桩基承载力自平衡测试技术在跨海大桥工程中应用探讨

张 成

（苏交科集团股份有限公司 江苏南京 210000）

1 前言

伴随着我国国民经济及交通建设的发展，我国大型工程越来越多，桩基础的应用量随之增大。现行规范规定必须做一定数量的桩基载荷试验，以确定结构的安全度并为设计提供依据。目前传统的静载试验方法主要有堆载法与锚桩法，但该两种方法在水上工程中实施难度极大，且安全风险极高。因此自平衡法承载力测试技术应运而生，美国于80年代中期开展了桩承载力自平衡试验方法的研究，近几年欧洲及日本、加拿大、新加坡等国及台湾、香港、澳门地区也广泛使用该法，被称为桩基测试技术革命。下文将通过自平衡承载力测试在跨海大桥工程的实践案例，在自平衡法的测试机理、试验过程及测试成果等方面阐述分析。

2 工程案例概况

该项目属于跨海大桥，地质条件复杂，跨海段试桩地层分布主要为上部多以淤泥、淤泥质粘土为主，桩身中下部土层为粉质黏土夹杂部分粉砂层为主，桩端持力层为粉砂层。为验证设计单桩极限承载力，测定桩基沉降和变形，验证成孔工艺，评估成桩质量，选取2根试桩进行桩自平衡法基静载试验，试桩主要参数如表1。

表1 试验桩参数表

3 自平衡法测试

3.1 测试原理

自平衡法的检测原理是将一种加载装置-自平衡荷载箱，在混凝土浇注之前和钢筋笼一起埋入桩身内，将加载箱的加压管以及所需的其他测试装置从桩体引到地面，然后灌注成桩。由加压泵在地面向荷载箱加压加载，荷载箱产生上下两个方向的力，并传递到桩身。由于桩体自成反力，我们将得到相当于两个静载试验的数据：荷载箱以上部分，我们获得反向加载时上部分桩体的相应反应系列参数；荷载箱以下部分，获得正向加载时下部分桩体的相应反应参数。通过对加载力与这些参数之间关系的计算和分析，可以获得桩基承载力等相关数据。这种方法可以用于为设计提供数据依据，也可用于工程桩承载力的验证。

与传统的静载试验方法（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。

（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：每桩只需一台高压泵、一套位移测读仪器、一根基准梁，检测设备体积小、重量轻，任何场地（基坑、山上、地下、水中）都可。

3.2 主要加载设备

试桩采用组合式荷载箱，本次2根试桩均采用双荷载箱加载，直径和加载面积的设计，充分兼顾加载液压的中低压力和桩体试验后的高承载能力。荷载箱通过内置的特殊增压技术设计，以很低的油压压强，产生很大的加载力，从而能够极大地降低加载系统的故障率。

3.3 现场测试

试验场地位于海边，为尽量减少风力、降水等外部因素的影响，现场必需搭设防风账篷，确保测试仪器、无线传感器、精密位移传感器等设备检测时不受外部环境的影响。

试验现场需配备静载试验过程需要配备220V、380V的电源箱，并持续供电，静载试验夜间测试连续进行，现场应配备照明设备。基准梁搭设应满足规范要求，具有足够的刚度，基准梁的一端应固定在基准桩上，另一端应简支于基准桩上。

图1 防风账篷、基准梁加设

4 试桩后注浆施工

试验桩在首次加载完成后，进行桩端注浆，通过预埋声测管进行注浆作业，采用智能压浆设备，智能压浆设备主要由上料机，制浆台车，压浆台车等三部分组成，其系统组成与工作原理如图2。

图5示，与CON组相比，OPC组、IGF-1组和OPC+IGF-1组LC3-Ⅱ相对表达量分别为10.32±0.31、1.02±0.20和5.73±0.11，F值分别为5 083.113、524.294和583.542，均P<0.001，OPC与IGF-1主效应均有统计学意义，两者联合有拮抗效应；p62相对表达量分别为0.64±0.02、1.03±0.02和0.87±0.01，F值分别为1017.038、257.225和162.558，均P<0.001，OPC与IGF-1主效应差异均有统计学意义，两者联合有拮抗效应。说明OPC通过抑制 PI3K/AKT 信号通路诱导TU686细胞发生自噬。

图2 压浆系统示意图

在压浆机出浆口设置专用传感器实时检测压浆管道压力与浆液流速。实时反馈给系统主机进行分析判断，测控系统根据主机指令进行压浆调整，保证管道回路在规范要求的浆液质量、压力大小、稳压时间等重要指标约束下完成压浆过程。

