京津城际轨道交通工程基桩静载试验报告.docx

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京津城际轨道交通工程基桩静载试验报告

基桩静载试验技术

在京津城际轨道交通试验段的应用

1、简介

京津城际轨道交通试验段，起讫里程为DK84+000～DK94+000全长10011.22km，试验段包括永定新河特大桥一段,总长9800.99m，施工里程：

DK84+210.22～DK94+000,路基施工里程：

DK84+000～210.22,总长210.22m。

试验段为京津城际全线的“试验田”，应全方位对设计进行验证，根据试验段地质情况，xxxxx选择具有代表性路段进行了单桩竖向静载试验。

其具体位置在DK84+163.22和DK84+190.22（桩径0.45m，桩长30m）做了打入管桩单桩竖向静载试验，在DK84+027.47和DK84+147.47（桩径0.4m，桩长26m、30m）做了CFG桩单桩竖向静载试验，在DK87+660、DK89+700、DK90+995、DK93+650做了钻孔桩单桩竖向静载试验。

试验过程中我局工程技术人员和德方专家紧密合作，刻苦攻关，确保了各项试验工作的顺利进行。

本文就本工程的主要试验项目进行系统介绍。

2、试验目的

2.1、测定单桩竖向荷载作用下的荷载及变形特征；

2.2、测定桩的分层侧阻力和端阻力；

2.3、测定单桩水平荷载作用下桩的变形特征、桩周土的抗力特征。

3、试验原理

3.1、基桩静载试验是通过反力装置对试验桩进行施加定向荷载（包括竖向抗压、抗拔，水平推力），通过测定特定荷载作用下桩的相应变形（包括抗压桩的沉降量、抗拔桩的上拔量、水平推力作用下桩的水平位移量等），分析获得所需要的有关桩的目的参数，例如桩的承载力、应力分布、桩周土的抗力参数等。

3.2、反力装置可采用堆载法和锚桩法，加载通过千斤顶完成。

沉降通过安装在桩顶的位移计和安装在地面上的稳定支架完成。

当桩在荷载力作用下，桩身连同桩头上位移计必然产生向下运动，安装在地面上的稳定支架固定不动且阻止了应变计的运动，这样使的应变计的滑动杆产生压缩，准确测定桩的沉降量。

3.3、桩身内力通过安装在桩身不同截面钢筋上的钢筋应变计测定桩身内力，推定桩侧摩阻力。

当对桩顶施加荷载时，力会沿着桩顶向下传播，在传递的过程中，荷载的一部分被桩侧摩阻抵消，另一部分沿着桩身继续向下传播。

两个断面内力的差值为该段的侧摩阻。

桩身内力通过安装在桩身钢筋上的钢筋应变计测定截面的应变结合混凝土的弹性模量推定。

4、试验设备

试验设备应根据试验桩的极限荷载力选择试验设备

4.1、锚桩法：

（见图1：

单桩静载试验图）

4.1.1反力装置——锚桩横梁组合反力装置，可采用双锚桩或多锚桩结构，确保反力梁的承载力大于最大试验荷载的1.2倍。

4.1.2加荷及观测系统——加荷系统：

由于试验荷载比较大，一般采用并联千斤顶方式加载，为保证液压系统稳定可靠，一般设计最大力时，不应超过加荷系统额定压力的80%，油路系统应密闭性良好。

测力系统反馈及时控制准确。

为了使每个千斤顶受力均衡，应选择集中泵站，电动油泵应满足荷载要求。

4.1.3观测设备——荷载采用工作站系统控制精度优于1%的力传感器实现加、卸载；沉降（或变形）观测由工作站按照程序设定自动采集沉降（或变形）数据。

4.1.4基准装置——沉降和位移测量的基准点是测试支架，支架在距试验桩2.5XD（至少2.5m处），基准点支架采用静定支撑，在试验过程中避免振动和单面的太阳直射。

在试验前后以及每个分级加载后等沉降稳定后采用高精度水准仪对基准点进行检测。

4.1.5桩身变形及桩身内力观测系统——桩身内力通过预先在桩身安装的钢弦式钢筋应力计（或者钢筋应变计）进行测定；水平推桩时桩身水平位移采用加速度传感器测定。

4.2、堆载法

堆载法一般适用于荷载较小（或者无法采用锚桩法提供反力）的试验桩，加荷及观测系统同锚桩法，反力装置主要由反力梁、配重及配重平台（本方法在打入管桩和CFG桩上使用）。

