自平衡法钢管桩试桩自平衡测试方案.docx
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自平衡法钢管桩试桩自平衡测试方案
自平衡法钢管桩试桩方案
南京东大自平衡桩基检测有限公司
二零一七年二月
1概述
1.1试桩概况
某工程钢管桩试桩方案设计，钢管桩试桩共分3组。
分别布置于三个通航孔桥附近。
A组试桩位于北通航孔桥附近，对应地勘钻孔为SZZK3，试桩桩径1.6m。
B组试桩位于南通航孔桥附近，对应地勘钻孔为SZZK1，试桩桩径1.8m。
C组试桩位于主通航孔桥附近，对应地勘钻孔为SZZK2，试桩桩径2m。
其中A、B、C三组均采用自平衡测试，B组同时进行水平承载力测试。
试桩有关参数见表1.1-4。
试桩平面布置图见图1.2-1、1.2-2、1.2-3。
表1.1-1A组试桩钢管桩参数一览表
编号
承台底标高
桩底标高
桩端持力层
（m）
（m）
试桩（1.6m）
+2.50
-95.50
2
强风化凝灰岩
表1.1-2B组试桩钢管桩参数一览表
编号
承台底标高
桩底标高
桩端持力层
（m）
（m）
试桩（1.8m）
+2.50
-99.00
⑧2
试桩（1.8m）
水平反力桩（1.8m）
+2.50
-74.00
2
水平反力桩（1.8m）
表1.1-3C组试桩钢管桩参数一览表
编号
承台底标高
桩底标高
桩端持力层
（m）
（m）
试桩（2.0m）
+2.50
-108.00
⑧1
硬塑，粉质黏土
1.2试桩位置布置图
图1.2-1A组试桩位置布置图
图1.2-2B组试桩位置布置图
图1.2-3C组试桩位置布置图
1.3工程地质情况
本次试桩位置采用的地质钻孔号资料见表1.4-1、1.4-2、1.4-3。
表1.4-1SZZK1号孔地质土层参数表
地层编号
岩土名称
层厚
岩性描述
承载力基本
容许值[fa0]
（kPa）
钻孔桩侧摩阻力标准值qik（kPa）
沉桩桩端承载力标准值qrk（kPa）
沉桩桩侧摩阻力标准值qik（kPa）
①4
淤泥质粉质黏土
4.9
流塑
50
12
15
②1
淤泥质粉质黏土
16.2
流塑
55
12
18
③1
粉土
7.7
密实
130
35
45
③3
粉质黏土
2.5
流塑
100
25
30
④1
粉质黏土
14.2
软-可塑
200
50
1800
60
⑤2
粉质黏土
5.0
可塑
160
50
1500
55
⑥1
粉质黏土
7.4
可塑
250
65
2400
70
⑥2
粉质黏土
4.1
可塑
200
55
2000
60
⑦2
粉质黏土
12.8
硬塑
220
60
2200
65
⑧1
粉质黏土
8.4
硬塑
280
70
3000
80
⑧2
粉质黏土
14.7
硬塑
300
75
3200
85
⑧3
粗砂
1.6
密实
350
90
5500
100
⑩1
全风化凝灰岩
1.0
岩芯呈砂土状
280
75
3000
80
表1.4-2SZZK2号孔地质土层参数表
地层编号
岩土名称
层厚
岩性描述
承载力基本
容许值[fa0]
（kPa）
钻孔桩侧摩阻力标准值qik（kPa）
沉桩桩端承载力标准值qrk（kPa）
沉桩桩侧摩阻力标准值qik（kPa）
①3
淤泥
10.0
流塑
②2
淤泥质粉质黏土
16.5
流塑
60
15
20
②4
粉土
13.0
中密-密实
130
35
45
④2
粉质黏土
7.7
软塑
130
35
1000
40
⑤1
粉质黏土
8.8
可塑
220
60
2200
65
⑥1
粉质黏土
7.1
可塑
250
65
2400
70
⑦1
粉质黏土
10.1
可塑
