桥梁基桩大吨位静载试验问题探讨

2019-02-20赵喜平

铁道勘察 2019年1期

赵喜平

(中铁工程设计咨询集团有限公司郑州设计院，河南郑州 450001)

桩基以其优秀的性能在市政桥梁工程中被大量采用，其质量直接关系到上部桥梁结构和通过车辆的安全。

《建筑基桩检测技术规范》中规定:单桩抗压静载试验是基桩竖向抗压承载力检测最直观、最可靠的传统方法。该规范中，对我国建筑工程中惯用的维持荷载法进行了具体规定[1]。《建筑桩基技术规范》、《建筑地基处理技术规范》[2-3]则规定了桩基设计、构造、计算、验收等详细内容。

单桩抗压静载试验对桩基承载力进行直接测定，具有直观准确等优点，在承载力检测中得到普遍应用。

孙利伟等根据某地岩土参数，确定了试验荷载的传递参数，把所算得的荷载传递参数代入桩顶荷载与桩顶沉降的关系式，结合工程实际土层埋深进行迭代计算，得到单桩的荷载沉降曲线，并与工程实际静载荷试验结果进行对比，结果较为精确[4]；林慧常等提出了一种新的荷载传递函数[5]；黄诚等研究了施工条件下桩基静载荷试验的防振问题，根据打桩振动机理，分析出主要影响因素是瑞利波，根据瑞利波的特点，提出了相应的防振措施[6]；杨洪提出了存在液化土情况下，桩基础静荷载试验最大加载值的确定方法，以保证足够的安全系数[7]；李林等对基桩静载试验的数据资料和结果判定进行了相关研究[8]；訾平华通过代表性的试验实例，对Q-S曲线进行分析，论述了各类缺陷桩在静载试验中的表现，提出了各类型桩静载试验应关注的重点[9]；赵翔等研究了加载反力装置对单桩极限承载力取值结果的影响[10]，王志广等也从梁、锚桩各个角度对静载荷试验进行了一定的研究[11-15]。

随着工程荷载越来越大，桩基设计承载力和静载荷试验加载吨位随之增大，对安全保障、数据准确性等方面提出了更高的要求，如何保证大吨位静载试验的质量及安全，是急切需要研究的问题。

该试验项目依托郑州市四环线快速通道桥梁工程，桥梁基础采用钻孔灌注桩，桩长65～71 m，设计承载力标准值为9 244～11 776 kN。

建筑场地地质概况:场地地貌属山前冲洪积缓倾斜平原，地形平缓，局部有起伏，绝对高程在110.0～125.0 m。场区地层主要为第四系全新统人工堆积层杂填土，第四系上更新统冲积层粉土、粉质黏土、粉细砂，第四系上更新统冲洪积层粉土，第四系中更新统坡洪积层粉土、粉质黏土、细砂及胶结层。

本工程中静载试验加载压力大，采用的加载反力装置为压重平台。对该工程大吨位静载荷试验全过程中的重难点问题进行了研究，通过对多组千斤顶的比较研究，确定了不同厂家、不同批次、同型号千斤顶之间的加荷误差为1.3%；通过试验研究，确定了施工等外界干扰对静载基准桩影响深度为5 m以内。

1 桩头处理

桩头处理的主要目的:

①保护基桩在试验过程中不被损坏，达到将荷载稳定传至基桩的目的；

②保证桩头的强度和刚度，使静载试验能顺利进行。

为避免桩头处理影响基桩的实际受力条件，保证试验与工程完工后基桩受力条件一致，除了按照规范要求使用高标号混凝土和设置钢筋外，桩头处理过程中要特别注意这几点:

①桩头处理全过程要经过测量控制，桩头要与基桩连接紧密，接缝处不能有杂质或混凝土碎块，基桩表面要凿毛。为了保护桩头，原桩头清除至距设计桩顶15 cm以上的位置即可。

②桩头中轴线应与桩身上部中轴线重合，桩顶用水平尺找平，保证试验过程中基桩处于轴心受力状态。

③设计桩顶以上部分外围要设置钢护筒，将桩头与周围土体隔离，消除该部分侧阻力对静载试验结果的影响。现场试验表明，接桩4 m的情况下，桩头与周围土体隔离与不隔离相比，极限承载力相差800 kN左右。

桩头处理示意如图1。

图1 桩头处理示意(单位：mm)

2 反力平台基础处理问题

经过对工程16根试验桩的统计，有6次试验反力平台有不同程度的倾斜，主要由平台基础不均匀沉降引起，特别是种植土和填土地基，不均匀沉降更严重。

对于大吨位静载试验，为了保证试验的安全进行，反力平台的稳固平衡至关重要，采取了如下措施:

