基于安全性设计的整体式基桩大吨位竖向抗压静载试验装置

蔡煜煜 黄舜涛

（潮州市建设工程技术服务中心）

单桩竖向抗压静载荷试验是目前检测桩基承载力的各种方法中应用最广，且被公认为试验结果最准确、最可靠的一种，被列入各国桩基工程规范或规定中。我国的《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2011）规定，设计等级为乙级及以上的地基基础，其单桩承载力必须通过竖向抗压静载试验确定。桩基静载试验是一项复杂、大型的系统工作，其中，试验加载反力装置在整个试验系统中起到举足轻重的作用。随着工程建设水平的不断提高，桩基础正朝向大型化、高承载力的趋势发展，而基桩静载试验的加载极限需求也不断提高，试验安全风险凸现，试验现场安全事故时有发生。本着整体性、安全性的原则，对当前桩基检测行业普遍采用的组合式桩基静载压重平台进行系统改造，经严谨的理论验算、充分的应用验证，效果良好，值得在实践中推广应用。

1 桩基竖向抗压静载试验加载方式

传统的桩基竖向抗压静载试验中，作用于桩上的荷载由反力装置提供。反力装置的易用程度直接影响着试验过程的安全性和试验结果的准确性。常用的加载方式有堆载反力装置和锚桩反力装置。

1.1 压重平台反力装置

常见堆载反力装置就是在桩项使用组合钢梁设置一承重平台，上堆重物，依靠放在桩头上的千斤顶将平台逐步项起，从而将力施加到桩身。反力装置的主梁可以选用型钢，也可用自行加工的箱梁，平台形状可以根据需要设置为方型或矩形，堆载用的重物可以选用砂袋、水箱、混凝土预制块等。

1.2 锚桩横梁反力装置

锚桩反力装置是将被测桩周围对称的几根锚桩用锚筋与钢箱梁连接起来作为反力装置，桩顶的千斤顶通过主梁将反力装置顶起，由被连接的锚桩提供反力，提供反力的大小由锚桩数量，钢箱梁反力架强度和被连接锚桩的抗拔力决定。锚桩反力装置不会受现场条件和加载吨位数的限制，通常需另外施工试验专用的锚桩，经济性和时效性较差，实践中应用较少。

1.3 其它反力装置

另外还有一些其它反力装置比如描桩反力装置、堆重平台联合装置，以及利用现有建筑物或特殊地形提供反力的。

实际上，长期以来，在工程实践中应用最广泛的加载装置还是传统的重物堆载压重平台反力装置。在广东，最传统、最常见的堆载反力装置由组合式钢制反力平台和混凝土配重自由堆叠组成（如图1），组合平台中主梁与次梁没有锁固，呈自由叠放状态，存在巨大的安全隐患。特别是试验桩，经常为破坏性试验，当试验桩破坏时，大部分堆载重量将瞬间完全由反力装置承担，倾倒的概率更大，容易引发安全事故。

图1 压重平台反力装置

2 传统的堆载反力装置的安全问题

由组合式钢制反力平台和混凝土配重自由堆叠组成的传统反力装置，存在诸多安全隐患，主要表现在：

平台松散搭设，无论是主梁还是次梁、支墩，全部自由叠放，未作锚固、锁定，整体性、稳定性差，易出现滑移、倾覆、垮塌。

作为压载配重的混凝土预制块，没有限位或锁定的构造设计，一旦出现堆叠不规范、地基不均匀沉陷、平台过载变形等情况，易导致混凝土预制块散落、垮塌、倾覆，产生检测安全事故。

大吨位桩基竖向抗压静载试验对场地要求较高，检测单位作为第三方技术服务机构，提出的试验场地处理技术要求常得不到满足。敷衍处理的地基给整个反力平台的搭设带来各种安全隐患，例如，地基软弱引起的不均匀沉降容易使平台失去平衡，从而造成平台的倾覆、垮塌。

为了在尽量节省钢材、减轻自重的前提下提高反力平台的承载能力，常见的技术措施是提升主梁的高度。例如，某检测机构3000T 级的组合式钢制反力平台，采用三根规格为12m×1.8m×0.7m 的钢箱梁并排作为主梁，主梁净高达到1.8m，这种结构形式虽提高了平台的承载能力，却因抬高了平台重心而牺牲了平台的稳定性，且增加了吊装的难度和危险性。甚至发生过吊装过程主梁失稳倾覆、吊装辅助工人被钢箱梁覆压身亡的惨剧。