260
70
2500
75
⑦2
粉质黏土
10.2
可塑
220
60
2200
65
⑦3
粉土
3.9
中密-密实
220
60
2800
70
⑧1
粉质黏土
9.2
硬塑
280
70
3000
80
⑧3
砾砂
3.1
密实
400
90
5500
100
表1.4-3SZZK3号孔地质土层参数表
地层编号
岩土名称
层厚
岩性描述
承载力基本
容许值[fa0]
（kPa）
钻孔桩侧摩阻力标准值qik（kPa）
沉桩桩端承载力标准值qrk（kPa）
沉桩桩侧摩阻力标准值qik（kPa）
①4
淤泥质粉质黏土
3.0
流塑
50
12
15
②2
淤泥质粉质黏土
22.0
流塑
60
15
20
③2
粉质黏土
10.0
软塑
80
20
25
④1
粉质黏土
2.6
可塑
200
50
1600
50
④3
粉土
8.5
中密
180
50
2300
55
⑤1
粉质黏土
3.3
可塑
220
60
2200
65
⑥1
粉质黏土
10.3
可塑
250
65
2400
70
⑥3
粉土
3.3
密实
200
55
2500
65
⑧1
粉质黏土
5.8
硬塑
280
70
3000
80
⑨2
粉质黏土
10.2
硬塑
400
90
7000
100
⑩2
强风化凝灰岩
2
岩芯呈砂土状
500
110
8000
120
1.4试验目的
本工程钢管桩桩基础直径大、入土深度大、承载力要求高。
为确保工程设计和施工地安全可靠，需要在工程实施前在工程海域进行足尺的桩基施工工艺和承载力试验。
主要实验目的如下：
A、自平衡法试桩目的：
（1）检验本项目的工程地质勘察成果，测定钢管桩桩侧各土层的分层摩阻力和桩尖端阻力，以便确定桩基合理的持力层；
（2）分析钢管桩的桩端闭塞效应；
（3）测定钢管桩在设计荷载范围内的桩顶轴向反力系数；
（4）根据打桩资料和承载力测试结果，为制定工程打桩停锤标准提供依据；
（5）验证泥下区磨砂型防腐涂层面层对桩侧摩阻力的提高作用；
（6）实测打桩后试桩区周围泥面施工期间在水流变化冲刷作用下的泥面标高变化和范围。
B、水平静荷载试验目的：
（1）确定桩的水平极限承载力；
（2）分项确定不同水平荷载作用下的地基土的水平反力系数随深度变化的比例系数m，并给出泥面位移为10mm时所对应的m值的推荐值。
1.5试验依据
1．《港口工程桩基规范》（JTS167-4-2012）；
2．《港口工程基桩静载荷试验规程》（JTJ255-2002）；
3.《港口工程桩基动力检测规程》（JTJ249-2001）；
4．《公路桥涵施工技术规范》（JTG/TF50－2011）；
5．《建筑桩基技术规范》（JGJ94-2008）；
6．《基桩静载试验自平衡法》（JT/T738-2009）；
7.《工程钢管桩试桩设计》；
8．《海上固定平台规划设计和建造的推荐做法工作应力设计法》（SY/T10030-2004）。
2自平衡法试验
2.1试验原理
（1）自平衡法：
自平衡法是东南大学教授龚维明博士的专利技术，钢管桩自平衡测桩法是在桩身平衡点位置安设自平衡专利产品—荷载箱，与钢管桩焊接成整体沉桩。
测试时将预埋的位移量测装置与荷载箱连接，通过高压油泵沿垂直方向加载，即可同时测得荷载箱上、下部钢管桩各自承载力，如图2.1-1所示。
图2.1-1钢管桩承载力自平衡试验示意图
2.2测试仪器设备
2.2.1加载设备
（1）每根试桩采用一个环形荷载箱—专利产品，荷载箱由南京赛宝液压设备有限公司生产（该公司是龚维明自平衡法用荷载箱专利产品唯一指定生产厂）。
行程20cm，其加载值的率定曲线由计量部门标定。
荷载箱的埋设位置根据现场地质资料确定。
