高原寒冷条件下试验桩静载试验分析与探讨

赵书全

(青海省建筑建材科学研究院有限责任公司，青海省建筑工程质量检测站， 青海省高原绿色建筑与生态社区重点实验室，青海 西宁 810008)

基桩静载试验是在基桩顶部施加向下压力，观测桩顶随时间产生的沉降变化，以确定对应基桩的竖向抗压承载力的试验方法。基桩的承载力检测是基桩质量检测中最重要的内容,静载试验是目前最准确、最可靠的试验方法。张开伟等[1]采用慢速维持荷载法结合钢筋计应力测试技术对基桩竖向应力变化及桩体变形的试验参数进行实际测试，分析了将基桩桩身摩阻力、轴力、桩身压缩量、阻力分布及发挥进程等参数在不同竖向荷载作用下的变化量。张春良等[2]研究表明，基桩桩底出现严重离析或沉渣过厚缺陷会产生基桩沉降变形过大，基桩承载力不足的问题，利用高压注浆法处理基桩桩底，可有效减小基桩沉降量，提高基桩单桩竖向抗压承载力。王宗文等[3]通过对单桩极限承载力的估算值与静载试验成果对比,找出二者之间的差异，分析其形成的原因，提出确定单桩极限承载力的综合分析方法。王军等[4]结合实例采用 ABAQUS 建立桩土相互作用有限元模型，得出在地表堆载作用下桩侧摩阻力和桩身轴力的分布规律、以及桩顶竖向沉降规律。但是针对高原地区冬季寒冷环境下桩基静载试验的影响因素则缺少相应的研究与分析。本文通过对西宁市湟中区某建设项目试验桩受压变形规律及外界寒冷环境因素、施工因素对桩载试验的研究分析，综合确定试验桩单桩竖向抗压承载力，为高原冬季寒冷地区桩基静载试验提供经验借鉴。

1 试桩静载试验

1.1 工程概况

在西宁市湟中区某建设项目场地西北侧对试验桩进行竖向抗压承载力试验，项目场地平均海拔2 580 m，属青藏高原凉温半干旱地区，该区域年平均气温3.7 ℃，极端最低气温-25.2 ℃，最大冻土深度1.3 m。本次试验选用试验桩Φ600 mm、Φ800 mm的混凝土灌注桩各3根，为机械成孔混凝土灌注桩，桩端持力层为中等风化砂质泥岩层。通过对Φ600 mm、Φ800 mm各3根混凝土灌注桩进行单桩竖向抗压静载试验，确定单桩极限承载力。

1.2 试验原理

图1 基桩静载试验原理图Fig.1 Schematic diagram of static load test of foundation pile

试验桩静载试验选取本场区地质条件具有代表性的位置，采用与工程桩相同的施工方法。通过对试验桩进行竖向抗压静载试验，确定单桩极限承载力值，以判定桩基设计参数的合理性和施工工艺的可行性。单桩竖向抗压静载试验[5]是在桩顶部分级施加竖向压力，观测桩顶部测点随时间变化产生的沉降量来判定相应的单桩竖向抗压承载力的试验方法。试验原理见图1。

基桩静载试验检测技术的原理为依据荷载反力及Q-S曲线，利用曲线对作用力进行分析，通过千斤顶、次梁或者其他施重装置，对基桩所能承受的最大作用力进行检测[6]。

1.3 试验准备及加载

根据设计要求，灌注桩混凝土抗压强度设计等级为C30，依据GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》[7]的具体规定，经计算确定，Φ600 mm桩的单桩极限承载力试验加载值为8 500 kN，Φ800 mm桩的单桩极限承载力试验加载值为16 000 kN。试验桩参数见表1和表2。

表1 Φ600 mm试验桩参数Tab.1 Parameters of Φ600 mm test pile

表2 Φ800 mm试验桩参数Tab.2 Parameters of Φ800 mm test pile

本次静载荷试验采用4台500吨的双回路液压千斤顶出力，通过超高压油泵压力控制，加载值采用连接于油泵上的油压传感器装置测定，换算成荷载，通过无线静载仪进行加载控制。堆载平台采用4根长8.5 m、高1.2 m的主梁，40根长12.0 m、宽0.2 m、高0.6 m的H型钢搭建，由平台上堆放的预制混凝土配重块来提供反力。

1.4 试验过程

试验前对试验桩桩头进行处理，首先凿掉混凝土试验桩顶部表层混凝土；然后搭建堆载平台及安装加载装置，安装基准梁，吊装配重块，最后进行仪器的安装[8]，加载系统经确认无误后，通电进行试验(图2)，试验过程如下：