3 基于安全性设计的整体式反力平台

为改进传统反力装置松散组装、整体性差、易倾覆倒塌的缺点，尽可能消除检测现场安全隐患，确保人员和设备安全，我们设计制造了一款整体式安装、易组装拆卸的反力平台。平台设计极限堆载荷载20000kN，基本满足房屋建筑与市政工程桩基竖向抗压静载试验的技术要求。

3.1 平台尺寸与材质

⑴平台尺寸：钢平台展开面积为10m×8m=80m2，次梁两端搁置于支墩上，主梁置于次梁之上，通过高强螺杆连接锁固成为整体，未加载时主次梁间为脱离状态。

⑵平台材质：主梁、次梁均为钢梁，采用Q345B 钢材。按《钢结构设计标准》（GB50017-2017），Q345 钢材的强度设计值取值如见表1。

表1 选用钢材强度参数值一览表

⑶配重：平台的配重采用钢筋混凝土预制构件，设计强度等级为C35，目的是为提高构件抗撞击能力，减少吊装过程碰撞破损率，延长构件使用周期。构件外观尺寸为1m×1m×2m，单块2m3，重量为5000kg。

3.2 平台各组合部件的构成

⑴主梁1 根：规格为10m×0.75m×1.6m 钢箱梁，为提高主梁刚度和承重能力，箱体内部增设两片通长等高钢板作为加劲肋板，中间4m 范围内横向均布多道加劲肋板。

⑵次梁4根：规格为8m×3m×0.56m栅栏式板梁，其中预留栅栏的中空间隔主要用来锚固螺杆。

⑶高强螺杆24 根，规格为φ45，如图2 所示，下端穿过次梁，上部枕头，通过螺杆将主梁和次梁锁定成为一个整体式平台。

图2 整体式静载试验装置竖向布置设计图

⑷支墩4 个：规格为2.5m×2.2m×315mm，主要起整平作用，为次梁提供可靠支撑。

3.3 平台组装方法

反力平台组装后其展开面积达到，配合混凝土预制块交叉码放。平面按正方形布置，第一层混凝土试块沿主梁方向码放，第二层交错码放，逐层堆码，隔层丁顺结合，高宽比不超过1.5，平台组装完成后的外观见图2。

3.4 平台力学性能分析

平台设计目标检测荷载2000kN,极限堆载25000kN，各组成部件受力分析如下：

3.4.1 平台次梁受力分析

平台面积A= 10 × 8 = 80m2，故面荷载为q== 250kN/m2，最不利板梁受荷为D=qS= 250 ×8 × 3 = 6000kN，故次梁线荷载q1==750kN/m，平台次梁受力分两种情况：

⑴平台在堆载时，次梁两端支撑于两墩上，受力情况如图3所示。

图3 次梁两端支撑于两墩上的受力情况

支 座 剪 力QA左=q1L1= 750 × 1.15 = 863kN，QA右=RA-QA左= 3000 - 863 = 2137kN

⑵次梁在静载工作时最不利情况即次梁被主梁顶起,两端脱离支墩时，受力情况如图4所示。

图4 两端脱离支墩时的受力情况

3.4.2 次梁承载力验算

根据上面两种情况的内力分折次梁的最大弯矩和剪力分别为：

剪切强度：

3.4.3 平台主梁内力分析

平台面满载q= 250kN/m2

故主梁线荷载q2=qL= 250 × 8 = 2000kN/m2，主梁受力情况图5所示。

图5 主梁受力情况

支座反力RD= 2q2L3= 2 × 2000 × 5 = 20000kN支座弯矩：

支座剪力：

3.4.4 主梁承载力验算

根据上面内力分析，主梁的最大弯矩和剪力分别为：

根据上述计算结果，该反力平台的主要受力构件(主梁，次梁)均能满足受力要求，而且结构合理、安全稳定。

4 结语

整体式竖向抗压静载试验反力平台是一种全新的压重平台反力装置，具有诸多优点，在静载试验的安全性中将发挥重要作用。本文仅以2000kN 的压重反力平台装置举例介绍，具有极大的推广价值，可为同类工程提供借鉴与参考。