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基桩自平衡法在非洲某立交桥桩基试验中的应用

发表时间：2021/6/15 来源：《基层建设》2021年第6期作者：朱志勇

[导读] 摘要：本文介绍了非洲首次为某立交桥桥梁桩基设计提供依据的桩基试验中采用自平衡法的应用情况。

        江西省华昌建筑质量检测有限公司江西南昌 330001
        摘要：本文介绍了非洲首次为某立交桥桥梁桩基设计提供依据的桩基试验中采用自平衡法的应用情况。这是自2017年2月我国发布《建筑基桩自平衡静载试验技术规程》（JGJ/T403-2017）并于2017年09月01日实施以来首次将此法应用于非洲某大型立交桥桩基试验。
        关键词：基桩自平衡；声波透射法；桩基试验
        一、基桩自平衡
        自平衡静载试验是接近于竖向抗压（拔）桩的实际工作条件的一种试验方法；是一种在桩身中预埋荷载箱，利用桩身自重、桩侧阻力及桩端阻力互相提供反力的试验方法。
        与传统的静载试验（检测）方法（堆载法和锚桩法）相比，自平衡法具有以下特点：
        1、省力：没有堆载，也不要笨重的反力架，检测十分简单、方便、安全、无污染。
        2、省时：土体稳定即可测试，并可多根桩同时测试，大大节省试验（检测）时间。
        3、不受场地条件和加载吨位限制：每桩只需一台高压油泵、一台数据采集仪，检测设备体积小、重量轻，任何场地（基坑、山上、地下、水中）都可。
        1.1方法起源
        美国学者Osterberg于80年代首先提出了自平衡测试法，并于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。
        在我国，东南大学土木工程学院在理论研究的基础上，首先于1996年开始对该法的关键设备荷载箱和位移量测、数据采集处理系统进行了研究开发，经多次专家鉴定后，1999年6月制订了江苏省地方标准，2017年2月我国住房和城乡建设部发布了《建筑基桩自平衡静载试验技术规程》（JGJ/T403-2017）。目前该法在30省市广泛应用于房屋建筑和桥梁桩基检测中。
        1.2自平衡原理
        基桩自平衡法主要装置是一种特制的荷载箱，它与钢筋笼相接置于桩身下部。试验时，从桩顶通过输压管对荷载箱内腔施加压力，箱盖与箱底被推开，从而调动桩周土的摩阻力与端阻力，直至破坏。将桩侧土摩阻力与桩底土阻力叠加而得到单桩抗压承载力。如图1.2所示。根据向上Q-s、s-lgt和s-lgQ等曲线确定桩承载力及各层土摩擦力。

                    图1.2 自平衡测试系统示意图
        二、声波透射法检测
        2.1、检测设备
        设备采用武汉岩海工程技术开发公司生产的RS系列一体化数字超声仪，包括φ35双孔径向换能器等。检测仪器设备及现场联接如图2.1。
        2.2、检测原理
        声波透射法检测桩身结构完整性的基本原理是：由超声脉冲发射源向砼内发射高频弹性脉冲波，并用高精度的接收系统记录该脉冲波在砼内传播过程中表现的波动特性；当砼内存在不连续或破损界面时，缺陷面形成波阻抗界面，波到达该界面时，产生波的透射和反射，使接收到的透射波能量明显降低；当砼内存在松散、蜂窝、孔洞等严重缺陷时，将产生波的散射和绕射；根据波的初至到达时间和波的能量衰减特性、频率变化及波形畸变程度等特征，可以获得测区范围内砼的密实度参数。测试记录不同侧面、不同高度上的超声波动特征，经过处理分析就能判别测区内砼存在缺陷的性质、大小及空间位置（和参考强度）。

        图2.1 桩基声波试验示意图
        2.3技术要求
        2.3.1、埋管施工
        1、埋管材料：宜采用专用的声测管，不宜焊接，以保证管内畅通。
        2、埋管直径：管内径宜为50mm。
        3、管口管底及管内：声测管下到桩底、下端封闭，上端加盖，保证管内无异物；声测管连接处应光滑过渡，管口应高出桩身混凝土面100mm以上，各声测管口高度应保持一致。
        4、埋管要求：应采取适宜的方法固定声测管，保证检测管垂直。成桩后检测管之间必须保持相互平行。（注意：检测管倾斜、弯曲、堵塞可能导致声涌上透射法无法出具检测结论，而不得不采用钻芯法等其它检测手段进行一步检测。）
        5、埋管数量及编组：
        D≤800mm的桩埋设不得少于2根声测管，800﹤D≤1600mm的桩埋设不得少于3根声测管，D﹥2000mm的桩埋设不得少于4根声测管。声测管应沿桩截面外侧呈对称形状布置，编组方法参见图2.3，声测管编号以正北方向顺时针开始第一根管为A；（D：受检桩设计桩径。）

