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基桩自 平衡法静载试验技术规程

发表日期:2019-03-22 13:17:08 文章来源: 分类:[行业资讯 ] 浏览次数:


1. 基桩自 平衡法静载试验简介

基桩自 平衡法在国外称o-cell法,该方法 利用桩土体系自身提供反力以确定单桩承载力和桩周土层的侧摩阻力、桩端阻力,是接近于竖向抗压(拔)桩实际 工作状态的试验方法。其原理 是在桩身或桩端埋置荷载箱,抗压试验时,利用上部桩自重、上部桩 桩侧摩阻力来代替堆载法中重物或锚桩法中锚桩以提供反力;在抗拔试验时,利用下 部桩桩侧摩阻力及端承力来代替传统抗拔静载试验中的地基或锚桩以提供反力,从而达 到试验基桩承载力的目的。试验时,从桩顶 通过输油管对荷载箱内腔施加压力,箱盖与箱底被推开,同时向 上部桩及下部桩施加大小相等、方向相反的力,促使桩 周土的摩阻力与端阻力发挥作用,桩土体 系破坏或满足工程的实际要求时停止试验。自平衡 试桩法试桩时的工作状态与桩实际工作时的状态有所不同,是接近 于实际工作状态的一种近似方法。

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自平衡 法测桩示意图见图1

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测试原理示意图见图2      

2. 基桩自 平衡法在国内外的应用现状

基桩自平衡法(o-cell法)最早由 美国西北大学学者Osterberg于1985年-1987年间,在分析、总结前 人经验的基础上,对该测 试技术进行了系统的研究、开发,并于1989年在桥梁刚桩中(水中试桩)成功进 行了首次商业应用,后来逐 渐被美国工程界广泛接受,获得越 来越多的应用并且制定了相关的技术规程,至今已在美、英、日本、加拿大、新加坡、菲律宾及我国香港等10余个国 家和地区得到推广应用。目前国 外试桩的承载力已达到150MN。

国内最早于1993年开始关注该方法,前期有 清华大学李广信教授[2]、浙江省 建筑科学研究院史佩栋教授[3]等进行了宣贯和推广。1996年,东南大 学土木工程学院在理论研究的基础上,首先将 该法应用于实际工程。目前,我国的北京、江苏、甘肃、江西、广东、广西、福建、浙江、安徽、山东等 地已开始大量将该法应用于工程实践。江苏省最早于1999年发布 关于该法的国内第一个地方标准,随后广西、安徽、江西等 地地方标准相继颁布,还有一 些省份的地方标准正在编制中,早期发 布的部分标准也已进行了修改、更新和颁布。交通领 域应用此法较多,交通部于2009年即颁布行业标准JT/T 738-2009[4],国内对 润扬长江公路大桥的静载试验荷载已达到120MN[5]。

自平衡 试桩法应用领域广泛,适用于粘性土、粉土、砂土、碎石土、岩层中 的中大直径灌注桩的承载力测试,也可应 用与混凝土管桩、钢管桩的承载力测试;可用于 基桩竖向抗压静载试验,也可用 于基桩竖向抗拔静载试验;适用于 试验桩极限承载力的测试试验,也适用 于工程桩验收试验;特别适 用于传统静载试桩难以实施的水上试桩、坡地试桩、基坑底试桩、狭窄场 地试桩及特大吨位试桩等。

3. 基桩自 平衡法静载试验的优缺点及定位

相对于 传统静载和抗拔,自平衡 法存在如下优点:

1、装置简单,场地要求低,不需运入钢架,不需构 筑大型的反力架;试验安全可靠,且节省费用、工期;

2、可同时 对多根桩进行检测,节省工期;

3、可省去 传统抗拔试验所需的场地道路平整、支撑桩施打、桩帽制作等工作;节省费用;可省去 传统抗拔试验所需的场地道路平整换填、桩帽制作等工作,节省费用;

4、工程桩 采用该法进行抗拔检测时,因荷载箱埋置在桩端,试验时桩身受压,可以避 免传统抗拔试验中桩身受拉而产生的裂缝,桩身耐久性不受影响;