（2）高压油泵：
最大加压值为60MPa，加压精度为每小格0.5MPa，其压力表亦由计量部门标定。
2.2.2位移量测装置
（1）电子位移传感器（图2.2-1所示）
量程50mm（可调），每桩6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，2只用于量测桩顶向上位移。
由计量部门标定。
图2.2-1加载用电子位移传感器
（2）电脑及数据自动采集仪一套（图2.2-2）
图2.2-2笔记本电脑及数据采集仪
（3）应力量测装置（所有试桩）
本工程采用准分布式光纤光栅感测技术（FBG）来实现。
准分布式光纤光栅感测技术（FBG）主要通过将光纤光栅应变片封装成多种不同类型的光纤光栅传感器，布设安装到被测物体上，实现被测物的多种变形参量的测量。
准分布式光纤光栅感测技术（FBG）不仅可以实现静态应力应变监测，而且可以实现实时动态监测桩身的动应力及加速度变化。
准分布式光纤感测技术监测方案具有以下优势：
1）抗零飘，耐久性好，适于长期监测。
制作光纤的材料石英具有极高的化学稳定性，能在较恶劣的环境中使用，耐久性好。
2）抗电磁干扰。
一般电磁辐射频率比光波频率低许多，所以在光纤中传输的光信号，不受电磁场干扰的影响；
3）安全性好。
光纤传感器是无电源驱动的调制器，具有本质安全的特点。
4）传输距离长，易于组网。
多个传感器之间可以实现串联，可尽量减少光纤的根数，易于实现由单点测量到多点同时测量的准分布式自动化在线监测。
针对本次施工的现场条件和桩型特点，传感光缆的安装及防护处理如下：
①光缆安装
Ⅰ定线。
根据传感光纤的受力特点，要确保所铺设的传感光纤与桩身的受力方向一致，所以要先将铺设线路在结构物上标注出来，即定线方向要与钢管桩的轴向方向一致。
Ⅱ打磨。
钢管桩露置在空气中表面会生成红褐色铁锈，铁锈具有疏松结构，直接将光纤铺设在其上将对监测结果产生较大影响，通过打磨可以有效去除铁锈，使传感光纤更好的与钢管桩内侧表面粘结。
Ⅲ除尘。
打磨等活动产生的尘屑会影响后期的粘贴剂效果，因此需要对打磨后的钢管桩表面进行清扫除尘。
Ⅳ定点铺线。
将传感光纤平铺在打磨面上，并用点焊机以“定点”的方式固定传感光纤。
Ⅴ全面粘贴。
沿铺设线路使用环氧粘结剂以“全面粘贴”方式将传感光纤覆盖，使其与打磨面牢固粘贴。
环氧粘结剂发挥作用需要一定的时间，常温下粘结剂需要4个小时初步发挥作用，24小时完全固化。
②光栅传感器保护
Ⅰ采用8号角钢（80mm*80mm*8mm）保护。
因钢管桩在沉桩过程中振动锤击方式打入土层中时，桩土间的动态摩擦力会使传感光纤受摩擦挤压后脱落，因此在钢管桩两侧各焊接一条角钢对传感光纤进行保护。
Ⅱ出线光缆的保护。
采用专用夹具，将光缆中的纤芯转为高强度的铠装光缆进行保护引出，便于后续的光缆接续。
Ⅲ引线固定保护。
在桩顶内侧焊接四根钢条，用于固定延长光纤盘绕固定，并在盘绕光缆上覆盖石棉布，用于隔离焊接过程中产生的焊渣。
2.3试验规范
本次参照《港口工程桩基规范》（JTS167-4-2012）及《基桩静载试验自平衡法》（JT-T738-2009）进行。
2.3.1试验程序
桩基载荷试验应尽量选在无波浪和平潮期进行，以减少波浪力、水平力对试验的影响。
本次试验拟采用快速维持荷载法。
每级荷载维持时间不小于1h，当桩顶沉降速率达到稳定标准为止，再施加下一级荷载。
2.3.2加、卸载分级
（1）加载分级：
每级加载值为预估极限承载力的1/10；
（2）卸载分级：
卸载分5级进行。
2.3.3观测程序
（1）加载量测：
每级加载后在第1h内应在5、15、30、45、60min测读一次。