采用堆载法静载试验时，配重的选择应因地适宜，可选择钢锭、混凝土预制块、水箱、土袋等。

京津项目我们采用的是混凝土预制块，安装时在四个支座各放5块混凝土预制块，把预制块同配重平台进行连接，使支座作为配重的一部分，再在平台上加放配重（见图2）。

这样做一可以扩大重物的接地面积，降低地基单位面积承受的荷载，使地基本身变形对试验的影响降低到最小；二是降低了堆载重物的重心，堆载后整体的抗倾覆性能大大提高，试验过程更加安全。

5、试验桩及锚桩设计

5.1、试验桩的设计

试验桩一般应同工程桩一致，但应注意以下两点：

5.1.1桩头应作处理，为避免试验桩桩头在施加荷载时损坏，应对桩头作处理，一般的作法是：

①应将桩头混凝土的破碎层和软弱层凿去；

②桩头顶面应平整，桩头中轴线与桩身上部的中轴线应重合；

③桩头主筋应全部直通桩顶混凝土保护层之下，各主筋应在同一高度；

④距离桩顶1倍桩径范围内，采用厚度为3～5mm的钢板围裹或距桩顶1.5倍桩径范围内设置箍筋，间距不宜大于100mm。

桩顶应设置钢筋网片2～3层，网片材料φ8～10钢筋，网眼尺寸50mm×50mm，层间距60～100mm；

⑤桩头混凝土强度等级宜比桩身混凝土提高1～2级；

⑥试验时桩身混凝土强度应达到设计要求（夏季时混凝土灌注大约2～3周后，并用同条件混凝土抗压强度试件验证）。

5.1.2京津城际轨道交通工程基桩设计中，基桩上下桩身钢筋的配筋率不等，为了保证试验桩内力测试和计算的准确性，试验桩采用了等截面配筋率设计（即完全按照上部桩身配筋率配筋）。

5.2、锚桩设计

为了便于施工一般锚桩的直径应同试验桩的直径相同，按照预计最大加载量演算锚桩长度，这样可以保持施工机械一致性，方便钻机的施工。

5.2.1锚桩配筋原则

①锚桩配筋应满足1.5倍最大加载量（Ru）的要求，以保证试验过程的安全。

②锚桩钢筋间距应与混凝土粗骨料粒径相适应，避免主筋间距过小影响桩身混凝土灌注质量，同时适当的主筋间距也有利于焊接操作。

③锚桩的最大抗拔力（Uk）应尽可能保留足够的储备量，一般不应低于最大加载量（Ru）的1.5倍。

锚桩最大抗拔力Uk可根据地层情况和加载量Ru要求按下式进行演算。

1.5Ru≤Uk=∑λi·qsik·ui·li。

Uk――基桩抗拔极限承载力标准值；

λi――抗拔系数，根据本工程的地层情况，取0.6～0.8；

qsik――桩侧表面第I层土的极限侧阻力标准值，根据勘察资料取定；

ui――桩周长；

li――第I层土的厚度。

5.2.2锚桩可采用全桩长配筋，但为减少钢筋用量，也可根据桩身有效摩阻适当减少配筋数量。

一般可考虑减少桩底以上三分之一桩长的配筋量，减少数量不超过三分之一。

5.2.3锚桩和反力梁的连接

锚桩应在桩头外露1m左右的钢筋和反力梁通过焊接连接。

6、试验方案制定

6.1、基桩内力观测装置和观测位置的选择及传感器安装

基桩钢筋应变计的选择应同桩身阻力观测系统相匹配，最好选择质量有保障的应变计，以保证应变计的有效率和准确性。

应变计安装位置的选择应布设在地层土质变化位置。

具体地，在施工时对桩孔提取土样进行鉴别并在试验室对其进行检验，对桩孔不同标高土进行命名，并同设计的地质比对，分析有无出入，并根据实际的地质情况画出地质柱状图，在地质变化处安装钢筋应变计。