5、在水上试桩、坡地试桩、基坑底试桩、基坑边试桩、狭窄场地试桩、特大吨 位试桩等情况下,传统静 载方法很难实施,该法则不受限制。

相对于 传统静载和抗拔,自平衡 法存在如下缺点:

1、自平衡 试桩法将荷载箱放置于桩身或桩底,加载点 位于桩身或桩底,而传统 静载法加载点位于桩顶部,故自平 衡法试桩时桩身应力分布及桩侧土层应力分布与桩实际工作状态时不同,致使桩 承载力和桩身位移关系的确定存在一定的偏差。图3和图4是笔者 在某工程中对两根抗拔桩分别采用自平衡法和传统抗拔法所测的桩身轴力分布曲线(均未达 到极限状态前的),由此可 较为明显的看出两者之间的区别。但随着 桩身位移不断加大,接近桩 土破坏的极限状态时,两种测 试方法得到的桩极限承载力是接近的,此结论 在国内很多的对比试验中得到验证。上部桩 侧摩阻力发挥的方向问题目前均采用抗拔系数来考虑此影响。

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图3  某抗拔 桩桩身轴力分布曲线图(自平衡法)

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图4  某抗拔 桩桩身轴力分布曲线图(传统抗拔法)

2、当荷载 箱埋置在桩身时,桩身钢筋需要截断,形成“断桩”,从而影 响桩的抗拔和抗弯性能。图5是笔者 在埋设荷载箱时的照片,其上可 以明显看出上下钢筋笼在荷载箱处是断开的。目前实 践中均是通过试验后对此位置压力灌浆来解决,压力灌 浆不仅可以填充试验后缝隙,而且可 以沿桩周上下渗透,提高该处承载力。下文对 此问题有更进一步解释。

3、工程实践中,很难准确选择一个“平衡点”使上下 部桩同时达到极限状态,那么加 载时如果上部桩或下部桩先破坏,就要停止加载,以破坏 前的一级荷载作为上部和下部的极限承载力,此时叠 加得到的承载力结果偏安全。实践中 需依靠准确的勘探资料和参数取值,并结合 越来越多工程数据积累来提高计算的准确度。另外也 可采用上部桩堆放荷载或加固下部桩以使试验进行下去的措施。

基于以 上优缺点的分析,关于自平衡法的定位,笔者有如下观点: 

1、基桩自 平衡法静载试验是取得桩身极限承载力的有效方法之一

现在已 知许多原位测试方法(静力触探、标准贯入试验、动力法测桩等)都和桩 静荷载试验的应力状态不相同, 却都是 在利用其所建立的相关统计关系来估算或确定桩的垂直承载力, 重点在 于试验的目的是什么,有的方 法用于初步设计, 有的用于工程桩验收,有的对位移控制严格,有的对 位移要求不严格,如前文所述,自平衡 测桩法在测取桩身极限承载力时是保守的,且可以 无限接近真实值,但实测的荷载-位移曲 线不能代替传统静载试验。在实际 应用中应根据试验目的考虑是否采用此法。

2、基桩自 平衡法静载试验是传统静载试验的补充

在基桩 传统静载试验受试验环境限制难以实施的情况下,比如水上试桩、坡地试桩、基坑底试桩、狭窄场 地试桩及特大吨位试桩,该法可 作为一种替代方法用于取得桩的极限承载力,以满足工程实际需要,其实测 的桩身位移可作为参考使用。

3、基桩自 平衡法可以满足一些特殊工程应用

基桩自 平衡法可用来测试深部土层的承载力和摩阻力。如某工 程拟采用筏板基础,以强风 化炭质泥岩作为基底持力层,为了准确获得“强风化炭质泥岩”的承载力及变形参数,需要进 行原位的深层平板载荷试验,但该项 目仍处于前期设计阶段,进行传 统深层平板载荷试验需要开挖12m深的试坑进行试验,且需考虑支护问题,安全性、经济性均不可行,笔者所 在单位提出使用自平衡试桩法进行深层平板载荷试验,很好得解决了该问题。