电子位移传感器连接到电脑，直接由电脑控制测读，同时在电脑屏幕上显示Q-s曲线、s—lgt曲线和s—lgQ曲线。
（2）卸载量测：
每级荷载维持15min，沉降测读时间为第5、15min，卸载至零后测读1h，测读时间为第5、15、30、60min。
（3）抗压终止加载条件：
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。
取此终止时荷载小一级的荷载为极限荷载。
2）总位移量大于或等于40mm，本级荷载加上后24h未达稳定，加载即可终止。
取此终止时荷载小一级的荷载为极限荷载。
3）总位移量小于40mm，但荷载已达到压力箱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。
2.3.4试验数据的分析、整理
2.3.4.1基桩轴向应力测试
为了测定桩身轴向力PZ与钢管桩所受力Pi的关系，假定距荷载箱位置最近的断面为标准断面（标定断面），通过标定断面实测桩身应力—应变关系，便可计算其它量测断面的桩身轴向力PZ值。
由于标定断面距荷载箱位置较近，因此标定断面上的桩身轴向力近似等于荷载箱处荷载Q。
据此便可计算出标定断面处钢管桩应力计所受的压应力
，同时通过光栅也能实测到钢管桩在荷载作用下的压应力
。
2.3.4.2单桩极限承载力判断标准
实测荷载箱向上（Q+—s+）、向下（Q－—s－）两条曲线，根据位移协调原则，转换成传统桩顶Q—s曲线，如图2.3.4.2所示，等效转换曲线判断试桩极限承载力。
图2.3.4.2转换示意图
2.3.4.3数据分析整理内容
（1）各试桩的P～S曲线的实测数据及加载、卸载曲线。
（2）各试桩桩侧分层摩阻力和桩尖阻力的分析推荐意见，并提供各桩轴向力沿桩身分布曲线。
（3）各试桩的垂直抗压极限承载力。
2.2试验仪器与设备
1荷载箱及千斤顶：
荷载箱由南京赛宝液压设备有限公司生产，加载值的率定曲线由计量部门标定。
②高压油泵：
最大加压值为60MPa，加压精度为每小格0.4MPa，其压力表亦由计量部门标定。
3水平向荷载试验
3.1试验方法简介
B组钢管桩水平承载力测试采用对顶法，将1#、2#、3#、4#辅助桩相连成整体作为工作平台，用卧式千斤顶对试桩与水平测试反力钢管桩同时施加荷载，研究钢管桩水平荷载时的承载性能。
如图3.1-1所示。
检验和确定试桩的水平承载能力是试验的主要目的，试桩的水平承载力可直接由水平荷载和水平位移曲线判定，亦可根据实测桩身应变来判定。
通过桩身埋设的量测元件，可以较精确求得各级水平荷载作用下桩身弯矩的分布情况，从而检验桩身强度，推求不同深度弹性地基系数提供依据。
图3.1-1水平载荷试验示意图
3.2试验桩的布置及试验安排
3.2.1试验桩布置
图3.2.1试桩试验连接布置图
3.2.2试验桩安排
钢管桩水平推力试验最大加载荷载值（不小于800kN）。
考虑到整个平台进行多项试验内容，将1#、2#、3#、4#四根辅助桩用I32a工字钢相连焊接成整体作为试验平台（试验仪器及设备共计重量1000kg左右，施工单位搭设平台时应考虑试桩和反力桩与平的间距，满足水平位移试验的需要，确保水平力方向钢管桩的外侧预留50cm间距。
也要考虑整个试验平台的稳固、安全）。
试验桩布置方式：
利用2#、4#辅助桩作为基准桩架设基准梁进行测试，试桩在做水平推力试验时，在试桩与反力桩之间设置卧式千斤顶进行对顶进行试验，见图3.2.2-1所示。
具体现场施工沟通布置。
图3.2.2-1水平千斤顶布置图
3.3试验仪器与设备
（1）加载设备
①卧式千斤顶：