在地质变化处安装钢筋应变计，一般应安装2～4个，本工程为了保证钢筋应变计在施工中防水保护失效和施工中不可避免的破坏，实际安装3～5个，每个截面钢筋应变计呈等边多边形安装（图3为三个传感器时相对位置）。

钢筋应变计在安装时采用对焊和搭接焊，焊接时应用湿毛巾包裹非焊区，避免温度过高而导致钢筋应变计损坏。

6.2、试验荷载级别的选择

试验采用两循环，第一循环加至设计荷载后卸荷，第二循环加至极限荷载或设备的允许最大荷载后卸载。

试验荷载级别根据设计允许承载力确定，一般第一循环以设计允许荷载的五分之一或六分之一为一荷载级别。

第二循环荷载级别以第一循环荷载级别的两倍加荷级别进行加载，当加至预计的极限荷载（沉降达到桩径的10%×D）或接近设备的最大荷载时，可采用较小的荷载级别进行加载。

卸荷时的级别以加荷的两倍为一卸荷级别，卸荷的稳定时间为15min。

6.3、试验稳定及试验终止条件

在每个分级加载过程中保持每一级荷载持续恒载直到沉降速率5分钟内小于等于0.1mm。

但每级的稳定时间不小于15min。

为了确定徐变的特性在每个分级加载中最好采用相同的时间间隔。

在每个循环的设计允许荷载级别下，稳定时间不的小于60min。

6.4、试验桩及锚桩施工

6.4.1试验桩及锚桩位置的确定

当试验桩位置确定后，为了确保锚桩上拔时不对试验桩产生影响，锚桩与试验桩之间留有一定的距离，一般不小于试验桩静孔间距的2.5倍（见图4）。

注：

按国内规范要求是试桩3倍、工程桩的试验为2.5倍。

6.4.2试验桩及锚桩成孔应按照工程桩施工工艺进行。

应该注意的是：

施工过程中应对钻进过程进行控制，钻取不同深度地层土样，直接鉴别出该地带的地层构造，画出地质柱状图，依据地质柱状图计算试验桩钢筋应变计的安放位置及钢筋应变计的数据线长度。

试验桩施工应防止塌孔等现象出现。

6.4.3钢筋笼加工时，钢筋笼的加工同工程桩相同，但为了保证桩身内力的观测质量，钢筋笼的主筋应采用通长布设，并按照地质柱状图中地层的变换点位安装钢筋应变计，以便计算不同地质构造层相对应的摩擦力。

钢筋应变计的安装效果见如图5所示。

桩底的端承力，由桩底土压力盒测定。

土压力盒捆绑在试桩底部的钢筋网上（如图6所示），为保证土压力盒能够平稳接触桩端土，桩施工时对桩端应采用适当工艺进行处理，下钢筋笼前应采用测锤对桩底不同部位进行测量，其深度差应接近0（可按5mm进行控制），以防止出现锥形桩底，影响桩端土阻力观测。

6.4.4下钢筋笼

下钢筋笼时特别注意钢筋应变计的数据线应牢固地用胶带邦于钢筋笼的主筋上。

当钢筋笼需分段下孔时，在孔口连接时，注意不得焊接烧伤数据线和绷断数据线，焊接完成应绑好数据线后下放钢筋笼。

钢筋笼下到设计标高后，应使数据线长出钢筋笼2～3m，为数据观测提供方便。

6.4.5混凝土浇筑

试验桩锚桩混凝土浇筑与工程桩浇筑相同，不得出现间断浇筑，应对灌注过程进行详细记录。

浇筑完成后立即进行桩头处理。

6.4.6试验桩完整性检测

试验桩及锚桩施工完成达到设计强度后，应作小应变检测，判断桩基桩完整性。

6.5、现场试验检测

6.5.1试验前准备

单桩静载试验前应作如下准备：

①小应变检测；②平整及硬化场地；③搭架试验挡雨（阳、风）蓬（见图7）。

6.5.2设备安装

①在试验桩顶加添一层砂子、摊平，安放千斤顶下垫板（荷载分配板）；

②吊装千斤顶于下垫板上，保持于试验桩同轴，如安装多个千斤顶应保持千斤顶合力同试验桩同轴，千斤顶上顶板应对中千斤顶合力中心线，在千斤顶上端放置传感器（如为多个千斤顶还需在其它千斤顶上放置一个或多个传感器，作为效验使用，或防止单个传感器损害而无法测定荷载）作荷载测定。