4、基桩自 平衡法是较好的一种抗拔桩试验方法

基桩自 平衡法不仅容易实现,而且避 免了传统抗拔试验法所导致的桩身开裂和省去场地处理、埋设试 验螺杆等前期准备工作。

二、 规程主要内容介绍

本技术 规程主要包括总则、术语和符号、基本规定、测试设备及安装要求,现场试 验及数据处理五部分内容及5个附录。附录分别为附录A:基桩自 平衡法静载试验相关配图,附录B:基桩自 平衡法静载试验常用表格,附录C:桩身内力测试方法,附录D:抗压桩 荷载箱埋设位置的确定,附录E:试验后注浆工艺。

本规程 主编单位为广州市建筑科学研究院有限公司,参编单位为:广州建 设工程质量安全检测中心有限公司、广东省 建筑科学研究院、广州市 建设工程质量监督站、广东省 地质科学研究所、深圳市 建设工程质量检测中心、广州市 荔湾区建设工程质量监督站、广州市 白云区建设工程质量安全监督站、东莞市 建设工程质量监督站、广州市 天河区建设工程质量监督检测室、广东天 信电力工程检测有限公司、深圳市 建筑科学研究院股份有限公司、南昌永 祺科技发展有限公司。

下面结 合自平衡法静载试验过程中的常见问题来对本规程内容进行介绍(下文中 斜体字部分为规范条文)。

1. 对自平 衡法应用范围的规定

结合以 上自平衡法优缺点的介绍,本规程 对自平衡法的应用范围进行了一定限制,具体为:

1.0.2 本规程 适用于试验桩承载力试验和传统静载试验受场地限制或吨位限制难以实施时的工程桩承载力检测。

本条主要指出两点,其一是 基桩自平衡法可用于试验桩承载力试验,也可用 于受一定环境条件限制和试验吨位限制的工程桩承载力检测,基桩自 平衡法是传统静载法的必要补充;其二是 自平衡法主要用于基桩承载力测试,位移的 测试结果可用于参考,但因为 采用该法试验时,桩身受 力状态与实际工作时的受力状态不同,故得到 的位移会与实际工作状态时的位移有一定偏差。

3.0.2  采用自 平衡法进行试验桩静载试验时,应同时 进行桩身内力测试,内力测 试可依据本规程附录C进行。采用自 平衡法进行工程桩静载试验,且荷载 箱预埋置于桩身时,应对上 部桩进行抗弯和抗拔验算,确认上 部桩承载力满足设计要求后方可实施。

 本条规 定主要针对上述自平衡法的缺点进行规定。

本条规 定对试验桩进行单桩竖向承载力(抗压或抗拔)试验时 应进行桩身内力测试的目的在于尽量减少误差,同时积累实测数据。根据试 验得到桩身实际应力分布及桩极限侧摩阻力、端阻力值,可以较 精确的反推得到桩实际工作受力状态下的极限承载力。工程桩 验收试验时对试验结果的要求较简单,故本条 未要求对工程桩亦进行桩身内力测试,但有条 件时宜进行内力测试。

本条规定应对“缩短”后的桩,即上部 桩进行抗弯和抗拔验算,确认对 工程安全无影响时工程桩方可采用自平衡法。在实际应用中,荷载箱 安放位置一般位于桩“反弯点”之下,故对桩 抗弯性能影响不大,缩短后 的受检桩能满足桩的抗拔要求方可采用此法。

2. 对荷载箱的规定

自平衡 法试验中荷载箱是最重要的元件,如何保 证荷载箱的质量?荷载箱 应控制那些指标?荷载箱如何标定?如何保 证荷载箱在标定、运输、埋设、测试过程中不被损坏?本规程在第4章中均给出了规定。

4.1.1  试验加 载采用专用的荷载箱,荷载箱 预估最大加载值应根据最大试验荷载、荷载箱 埋设位置和工程地质条件确定。荷载箱 缸体行程不宜小于120mm。

本条对 荷载箱的最大加载值、缸体行程给出规定。自平衡 法静载试验存在两个试验荷载,一个是 与传统静载试验一致的最大试验荷载,一般由设计单位给定;另一个 是荷载箱预估最大加载值,其取值 应根据最大试验荷载、荷载箱埋设位置、地质条件确定,加载分 级按照此值确定。