(1)Φ600-1#(1#)试验桩于2018年11月10日加载，分十级加载，每级加载量为850 kN，当加载至5 100 kN 时，桩头碎裂，终止加载 (距桩顶500 mm无箍筋，且桩头未采取加强处理)。

(2)Φ600-2#(2#)试验桩于2018年11月17日加载，分十级加载，每级加载量为850 kN，当加载至5 950 kN 时，桩头碎裂，终止加载(距桩顶500 mm无箍筋，试验前对桩头采用3条60 mm宽扁钢箍紧处理)。

(3)Φ600-3#(3#)试验桩于2018年12月5日加载，分十级加载，每级加载量为850 kN，当加载至7 650 kN 时，桩头碎裂，终止加载(对桩头300 mm高范围采用3 mm厚钢板制作的钢箍进行围裹加固处理)。

(4)Φ800-1#(4#)试验桩于2018年12月10日加载，分十级加载，每级加载量为1 600 kN，当加载至14 400 kN时，桩头碎裂，终止加载(试验前，将桩头破凿至有箍筋位置，并对桩头300 mm高范围采用3 mm 厚钢板制作的钢箍进行围裹加固处理)。

(5)Φ800-2#(5#)试验桩于2018年12月18日加载，分十级加载，每级加载量为1 600 kN，当加载至16 000 kN时，桩头混凝土明显开裂，达到预定试验值，正常卸载(试验前，将桩头破凿至有箍筋位置，并对桩头300 mm高范围采用3 mm厚钢板制作的钢箍进行围裹加固处理)。

(6)Φ800-3#(6#)试验桩于2018年12月24日加载，分十级加载，每级加载量为1 600 kN，当加载至12 800 kN时，桩头混凝土明显开裂，补不上压，终止加载(试验前，将桩头破凿至有箍筋位置，并对桩头300 mm高范围采用3 mm厚钢板制作的钢箍进行围裹加固处理)。

图2 试验完成后桩头现状示意Fig.2 Schematic diagram of pile head after completing the test

1.5 承载力判定标准

1.5.1 单桩竖向抗压极限承载力的确定

(1)以Q-S曲线的变化趋势确定。对出现陡降的Q-S曲线取发生明显陡降起点时的荷载值。

(2)以S-lgt曲线的变化趋势确定。对S-lgt曲线尾部出现显著弯曲的取上一级荷载值。

(3)如本级沉降量是上一级沉降量的2倍以上，且在24 h内不能保持稳定，取上一级荷载值。

(4)以Q-S曲线的变化趋势确定。对呈缓变的Q-S曲线取S=40 mm所对应的荷载值。

(5)对桩径D≥800 mm的桩，可以取S=0.05D(D为桩端直径)所对应的荷载值。

1.5.2 单桩竖向抗压极限承载力的计算方法

(1)当试验桩检测结果的极差小于等于平均值的30%时，取其平均值为单桩竖向抗压极限承载力。

(2)当试验桩检测结果的极差大于平均值的30%时，应结合具体施工情况、地基条件、桩型特点等综合分析偏差原因，确定极限承载力，必要时增加试验桩数量。

2 结果与分析

2.1 混凝土灌注桩试验结果

2.1.1Φ600 mm混凝土灌注桩试验

Φ600 mm混凝土灌注桩试验结果见图3-图5。

(1)1#试验桩最大加载量5 100 kN，最大沉降量25.75 mm。由于试验桩桩头未进行加固处理，桩头距顶部500 mm范围内未有箍筋，导致桩头提前出现破坏，如图3a所示Q-S曲线出现明显陡降段，试验终止，未达到试验目的。

(2)2#试验桩最大加载量5 950 kN，最大沉降量29.52 mm。试验桩桩头出现混凝土碎裂，如图4a所示Q-S曲线出现明显陡降段，取发生明显陡降起点时的荷载值5 100 kN为极限承载力。

(3)3#试验桩最大加载量7 650 kN，最大沉降量42.87 mm，试验桩桩头出现混凝土碎裂，如图5a所示Q-S曲线出现明显陡降段，取发生明显陡降起点时的荷载值6 800 kN为极限承载力。

该场地Φ600 mm混凝土灌注桩通过静载荷试验，1#桩头提前出现破坏，试验结果不能采纳；2#试验桩、3#试验桩桩头采取了包裹钢板加强处理措施，其试验结果可以参考采纳。将试验桩承载力检测结果进行统计分析，其数值极差未超过平均值的30%，确定将平均值QU=5 950 kN作为该试验桩的竖向抗压极限承载力。