③反力梁支架应对称安放于试验桩两侧，吊装反力梁于反力梁支座上（见图1试验设备安装图）。

④锚桩和反力装置的焊接（见图7）。

⑤测试变形仪表的安装：

测试沉降的位移计应通过磁芯表座安装在试验桩顶以下50cm左右位置（尽量避开桩顶应力集中区），测试锚桩上拔量的位移计安装在锚桩顶部的延长杆上,测量试桩水平位移的位移计则安装在试桩顶部受力面的两侧和对面。

在位移计的接触点处粘贴玻璃，保证位移计同基准梁接触良好。

6.5.3测试

①按试验加载级别、稳定条件，存储到荷载沉降测试系统。

为了让试验桩加载设施定位和调试测试仪器，加载试验从较小的预压载大约为0.05×Rg开始。

加载应采用分级的方式，每级加载时间不得小于5min，荷载稳定后每5min记录一次荷载和沉降读数，直至达到稳定（见图8）。

②在每个分级加载稳定后，以及在试验桩试验开始和结束后分别采用另外的高精度水平仪对桩顶的沉降进行校验（见图9）。

在每个分级加载后（桩顶变形稳定后），以及在试验桩试验开始和结束后记录该级荷载作用下钢筋应变计的读数（见图10）

7、资料的整理及成果

7.1、桩身内力观测资料的整理

7.1.1钢筋应力的转换计算

当同一截面埋设多个应力感应装置时，一般应将有效观测数据代入事先标定的应力表达公式计算该应力计的应力值，然后对计算结果进行平均处理，计算实际的钢筋应力。

例如：

某级荷载下，某个深度（hi）的3个钢筋应力计实测的频率（fi）分别为：

1790、1760、1727，应力计的初始读数（f0）为1793、1764、1730。

根据三个应力计的标定公式计算结果分别为：

Pi=2.0914×10-5×（f02-fi2-630）=0.212（kN）

Pi=2.0628×10-5×（f02-fi2-63）=0.289（kN）

Pi=2.2064×10-5×（f02-fi2+204）=0.233（kN）

取其平均值Pi’=0.245kN作为该深度应力观测的统计结果。

该截面总的钢筋力为钢筋数量（例如n=20）乘以单根钢筋力，即q1=n×Pi=20×0.245=4.9（kN），换算成压强单位，则除以钢筋（20φ16）的总面积，即σs=q1/As=4.9/（0.008×0.008×3.14×20）=1219（kPa）。

说明：

计算时，应根据钢筋应力计的受力状态（压或者拉）分别代入不同的公式进行计算。

由于传感器的标定状态和其实际工作状态有一定区别，可能造成其零点的漂移（增大或者缩小），但并不影响其标定关系，因此在其工作状态下必须在受力前测读新的零点f0，椐此计算Pi。

7.1.2标定曲线的建立

全部断面的钢筋应力计算出来后，就能够建立标定曲线了。

桩顶标定断面用来确定K值和分级荷载作用下钢筋应力σs的关系：

q=σs×K，因此需要计算标定断面在各级荷载作用下对应σs的K值。

将σs和K的数据进行回归，得到K的函数表达式。

一般应首先绘制σs和K散点图，然后根据曲线形态选定合适的回归公式模式，并将多个回归结果进行对比，找出拟合效果最好的函数关系作为公式回归的结果。

一种比较简洁的办法是利用电子表格的趋势线功能，为散点绘制的曲线添加多条趋势线，并将各条趋势线代表的公式和相关系数进行比较分析，选定最恰当的函数关系。

7.1.3桩身轴力计算

桩身轴力的计算实质上是计算桩身各观测截面的钢筋应力和混凝土应力之和即q1+q2，计算过程为（例）：

q1+q2=σs×K=σs×（10-6σs+0.1393）=171（kN），根据各深度观测断面计算结果可绘制桩身轴力分布图。

桩身轴力分布曲线是计算桩身摩阻的依据，通常情况下需要对轴力分布曲线特征进行观察，对于个别异常点应该进行分析，做必要的平滑处理，但一定要区别原因，尽量避免一味圆滑曲线追求美观，造成分析解释误差增大。