4.1.2  荷载箱 预估最大加载值对应的油压值不应超过50MPa,出厂前必须试压,试压值 不得小于预估最大加载值的1.1倍,且必须维持2h以上,试压时 荷载箱缸体行程应大于50mm。

本条规 定荷载箱加载至最大值时对应的油压值不应超过50MPa,一方面 考虑到油压过高时油路及荷载箱容易出现漏油,同时考 虑到对荷载箱上下混凝土的局压不应太高。本条规定试压值 不得小于预估最大加载值的1.1倍,且需稳压2h。试压时 荷载箱缸体应伸出50mm以上也 是为了保证荷载箱的质量,防止一 些荷载箱在行程小时压力可以保持很高,但行程 大时质量却得不到保证,而荷载 箱在使用时是压力越高对应行程相对越大。

4.1.3  荷载箱 应经法定计量单位整体标定,并出具正式标定证书。标定证 书上应注明荷载箱最大加载能力、尺寸、行程等 参数及待应用的工程名称。

荷载箱 通常由多个千斤顶串联或并联组装而成,本条规 定应将荷载箱作为一个整体进行标定而不是对单个千斤顶分别进行标定。荷载箱 整体标定可以检验整个油路的密封性能,通过多次反复加压,完全排 除荷载箱油路内的空气,增加标 定结果的准确性,同时可 以排除荷载箱组装过程中对油路产生的损坏的可能。

4.1.7  荷载箱 在运输或工地内中转时应注意正确吊装,荷载箱 安装前应检查油嘴、油管、油封等的完好性。

3. 荷载箱的埋设位置

4.2.1  荷载箱 的埋设位置应符合以下规定:

1  当极限 端阻力小于极限侧阻力时,按本规程附录D的规定确定埋设位置,使上部桩、下部桩的承载力相当;

2  当极限 端阻力大于极限侧阻力时,将荷载箱置于桩底端,可在桩 顶外加一定量的配重,配重应按本规程附录D的规定确定;

3  对抗压桩,当桩底存在扩大头时,荷载箱 宜埋设于扩大头之上;

4  对抗拔桩,荷载箱 应放置在桩底端,当桩底 岩土层承载力小于试验所需反力时,应对桩底进行处理;

5  有特殊需要时,试验桩 可采用双荷载箱或多荷载箱,埋设位 置根据具体需要确定。

荷载箱 的埋设位置主要根据勘察资料上给出的岩土层以及各岩土层的参数来确定,故试验 前一定要采用可靠的勘察资料。钻探孔 的位置距离桩中心一般不宜大于5m,对于岩 土层面起伏较大或者灰岩地区,5m水平距 离内的地质情况都会变化很大,这时就 要采用试验桩处的钻孔资料以保证勘察资料的准确性。

对抗拔桩,当桩底需要处理时,一般可 在成孔时施工额外的延长段,利用该 延长段侧摩阻力和端阻力共同提供反力。

4. 荷载箱 埋设时应注意的一些细节

4.2.2  荷载箱 和钢筋笼的连接应符合以下规定:

1  荷载箱 中心与钢筋笼中心重合,荷载箱 位移变化方向与桩身轴线夹角应≤5º;

2  上部桩、下部桩 的钢筋笼在荷载箱附近处应有加强措施,一般包括箍筋加密、设置喇叭筋等措施,喇叭筋 的一端与主筋焊接,一端焊 在环形荷载箱盖板内圆边缘处,其数量和直径同主筋。喇叭筋 与荷载箱平面的夹角应大于60°;

3  上部桩 钢筋笼与下部桩钢筋笼之间的连接强度不应大于荷载箱预估最大加载值的1/10。

4.2.3  位移杆(丝)和护管 应符合以下规定:

1  位移杆(丝)应有护管进行保护,护管不得漏浆;

2  位移杆(丝)与引测部位及位移杆(丝)中间的 接头应连接可靠,不得在 试验前或试验过程中脱开;