                             A、B、C、D为声测管及编号
                                  图2.3   声测管布置图
        2.3.2、执行标准
        检测参照中华人民共和国行业标准《建筑基桩检侧技术规范》（JGJ106-2014）中有关声波透射法规定进行。
        2.3.3、检测时间
        被检测灌注桩砼强度应超过设计强度的70%，且不小于15Mpa。若因桩身混凝土强度等级低而影响测试波形，应推迟检测时间。
        2.3.4、基桩质量评判
        桩身完整性类别应结合桩身缺陷处声测线的声学特征、缺陷的空间分布范围，按表1和表2所列特征进行综合判定。
        表一：

表二：

        三、工程实例
        3.1、工程概况
        某大型四层立交桥工程，基础工程采用机械钻孔灌注桩，桩径1000mm，设计混凝土强度为C40；桩基试验2根，预估单桩竖向极限承载力均为10000kN；其中Test A-M02为摩擦桩、桩长12.0m，Test B-A14为摩擦端承桩、桩长25.0m、持力层为中风化花岗岩。
        根据岩土工程勘察报告，Test A-M02附近地质情况：
        0-1.00m Fine to Medium grained，reddish brown，silty sand with some amount of clay.
        1.00m-2.00m Fine to Medium grained，reddish brown，silty sand with some clayey binder and quartz gravels.
        2.00m-3.00m Fine to Medium grained，reddish brown，silty sand，clayey binder and some quartz/phyllitic gravels.
        3.00m-4.00m Fine to Medium grained，reddish brown，silty sand，with clayey binder and quartz/phyllitic gravels.
        4.00m-5.00m Fine to Medium grained，reddish brown，highly weathered phyllite and sand with clayey binder and little amount of ouartz.
        5.00m-6.50m Fine to Medium grained，reddish，grey，weathered with clayey binder.Contact：5.2m=foliated，greyish，reddish with some clayey binder（phyllite）.
        6.50m-9.00m Fine to Medium grained，greyish red，weathered，foliated and broken pieces of core（phyllite）.
        9.00m-10.50m Fine to Medium grained，greyish black，broken and fractured core with some foliation.（phyllite）
        10.50m-12.50m Fine to Medium grained，black，grey，reddish broken，（mottled），fractured core pieces.
        12.50m-14.00m Medium grained，greyish，sand and some broken pieces and some foliated core pieces（phyllite/quartzite）.
        14.00m-15.50m Fine to Medium grained，greyish blackish，reddish brown，fractured core pieces with some intrusion and wethered.（phyllite + quartzite）
        15.50m-17.00m Medium to coarse grained，greyish，sand，weathered and broken core pieces（quartzite/phyllite）.
        17.00m-19.50m Medium grained，greyish，dark reddish，brown，broken piecesb of core（quartzite）.
        Test B-A14附近地质情况：
        0-1.40m Medium dense，moist brownish to reddish sandy silty clay.
        0.60m-1.40m Soft to firm，moist dark，reddish brown sandy silty clay.
        1.40m-3.00m Firm to stiff，moist，dark reddish brown sandy silty clay.
        3.00m-3.70m Stiff moist，dark reddish brown sandy silty clay.
        3.70m-4.60m Stiff dry to moist，dark reddish to yellowish brown，silty clay.
        4.60-5.00m Dense dry to moist，dark reddish brown sandy silty clay.
        5.00m-6.00m Firm moist，reddish to yellowish brown，sandy silty clay.
        6.00m-8.70m Firm to stiff，moist，dark reddish to yellowish brown/grey sandy silty clay（schale）.
        8.70m-10.00m Soft to moist，yellowish brown to grey，silty clayey shale.
        10.00m-12.00m Firm，moist，dark yellowish brown to grey/reddish sandy silty clay（shale）（highly weathered）.
        12.00m-15.00m Firm moist，grey/dark brown to light pink grey sandy silt（highly weathered rock*schist/shale）.
        15.00m-16.50m Firm，moist，dark brownish to yellowish brown sandy silt，with some visible mica.（highly decomposed phyllites）.
        16.50m-20.00m Dense，brownish，sand.
        20.00m-24.50m Grayish brown，silty sand with mica.
        24.50m-27.50m Yellowish brown to pinkish gray，silty sand.
        27.50m-29.00m Pinkish brown，highly weathered，medium to coarse granite.
        29.00m-30.50m Grayish，moderately weathered，medium to coarse granite.
        30.50m-32.00m Grayish，slightly weathered，medium to coarse granite.
        32.00m-35.00m Grayish，fresh，medium to coarse granite.
        3.2测试仪器设备
        1、试桩采用一个环形荷载箱，荷载箱直径同钢筋笼外径，高约30cm，行程约20cm。
        2、高压油泵：最大加压值为60MPa，加压精度为每小格0.5MPa。
        3、电子位移传感器：量程50mm（可调），每桩4只，通过磁性表座固定在基准钢梁上，2只用于量测桩身荷载箱处的向上位移，2只用于量测桩身荷载箱处的向下位移。
        4、电脑及数据自动采集仪一套。
        3.3、设备安装
        1、试桩Test A-M02的自平衡荷载箱按照监理要求安装在距桩顶6.0m位置。
        2、试桩Test B-A14的自平衡荷载箱按照监理要求安装在距桩顶17.0m位置。
        3、二根试桩均安装了通长声测管，以便对试验桩进行桩身完整性检测。
        3.4试桩施工要求
        试桩严格满足设计要求外，应注意以下几点：
        1、绑扎和焊接钢筋笼，声测管的接长连接用套管接头或套丝接头。当采用套管接头时，所使用套管的内径与声测管的外径要匹配，避免声测管在接头处产生错台现象，影响后期测试时位移丝的下放；若采用套丝接头，丝扣要有一定的长度，连接牢固。接长的声测管要与钢筋笼焊接（或捆绑牢固）成整体，且管壁及接头无孔洞，确保管路不渗入泥浆。声测管一端与荷载箱的顶底板焊牢，且不渗灰浆，声测管的另一端应高出地面（或工作平面）400mm，声测管顶部用100mm×100mm厚3mm的铁板或其它方式密封。
        2、上节钢筋笼与荷载箱上顶板焊接（所有主筋焊接），保证钢筋笼与荷载箱在同一水平线上，再焊喇叭筋，喇叭筋上端与主筋，下端与内圆边缘焊，保证荷载箱水平垂直钢筋笼主筋；然后荷载箱下底板与下节钢筋笼连接，焊接下喇叭筋。荷载箱上、下3米范围内的箍筋间距加密为10cm。必须保证钢筋笼与荷载箱基本在同一轴线上，焊点保证质量，在主筋与荷载箱之间用“L”型加强筋加固以确保在钢筋笼与荷载箱起吊时不脱离。
        3、钢筋笼下放见图3.4。