图3 压浆工艺流程图（U管法）

后注浆施工主要要点：

（1）待试桩完成首次自平衡加载试验后可进行单个墩桩底压浆。

（2）压浆作业人员将自来水管、水泥罐、上料机、制浆台车、压浆台车连接好。

（3）对除压浆管外的压浆设备及管路系统进行耐压试验。试压操作时，要分级缓慢升压，试压压力宜达到注浆控制压力的1.5倍，停泵稳压后方可进行检查。并认真检查压浆泵、搅拌机等设备是否处于完好状态，检查各管路是否畅通。

（5）根据注浆量跟浆液配合比，计算水泥、水和外加剂用量，浆液拌制好后现场取样测试浆液性能指标，确保其性能指标满足要求并现场提取浆液按规定做试块。

（6）浆液洗管：接管工人打开U1管出浆口阀门，先排出回路管内开塞时存有的清水，当出浆口流出的浆液浓度与进浆口浆液浓度基本相同时，关停压浆泵，关闭出浆口阀门。

（7）现场所有人员撤离至安全区域，开始压浆并计量压浆量，压浆采用单一回路单独压浆。

5 试验过程简述

试桩32-2#（注浆前）：加载下荷载箱，加载到第5级荷载3000kN时，向下位移突然增大，Q-S曲线呈现陡变现象，本级下位移量是前一级下位移量的10.9倍，下位移39.13mm，且油压维持困难，开始卸载，取第4级荷载2400kN为注浆前下段极限加载值。开始加载上荷载箱，封住下荷载箱油管，在加载到第11级荷载10450kN时，下位移已达60.14mm，位移持续走动，无收敛迹象，且油压维持困难，考虑到注浆后试验故决定终止加载，此时向下最大平均位移量为60.14mm，卸载后剩余位移为58.25mm；向上最大平均位移量为4.49mm，卸载后剩余位移为2.23mm。

试桩32-2#（注浆后）：加载下荷载箱，加载到第10级荷载6000kN时，位移呈缓变走势，因已达预估的最大加载值，决定终止加载，取当前荷载6000kN为注浆后下段极限加载值。开始加载上荷载箱，加载到第10级荷载11000kN时，位移曲线呈缓变形，已达设计要求的最大加载值，决定终止加载，取当前荷载11000kN为注浆后上荷载箱上下段桩的极限加载值。此时向下最大平均位移量为21.18mm，卸载后剩余位移为13.23mm；向上最大平均位移量为1.53mm，卸载后剩余位移为0.26mm。

试桩41-2#（注浆前）：加载下荷载箱，加载到第5级荷载2500kN时，位移持续增大，考虑到注浆后试验故决定终止加载，取当前荷载2500kN为注浆前下段极限加载值。开始加载上荷载箱，封住下荷载箱油管，对下荷载箱保压，加载到第17级荷载9900kN时，向下平均位移累计已达57.62mm。且本级向下位移增大明显，S-logt曲线尾端呈现明显拐点，取第17级荷载9900kN为注浆前上段极限加载值。此时向下最大平均位移量为57.62mm，卸载后剩余位移为52.79mm；向上最大平均位移量为9.99mm，卸载后剩余位移为5.57mm。

试桩41-2#（注浆后）：加载下荷载箱，加载到第10级荷载5000kN时，上下位移走动相对都较平稳，位移呈缓变走势，已达预估的最大加载值，终止加载，取当前荷载5000kN为注浆后下段极限加载值。开始加载上荷载箱，加载到第10级荷载10500kN时，上下位移变化都较小，位移曲线呈缓变形，已达设计要求的最大加载值，决定终止加载，取当前荷载10500kN为注浆后上荷载箱上下段桩的极限加载值。此时向下最大平均位移量为15.48mm，卸载后剩余位移为9.22mm；向上最大平均位移量为6.66mm，卸载后剩余位移为4.08mm。

6 试验成果

通过对2根试桩注浆前后的加载试验，首先加载下荷载箱得到最下段桩身承载力，后加载上荷载箱得到中段桩身承载力，对下荷载箱进行保压，继续加载至得到上段桩身承载力，测试结果见表2。

表2 试验成果表

试桩32-2#注浆前承载力试验结果为18490kN，注浆后承载力为20178kN；试桩41-2#注浆前承载力试验结果为17460kN，注浆后承载力为20810kN。

图4 32-2#荷载沉降曲线图

图5 41-2#荷载沉降曲线图

7 结语

通过本项目两根试桩加载试验结果，可得出以下主要结论：

（1）所采用的注浆工艺能够满足设计施工要求，注浆后的承载力较注浆前有明显的提高；

（2）桩端注浆效果明显，注浆后的桩身沉降明显收敛。

自平衡法承载力测试在跨江、跨海大桥等水上桩基的承载力检测方面具有独特的优势，且较传统的堆载法安全风险低，技术规范逐步完善，随着我国交通建设发展，具有广阔的应用前景。