卧式千斤顶由南京赛宝液压设备有限公司生产，其加载值的率定曲线由计量部门标定。
为保证千斤顶施加作用力水平通过桩身轴线，千斤顶与桩接解面处安装球形铰座。
图3.3卧式千斤顶
②高压油泵：
最大加压值为60MPa，加压精度为每小格0.4MPa，其压力表亦由计量部门标定。
③传力杆、滚轴、球形铰座等加载辅助工具。
（2）位移量测装置
①电子位移传感器：
量程50mm（可调），每根桩8只，通过磁性表座固定在基准钢梁上。
2只下表用于量测桩体作用力水平面水平位移；
2只上表用于量测桩体作用力水平面以上100cm处水平位移；
2只下表用于量测作用力水平面桩体背面水平位移；
2只上表用于量测作用力水平面桩体背面以上100cm处水平位移；
②电脑及数据自动采集仪一套。
（3）弯矩量测装置
弯矩用光纤传感器及测斜管量测，测斜仪计由计量部门提供标定记录。
①对称布置2条光纤传感（水平轴力方向布置）。
②对称布置2根43m测斜管（水平轴力方向布置）。
3.4试验程序
本次参照《港口工程桩基规范》（JTS167-4-2012）单向单循环水平维持荷载法进行。
（1）加、卸载分级
加载分级：
加卸载均应分级进行，加载时每级级差可取预计最大荷载的1/10，卸载时可取2倍加载级。
卸载分级：
卸载亦分5级进行，每级卸载量为二个加载级的荷载值。
（2）观测程序
①加载量测：
每级荷载维持20min，第5、10、15、20min测读；电子位移传感器连接到电脑，直接由电脑控制测读，同时在电脑屏幕上显示Q-s曲线、s—lgT曲线和s—lgQ曲线。
②卸载量测：
卸载时，每级荷载维持10min，第5、10min测读；卸载到零后，维持30min，第10、20、30min测读。
③终止加载条件：
a）达到试验要求的最大荷载或最大位移（泥面处最大位移按照50mm控制）；
b）在某级荷载作用下，桩顶水平位移急剧增加、位移速率明显增大。
3.5试验数据的分析与整理
（1）提供水平力-力作用点位移（H-Y）关系曲线、水平荷载-时间-位移H-t-Y曲线、
水平力-位移梯度（H-ΔY/ΔH）关系曲线和水平力-力作用点位移双对数曲线（lgH-lgY）关系曲线；
（2）提供水平荷载-水平地基反力H-kN曲线、水平荷载-地基土水平抗力系数的比例系数H-m曲线、水平地基反力-位移P-Y曲线簇，绘制桩身弯矩分布曲线、桩身挠度变形曲线、桩顶或泥面处转角的变换曲线；
（3）提供单桩水平极限承载力，单桩的水平极限承载力可根据下列方法综合确定：
1）取单向单循环加载法时的H-t-Y0曲线或慢速维持荷载法时的H-Y0曲线产生明显陡降的起始点对应的水平荷载值。
2）取慢速维持荷载法时的Y0-lgt曲线尾部出现明显弯曲的前一级水平荷载值。
3）取H-ΔY0/ΔH曲线或lgH-lgY0曲线上第二拐点对应的水平荷载值（钢桩取第一折点）。
4施工配合的内容及要求
4.1试桩的施工
试桩除严格满足规范以及设计院要求外，由于自平衡测桩法的需要，自平衡试桩施工时应注意以下几点：
（1）荷载箱运输至钢管加工现场时，装卸应轻吊轻放，避免碰撞，以免油管及位移装置损坏。
（2）确定荷载箱位置，荷载箱与钢管桩对接时上下段钢管桩要求300外坡口焊接（施工单位负责焊接）。
（3）高压油管及位移丝用8号角钢（80mm*80mm*8mm）保护分布傍焊在钢管桩内壁上（与光纤保护共用），从荷载箱位置一直傍焊至距桩顶1.0m处，焊接要求为每间隔50cm焊接10cm焊缝（施工单位负责焊接）。
（4）桩身内力测试：
A组试桩（自平衡法），在钢管桩内侧采用8号角钢布置3条从桩底部至桩顶的角钢保护光纤传感器（其中一条是保护位移丝及油管）。