        a）下放第一节钢筋笼           b）下放第n节钢筋笼            c）下放导管           d）浇筑混凝土
        图3.4 钢筋笼下放示意图
        4、试桩混凝土标高同工程桩，导管通过荷载箱到达桩端浇捣混凝土，当混凝土接近荷载箱时，拔导管速度应放慢，当荷载箱上部混凝土大于2.5m时导管底端方可拔过荷载箱，浇混凝土至设计桩顶；荷载箱下部混凝土坍落度宜大于200mm，便于混凝土在荷载箱处上翻。
        5、埋完荷载箱，保护油管及钢管封头（用钢板焊或其它方法，防止水泥浆漏入）。
        6、灌注混凝土时，要求制作一定量的混凝土试块，待测试时做混凝土强度试验。
        3.5试验程序
        3.5.1 加、卸载分级
        本次试验根据监理要求按单桩竖向极限承载力12000kN进行试验，加载分10级，卸载分5级进行，第一级可按两倍分级荷载加载。
        3.5.2 观测程序
        1、加载量测：
        每级荷载施加后，应分别按第5min、15min、30min、45min、60min测读位移，以后每隔30min测读一次位移。
        2、卸载量测：
        卸载时，每级荷载维持1h，分别按第15min、30min、60min测读位移后，即可卸下一级荷载；卸载至零后，应测读残余位移，维持时间不得小于3h，测读时间分别为第15min、30min，以后每隔30min测读一次残余位移量。
        3、相对稳定标准：
        从分级荷载施加后的第30min开始，按1.5h连续三次每30min的位移观测值计算，每小时内的位移增量不超过0.1mm，并连续出现两次。
        每级荷载下位移达变化达到相对稳定标准时，再施加下一级荷载。
        4、终止加载条件及最终加载值：
        ①位移量大于或等于40mm，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。取此终止时荷载前一级的荷载为极限荷载。
        ②某级荷载作用下，荷载箱上段或下段位移量大于前一级荷载作用下位移增量的2倍，且经24h尚未达到相对稳定标准，加载即可终止。取此终止时荷载前一级的荷载为极限荷载。
        ③已达到设计要求的最大加载量且荷载箱上段或下段位移达到相对稳定标准，加载即可终止。取此终止时荷载为极限荷载。
        ④当总位移量小于40mm，但荷载已达到荷载箱压力极限或位移达到荷载箱行程，加载即可终止，取此最大加载值荷载为极限荷载。
        ⑤当荷载-位移曲线呈缓变形时，向上位移总量可加载至40～60mm，向下位移总量可加载至60～80mm；当桩端阻力尚未充分发挥时，可加载至总位移量超过80mm。对缓变形曲线，上段桩极限加载取值对应荷载为40mm时的荷载，下段桩极限加载值取位移为40mm对应的荷载值，对直径大于或等于800mm的桩，可取荷载箱向下位移量为0.05D（D为桩端直径）对应的荷载值。
        3.6 试验数据的分析整理
        根据试桩的加载极限值，可按下式确定试桩i的极限承载力：