①静载反力平台搭建前，用全站仪在原地面上测放出开挖边线，以桩基中心为中心，对12 m×12 m范围内进行场地平整，画出6 m×6 m的平台边线，并用白灰进行标识。

②对于原地面高于承台底的区域，测出原地面高程，计算出承台底至原地面的高差，使用CAT320反铲进行控制开挖，开挖至接近基底30 cm时，采用水准仪布设高程控制桩，再进行人工开挖整平。

③对于原地面低于设计桩顶高程的场地，应分层进行夯实回填。

④对于填土或种植土场地，挖除上部松散土层，再分层夯实回填。

⑤在平台底部先铺上整块钢板，防止不均匀沉降。

注意事项:

①对于承载力不足的软弱地基，要进行旋喷桩处理或换填处理。

②对反力平台基础范围内的地层情况进行确认，保证各部位承载力、压缩性基本一致；对于不一致的情况要进行局部处理，防止反力平台出现不均匀沉降，影响安全和质量。

经过上述措施处理，平台不均匀基桩沉降数量从6根减少为1根，百分比从37.5%减少为6.3%，如图2所示。

图2 处理前后反力平台不均匀沉降对比

3 并联加载的问题

市政桥梁桩基静载试验荷载大，单个千斤顶不能满足加载需要。通常的解决方案是多个千斤顶并联，通过一个油泵同时对千斤顶供油，多个千斤顶同时加载。

并联加载系统需注意两个问题:

①多个千斤顶协调出力时，应选用同一厂家、同一批次的千斤顶，以保证同组千斤顶内部油缸参数一致。通过回归方程计算出该组千斤顶的校验系数，进行静载仪器参数设置，保证千斤顶出力均匀，试桩受力竖直。

现场进行4组(每组5个630 t)千斤顶的对比试验，第一组为同一厂家、同一批次的千斤顶。第二组为同一厂家、不同批次的千斤顶，第三组、第四组为不同厂家的千斤顶，对比试验结果如表1。

表1 试验各组千斤顶出力情况对比统计 kN____

②供油的问题。多个千斤顶用油量大，加上管路多、接头多，需保证管路连接密封良好、无渗漏；现场操作人员要随时保证供油稳定。

4 位移量测系统的问题

静载试验中位移量测是最容易受到干扰的系统，位移量测的影响因素主要有基准梁移动和周围环境干扰。

基准梁架设的具体要求:①基准梁应具有足够的刚度(10号以上型钢)，一端固定在基准桩上，另一端可沿基准梁方向水平移动(简支于基准桩上)，防止基准梁变形引起位移测量不准。②基准桩应以直径40 mm以上的钢管打入地面以下1.0 m以上；严禁使用搁置在地面的物体作为基准桩；防止下雨或者人为扰动引起基准梁产生位移。③基准桩或基准梁应与试验桩和反力平台基础有一定的距离，防止其受试验桩和反力平台位移影响，造成试验不准确。

避免周围环境干扰的措施:①静载场地周围不能有打桩设备工作，且避免其他大型机械设备工作。②试桩设备及量测仪表应有遮挡设施。

大吨位静载试验量测数据及示意见表2和图3。

表2 静载荷试验现场量测数据

5 试验终止加载问题

对于终止加载的条件，规范都有很明确的规定，主要分为以下4种情况:①桩基破坏；②桩周土破坏；③桩基沉降达到标准；④桩达到设计极限承载力(未出现前三种情况)。

图3 静载荷试验现场量测

前三种情况均达到了基桩极限承载力，第四种情况仅是满足设计要求。由于工程桩正常情况下不能被破坏，且设计中留有较大的安全裕量，在收集到的各个地区试桩资料中，95%均为第四种情况。

而这一明显造成浪费的问题未引起土木工程界足够的重视。

众所周知，桩基础设计的步骤是首先确定单桩承载力，然后根据上部荷载布置桩的数量。在实际设计过程中，由于工期紧、任务重，加上一些年轻设计者经验不足，有时会反其道而行之:即先按照经验，根据建筑物平面尺寸条件确定桩数和布桩，算出各桩桩顶荷载，然后反过来推算桩长，最后要求工程试桩加载达到此值即可。上述情况导致桩基设计不符合极限状态原则，会造成较严重的浪费，应引起有关勘察、设计与建设部门的高度重视。

综上所述，应根据地质段落加强设计前试桩，进行破坏式静载试验，提供较准确的极限单桩承载力，作为设计文件的有力支撑，即减少浪费又能保证工程安全。