级荷载下桩身混凝土的轴力，进而计算得各截面的桩身轴力。

$P_h=A_h\cdot E_h\cdot {\epsilon }_h$ (5)

${\epsilon }_h={\epsilon }_s$ (6)

A_h—混凝土的截面积(m²)

E_h—混凝土的弹性模量(MPa)

${\epsilon }_h$ —试桩混凝土应变量

${\epsilon }_s$ —钢筋应变量

2) 由各截面的轴力计算桩侧摩阻力(f_s) [11] [12] [13] ：

$f_s=\frac{\Delta P-W}{A_{侧}}$ (7)

ΔP—相邻截面间的轴力差(kN)

$A_{侧}$ —相邻截面间的侧面积(m2)

W—自重(kN)

5.4. 检测结果

1) 位移及承载力检测成果

根据《基桩静载试验 自平衡法》JT/T 738-2009中的规定，京港澳高速公路长沙黎托段改造工程基桩自平衡静载试验中：

自平衡静载试验数据汇总见表3。

自平衡静载试验结果见表4。

基桩自平衡静载试验桩顶的U-δ、δ-lgt曲线如图2所示。

等效转换为桩顶加载的数据转换表及P-s曲线分别见表5及图3。

2) 轴力及侧摩阻力测试结果与分析

依据应力采集数据，采用(5)~(7)式计算得到轴力计算及侧摩阻力计算结果如表6及图4所示。

通过自平衡试验实测的桩顶转换荷载与堆载法所得的轴力分布结果基本一致。虽然试验加载荷载未达到桩的极限荷载，但所测试的桩侧摩阻力值均大于桩侧极限摩阻力标准值，见表7。

6. 结论

2084#-3桩上段基桩极限加载值Q取最大荷载为6000 kN，最大位移值为6.37 mm。下段基桩极限加载值Q取最大荷载为6000 kN，最大位移值为11.51 mm。等效转换桩顶加载的P-s曲线呈陡变型，桩顶等效荷载为13,073 kN，对应最大桩顶等效位移21.75 mm。通过计算，得出该桩的单桩竖向抗压极限承

Table 3. Test date summary of self-balanced test of 2084#-3 pile

表3. 2084#-3基桩自平衡静载试验数据汇总表

向下：最大位移量：11.51 mm，最大回弹量：2.59 mm，回弹率：22.5%；向上：最大位移量：6.37 mm，最大回弹量：1.36 mm，回弹率：21.4%；桩顶：最大位移量：5.10 mm，最大回弹量：1.11 mm，回弹率：21.8%。

Table 4. Test result of self-balanced test

表4. 基桩自平衡静载试验结果

Figure 2. U-δ, δ-lgt curves of self-balanced test for 2084#-3

图2. 2084#-3基桩自平衡静载试验桩顶的U-δ、δ-lgt曲线

Figure 3. P-s curve of equivalent conversion data which is converted form self-balanced test to top load of 2084#-3

图3. 2084#-3基桩静载试验等效转换为桩顶加载的P-s曲线

Table 5. Equivalent conversion data which is converted form self-balanced test to top load of 2084#-3

表5. 2084#-3基桩自平衡静载试验转换为桩顶加载的等效转换数据表

Table 6. Data of axial force and Side Friction Resistance of 2084#-3

表6. 2084#-3桩身轴力数据表及桩侧摩阻力表

Table 7. Results of side friction resistance test

表7. 侧摩阻力测试结果

(a) 桩身轴力分布图 (b) 桩身侧摩阻力分布图

Figure 4. Axial force and side friction resistance map

图4. 2084#-3桩身轴力及侧摩阻力分布图

载力为13,073 kN；单桩竖向抗拔极限承载力为6000 kN。从荷载与桩身轴力关系可见，荷载箱上下两段桩受竖向荷载后，上段由于受到向上顶力桩身产生向上位移，桩侧受到土的向下摩阻力，下段由于受到向下顶力桩身产生向下位移，桩侧受到土的向上摩阻力，荷载通过发挥出来的摩阻力传递到桩周土层中去，从而使桩身轴力随离开荷载箱越远逐渐递减。从桩侧摩阻力表及桩侧摩阻力-荷载关系曲线可见，随着荷载增加，桩侧摩阻力逐渐发挥。桩端阻力也随着荷载增加而逐渐发挥。试验实测的桩顶转换荷载与堆载法所得的轴力分布结果基本一致，虽然试验加载荷载未达到桩的极限荷载，但所测试的桩侧摩阻力值均大于桩侧极限摩阻力标准值。