B组试桩（自平衡法）试桩，在钢管桩内侧采用8号角钢布置3条从桩底部至桩顶的角钢保护光纤传感器。
B组试桩（水平推力试验）在试桩与反力桩水平力方向钢管桩内侧各布置一根长43m，规格16号角钢（160mm*160mm*10mm）用作保护测斜管，检测桩身的弯矩，要求傍焊在钢管桩内壁上，角钢两边的焊缝要求满焊密封，沉桩时定位确保试桩与反力桩的测斜管位置在同一水平轴线上，建议这两根桩在出厂前做好定位标记，在平台搭设好后先下放测斜管，再对测斜管外侧角钢内侧缝隙部分注浆固定测斜管。
C组试桩（自平衡法）试桩，在钢管桩内侧采用8号角钢布置3条从桩底部至桩顶的角钢保护光纤传感器。
所有8号角钢焊接要求相同（施工单位负责焊接）。
（5）每根试桩钢管桩内布置了元器件保护角钢，在焊接设计内剪力环时需要将剪力环与保护角钢位置处理过度（现场沟通）。
（6）焊接完成后，整体起吊时，避免直接起吊荷载箱位置，四根试桩荷载箱距桩端向上3m及10m和10m位置，必须在荷载箱上部和下部位置设置吊点，计算吊点位置，保证钢管桩起吊应水平吊起转场。
（7）准备打桩时将荷载箱位置的16根保护钢板其中12根割断，割断方式沿管壁从上向下切割至打开处，另外4根不割断，从内向外切割保留2cm即可（现场指导）。
（8）打桩过程中也要注意保护高压油管及位移装置的安全，避免挤压碰撞损坏！
（焊接时现场沟通）
（9）防风蓬架设：
根据现场实际情况布置防风蓬，防风蓬采用Φ60钢管焊接固定在平台上，外侧用油布围挡，要考虑稳定及安全（现场沟通商量布置，施工单位确定）。
（10）测试期间应保证不间断供电（380V、220V两种电源），试桩周围50米内不得有较大的振动（施工单位确定）。
（11）现场操作以施工前的技术交底为准。
表4.1试桩试验材料参数表
名称
规格
长度（m）
小计（m）
重量（kg/m）
共计
（kg）
测斜管保护角钢
16号角钢
160mm*160mm*10mm
43
43*2/根=86
24.729
2126.69
位移丝保护及光纤角钢
8号角钢
80mm*80mm*8mm
1420
1420（5根桩）
9.658
13714.36
基准梁
I32a工字钢
12
12*3/平台=48
52.717
2530.42
基准桩
I32a工字钢
6
6*6/平台=36
52.717
1897.81
防风蓬架
Φ外径60mm*3.5mm钢管
8m长*4m宽*2m高
80
80*2/平台=160
4.88
780.8
防风蓬油布
8m长*4m宽*2m高
100m2
施工配合
钢管桩内侧角钢、平台、基准梁、防风蓬焊接、测斜管压浆
等由施工单位负责
4.2基准梁架设
1）布置基准梁，采用I32a工字钢。
基准梁长度暂定为12.0m（见图4.2-1）。
2）为尽量减少试桩时外部因素的影响，须搭设防风蓬架（保护罩），确保测试时仪表不受外界环境的影响，（施工单位负责搭设）（见图4.2-2）。
3）检查荷载箱是否正常工作，仪器初调。
图4.2-1竖向承载力自平衡试桩示意图
图4.2-2竖向承载力基准梁架设
6本工程投入的仪器设备
表6仪器设备一览表
序号
设备名称
型号
单位
数量
1
荷载箱
HZX1-HZX4
南京赛宝液压设备有限公司生产
套
4
2
卧式千斤顶
WFYG-1000
南京赛宝液压设备有限公司生产
套
1
3
高压油泵
OVM
台
2
4
电子位移传感器
WDL-50T
只
12
5
数据采集仪
ZPH-8
台
2
6
电子传感线
dy
米
100
7
电缆线
dy
米
50
8
笔记本电脑
Lenovo
台
2
9
光纤光栅解调仪
MOI-SM125
台
1
10
综合采集仪
BGK-8210
台
1
升级会员 