        Qui=        + Quxi                          （1）
        式中：Qui——试桩i的单桩承载力极限值，单位为千牛（kN）；
        Qusi——试桩i上段桩的最终加载值，单位为千牛（kN）；
        Quxi——试桩i 下段桩的最终加载值，单位为千牛（kN）；
        Wi——试桩i荷载箱上部桩自重，单位为千牛（kN）；
        gi——试桩i的修正系数，根据荷载箱上部土的类型确定：粘性土、粉土gi =0.8；砂土gi =0.7；岩石gi =1；若上部有不同类型的土层，gi取加权平均值。
        Test A-M02上段桩自重118kN，取g=1；
        Test B-A14上段桩自重334kN，取g=0.837；
        3.7、试验结果
        1、对二根基桩进行了声波透射法检测，经检测二根桩均桩身完整，可以进行自平衡静载试验。
        2、对Test A-M02进行试验。加载至6200kN时，上段桩上拔量为3.06mm，下段桩沉降量为1.42mm，桩未达到破坏状态，设备已至额定最大加载值，试验结束。根据公式（1），上段桩（6.0m）极限侧阻力取值6082kN，下段桩极限承载力取值6200kN，该桩单桩竖向极限承载力检测值为12282kN。
        3、对Test B-A14进行试验。加载至4480kN时，上段桩上拔量为66.99mm，下段桩沉降量为2.38mm，上段桩已达到破坏状态，试验结束。根据公式（1），上段桩（17.0m）极限侧阻力取值4188kN，下段桩承载力取值3840kN，该桩单桩竖向极限承载力检测值为8028kN。
        3.8、结论与建议
        1、Test A-M02单桩竖向抗压极限承载力检测值为12282kN；该桩上段桩身6.0米范围内的综合极限桩侧阻力取值为322kPa。
        2、Test B-A14单桩竖向抗压极限承载力检测值为8028kN；该桩上段桩身17.0米范围内的综合极限桩侧阻力取值为78kPa。
        3、建议类似A14勘查孔地质情况的区域里桩基施工至中风化花岗岩层；类似M02勘查孔地质情况的区域里桩基施工根据需要确定桩长；工程桩施工参照试验桩的施工工艺进行施工。
        四、结束语
        自2017年2月我国发布《建筑基桩自平衡静载试验技术规程》（JGJ/T403-2017）并于2017年09月01日实施以来首次将此法应用于非洲某大型立交桥桥梁桩基试验。此法解决了当地检测设备不足和城市立交桥施工场地有限的困难，同时满足了当地检测安全、无污染的要求，此法达到了省时、省力、节约试验费的目的。
        参考文献：
        [1]《建筑基桩自平衡静载试验技术规程》（JGJ/T403-2017）
        [2]《建筑基桩检侧技术规范》（JGJ106-2014）