3  位移杆 应具有一定的刚度,宜采用直径25mm~30mm的钢管;位移丝 引测时应使用足够的配重使位移丝绷紧;

4  等待试 验期间应对外露油管、位移杆(丝)进行妥善保护,不得损坏,护管顶部应封堵;

5  对桩顶外露的位移杆(丝)应做好标识,区分上位移与下位移;

6 在保证精度的前提下,也可采 用其他形式的位移测量系统。

4.2.4  成孔及 浇灌混凝土除应满足相关规范要求外,还应符合以下规定:

1  抗压桩 和抗拔桩的孔底沉渣厚度均不应大于150mm;

2  应缓慢、准确下放导管,不得使 预装试验装置移位;

3  应确保 荷载箱上部和下部混凝土浇灌密实。

5. 自平衡 法测试时加载如何控制

4.3.5  应同时 对上部桩向上位移、下部桩(或桩端持力层)向下位 移及桩顶位移三组位移数据进行测量,每组应布置不少于2个测点,且各测点应对称布置。

试验主 要控制上位移和下位移,桩顶位 移的测量起辅助判断作用,理论上,桩顶位 移因不含上部桩的压缩量,会略小 于上部桩向上位移,如两者之间相差较大,应分析 出现此问题的原因。

5.1.1  试验加 卸载方式应符合下列规定:

2 加载应 采用慢速或快速维持荷载法分级加载,加载应逐级等量加载,第一级 荷载可取分级荷载的2倍;

3 分级荷 载宜为荷载箱预估最大加载值的1/10~1/15;

5.1.4  抗压桩 试验出现下列情况之一时,即可终止加载。

1 某级荷载作用下,上部桩 或下部桩位移量为前一级荷载作用下位移量的5倍,且总位移量超过40mm-60mm(试验桩取大值,工程桩取小值);

2 当上部 桩或下部桩的荷载-位移曲线为缓变型时,上部桩 或下部桩的总位移量达到60mm-80mm;

3 某级荷载作用下,上部桩 或下部桩的位移量大于前一级荷载作用下位移量的2倍,且经24h尚未达 到相对稳定标准;

4 当上部 桩出现上述三种情况之一,而下部桩未出现时,可考虑 在桩顶增加配重后继续加载至下部桩出现上述三种情况之一或达到最大试验荷载;

5 已达到 最大试验荷载且上部桩和下部桩位移均达到相对稳定(收敛)标准。

5.1.5  抗拔桩 试验出现下列情况之一时,即可终止加载。

1 某级荷载作用下,上部桩 的位移增量为前一级荷载作用下位移增量的5倍且总位移量超过40mm-60mm(试验桩取大值,工程桩取小值);

2 当上部桩荷载-位移曲线为缓变型时,上部桩 的总位移量达到60mm -80mm;

3 荷载箱 行程达到最大值;

4 已达到 最大试验荷载值且上部桩位移达到相对稳定标准。

抗压试 验时因需将上部桩承载力和下部桩承载力叠加,故试验 过程中应分别控制上部桩位移和下部桩位移情况。对抗压桩试验,当上部 桩位移和下部桩位移均达到稳定标准或收敛标准时方可加下一级荷载;对抗拔桩试验,因为只 需判断上部桩承载力,故只需 控制上部桩位移是否达到稳定或收敛,但持力 层位移也必须测量,因为要 随时判断荷载箱行程是否超限。

6. 自平衡 法测试后单桩极限承载力如何确定

三、 自平衡 法在工程桩中应用时常见问题探讨

在自平 衡法的应用过程中,特别是 在工程桩中的应用,相关单 位经常会有一些疑问,现就笔者的理解,对一些 主要疑问解释如下。

1、工程桩 埋设荷载箱后是否会对后续工程桩使用产生影响

当试验 用荷载箱埋置在桩身时,桩身钢 筋需要在荷载箱位置断开,试验后 桩身会产生一条水平缝隙,这些会 不会对工程桩产生影响呢?针对此问题,现分别 从桩的抗压性能和抗拔性能方面来加以说明。