图3 1#试验桩静载试验曲线Fig.3 Curve of static load test of 1# test pile

图4 2#试验桩静载试验曲线Fig.4 Curve of static load test of 2# test pile

图5 3#试验桩静载试验曲线Fig.5 Curve of static load test of 3# test pile

2.1.2Φ800 mm混凝土灌注桩试验

Φ800 mm混凝土灌注桩试验结果见图6-图8。

(1)4#试验桩最大加载量14 400 kN，最大沉降量48.04 mm。试验桩桩头混凝土被压碎，如图6b所示S-lgt曲线尾部出现显著向下弯曲，故极限承载力为11 200 kN。

(2)5#试验桩最大加载量16 000 kN，最大沉降量28.55 mm。试验桩桩头混凝土虽出现明显开裂，但如图7a所示Q-S曲线未出现明显陡降，桩的极限承载力应为16 000 kN。

(3)6#试验桩最大加载量12 800 kN，最大沉降量43.04 mm，试验桩桩头混凝土出现明显开裂，如图8b 所示S-lgt曲线尾部显著向下弯曲，故极限承载力为11 200 kN。

该场地Φ800 mm混凝土灌注桩通过静载荷试验，4#、5#、6#试验桩桩头采取了包裹钢板加强处理措施，将试桩承载力检测结果进行统计分析，其数值极差未超过平均值的30%，确定将平均值QU=12 800 kN 作为该类型桩的竖向抗压极限承载力。

图6 4#试验桩静载试验曲线Fig.6 Curve of static load test of 4# test pile

图7 5#试验桩静载试验曲线Fig.7 Curve of static load test of 5# test pile

图8 6#试验桩静载试验曲线Fig.8 Curve of static load test of 6# test pile

在此次试验桩静载试验中，两种规格的桩头都不同程度地出现了开裂现象，通过对试验数据及现场调查分析，造成此次试验桩头碎裂的原因有以下3点：① 由于基桩是在冬季浇筑施工，桩头未做保温，桩头混凝土强度在低温条件下增长缓慢，强度尚未完全达到设计要求；② 施工单位成桩过程中桩头部位箍筋缺失；③ 由于现场施工单位已撤场，桩头未做有效加固处理。

3 讨论与结论

高原寒冷地区由于受温度影响，正常工程建设时间有限，为保证按期完成项目，基桩静载试验有时会在0 ℃到-25 ℃条件下进行，对试验的准确性和可靠性带来了极大挑战。本文对高原冬季寒冷地区灌注桩极限承载力试验检测存在的问题进行了研究，由于冬季施工的不利影响，易造成试验桩桩头出现问题，影响静载试验结果。为了更加真实和准确反映基桩受力状态和承载力结果，需要施工单位在桩基冬季施工中采取以下处理方式：

(1)试验桩头部位进行加固处理，在距桩顶 1 倍桩径范围内，采用厚度为 3～5 mm的钢板围裹或距桩顶 1.5 倍桩径范围内设置箍筋，间距≤100 mm。桩顶应设置Φ8 mm钢筋网片2～3层，间距60～100 mm。桩身主筋顶部距离混凝土表面不小于100 mm。

(2)试验桩未提前进行加固处理的，则需凿除桩头软弱混凝土，浇筑制作满足试验要求的桩帽。桩帽高度宜为800～1 000 mm，桩帽截面呈正方形或圆形，边长或直径应大于等于桩径，桩身主筋应伸入桩帽内，并距离混凝土上表面100 mm，桩帽顶部应设置2～3层钢筋网片。

(3)采取必要的保温措施，保证桩头混凝土强度满足试验要求：措施一，搭设暖棚对桩头进行养护；措施二，将桩头包裹电热毯通电进行加温，保持适宜的温度养护，有利于混凝土强度的提高。

(4)由于冬季混凝土强度增长缓慢，为满足试验条件，试验桩桩头混凝土强度等级需比桩身混凝土提高 1～2 级，且不得低于 C30，并可加入早强剂，缩短养护周期。

(5)对于大吨位超长桩可以采用自平衡法[9]基桩检测技术，能避免桩头强度不足的问题。

需要注意的是，在进行基桩静载试验前应先通过低应变、基桩超声透射法等检测方法对桩身质量进行桩身完整性检测[10]，排除桩身自身缺陷造成的承载力影响。

寒冷冬季桩体周围土体浅层也会出现局部冻结情况，结合实践经验，对于大吨位基桩浅层冻土影响可以忽略不计。寒冷天气环境下基桩静载检测存在的问题是多变且特殊的，需要我们对实际出现的问题采取有效的手段加以解决，确保桩基工程的顺利进行[11]。本研究得到了一些经验做法，对高原冬季寒冷地区桩基试验具有一定的参考作用。关于其他影响因素，还需进一步在实践中研究解决。