1)荷载箱 埋设在桩身中下部,在实际 使用过程中此处的桩身轴力为桩顶轴力的一半以下,相应对 桩身强度要求会减少一半;荷载箱 试验后张开位置仍有活塞相连,可以传递抗压荷载;同时试 验后对张开空隙位置进行压力灌浆一方面可以填充缝隙,对缸体形成保护层,提高耐久性,另一方 面可以沿桩周上下渗透,提高该处承载力。故试验 不会对工程桩的抗压能力产生影响。

2)由于钢 筋在荷载箱处断开,故会对 工程桩的极限抗拔承载力产生影响,试验前 应找设计单位确认仅考虑荷载箱上部桩的抗拔承载力是否能满足设计要求的抗拔力,如可以 满足则不会对工程安全产生影响,如不可以满足,则不能采用自平衡法。

2、自平衡 法检测时无法满足抽检随机性问题

采用自 平衡法进行承载力检测时,由于在 桩施工时就要埋设荷载箱,故需要 事先指定检测桩,无法满 足通常检测时随机抽检的要求,此问题 与基桩声波透射法预埋声波管类似。针对此问题,现分析如下:

1)抽检随 机性的目的是为了防止施工过程中专门针对受检桩采用特殊工艺或改变设计参数而使结果不具有代表性。针对通 常采用的旋挖桩和冲孔桩,只要施 工时由监理单位旁站,确保桩长、桩径按设计要求,并且采 用同一施工工艺,可以认为具有代表性。

2)由于自 平衡法不受场地限制,对基坑 边和内支撑下的基桩均可检测,受检桩 位由设计单位根据地质条件和重要性确定,更具有代表性。

3)对桩身 完整性有缺陷的桩通常采用静载法验证,但一般 采用自平衡法的工程无法进行静载试验,如出现此问题,直接对缺陷处进行加固处理,保证桩身完整性满足要求。再结合自平衡法验证侧摩阻力取值的可靠性,从而可以很好得评估整个工程基桩的可靠性。

3、关于扩大抽检

在检测的可靠性和直观性上来讲,自平衡法是仅次于传统静载的检测方法,但会高于抽芯法检测。由于自平衡法需要在基桩内预埋荷载箱,如有同条件未施作的桩,则可以用自平衡法进行扩大抽检,但往往会出现检测时全部工程桩已施工完,无条件采用自平衡法进行扩大抽检,这时应优先采用常规静载法。如因场地限制或吨位限制,常规静载法无法实施,则可用钻芯法检测端承力或重新施打模拟桩进行侧摩阻力测试。

4、试验后荷载箱张开处回灌浆液的检测问题

荷载箱张开处是完整的一个截面张开,此区域是测量控制下产生的,这个传统加固注浆是不同的,传统加固注浆需要切割,清洗断面,容易发生加固不密实,而自平衡法回灌部位确定、规则,而且浆液从一个护管中进去,从另一个护管中出来,质量很容易保证,只要控制浆液的强度即可,一般无需后续检测,如要检测,可通过在桩中心抽芯,检测荷载箱张开处回灌水泥浆后的桩身完整性。

四、 结论

自平衡法已在全国获得非常多的应用,交通部以及多个地区已颁布自平衡法的检测规程,但在广东省目前应用较少,本规程的实施将会极大得促进自平衡法在广东省的应用,考虑到此法在广东省的应用处于起步阶段,相对于其他类似规程,本规程对此法的应用范围进行了最为严格的限制。

本文对基桩自平衡法静载试验的优缺点进行了总结,并介绍了各缺点的影响和措施,有助于对自平衡法有全面、客观的认识,便于在工程实践中根据试验目的合理选择检测方法。

本文从方法适用范围、荷载箱技术要求、埋设位置、埋设细节及加载控制和数据处理等几个主要方面对广东省《基桩自 平衡法静载试验技术规程》(DBJ/T15-103-2014),进行了简要介绍并对重要条文进行了解释,有助于更快的理解和掌握本规程。

本文最后对应用中常见的一些问题进行了探讨,抛砖引玉,以使此法越来越完善。

 

本文关键词:基桩自平衡法荷载箱静载规程

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