7.1.4桩身侧摩阻的计算

在某级荷载作用下只要计算出总侧摩阻力q3，将其除以计算段的桩身侧面积，即可得到该荷载作用下桩侧自桩顶到观测截面总的单位摩阻力，将两个相邻观测截面的总阻力q3相减，然后除以两个观测断面间的侧面积即可得到在该级荷载作用下两层断面间的单位侧摩阻力。

例如：

计算某级荷载作用下第i-1至i观测截面的侧摩阻力fi（kPa）

第1步：

计算该荷载作用下i-1截面以上的总侧摩阻力q3（i-1）=q-σsi-1×K

第2步：

计算该荷载作用下i截面以上的总侧摩阻力q3（I）=q-σsi×K

第3步：

计算该荷载作用下i-1至i截面间的单位侧摩阻力fi=（q3（I）-q3（i-1））/（L×（hi-hi-1））

各分层的极限侧摩阻力可根据分级荷载作用下摩阻的变化特征进行判断，一般达到极限侧摩阻力时，摩阻力将不随分级荷载的增大而增大，反而会有所减小。

根据摩阻计算结果可绘制桩身摩阻（单位摩阻）分布图。

如果观测断面和桩身其它部位存在差异（往往与施工工艺有关，例如桩顶埋设护筒引起桩头截面积扩大），则计算摩阻q3时需要对观测断面的应力σs进行校正，将其校正为与设计桩径相同的σs值。

例如：

某观测断面直径d1为1.4m，则面积为S1=0.7×0.7×3.14=1.5386m2，而桩身设计直径d0=1.0m，则面积为S0=0.5×0.5×3.14=0.7850m2，S1=1.96S0，由于观测断面面积变大，引起观测断面处的桩身内力变小，由此计算的q3往往离奇增大，产生异常摩阻分布，因此需要对σs进行校正。

σs值的校正方法如下：

依据应力平衡关系：

σs（测试断面的钢筋实际应力）×S1（测试断面的实际面积）=σs’（校正后的钢筋应力）×S0（桩身设计截面积），得到σs’=σs×S1/S0=σs×d12/d02。

可采用校正后的σs’计算摩阻q3=q-σs’×K。

一般情况下在桩身内力出现不规则分布时（例如下层断面观测的钢筋应力大于上层观测断面的观测应力或者某层断面的钢筋应力大于上层应力而小于下层应力等）往往与桩的扩缩径、锚桩上拔应力叠加以及其它质量问题等有直接关系，在不了解实际桩形变化时就很难对桩身摩阻给出有根据的解析，通常可采用试算法（假定测试断面直径，对观测钢筋应力进行校正）对或者平均法（观测应力取上下观测断面应力的平均值）对该层的实际摩阻进行近似估算。

因此桩身应力观测的桩应该有比较准确的桩形观测资料（也可通过灌注混凝土记录进行粗略判断），以便能够对桩身内力观测资料得出有根据的解析。

7.1.5桩身应力测试需要注意的问题

无论观测钢筋应力还是钢筋应变，或者观测混凝土应变，都需要标定K值或者混凝土弹性模量，然后用标定的函数关系计算桩身其它部位的桩身内力，计算期间还要用到桩的截面积、钢筋数量，显然这些参数的准确与否直接决定了应力观测的精度。

因此做应力观测的桩，应尽可能对成桩过程严格控制，例如：

成桩前做桩孔形观测，加工钢筋笼时尽可能保持观测截面和标定断面的一致；灌注的混凝土应尽可能均匀，避免和标定断面产生明显不同。

焊接应力或者应变传感器时应避免对传感器产生不良影响，例如高温、扭弯等。

另外传感器传输线缆也必须保证其绝缘性和导通性能不产生大的变化，这就要求在施工过程中派专人负责照管传感器及其线缆，在施工过程中适时检测传感器的工作状态，必要时能及时进行补救，防止传感器失效。

由于应力分析过程中假定了各个观测截面的应力平衡状态，所以在恒载状态下获得的应力观测数据才能依据应力平衡方程获得应力解析，在荷载的非稳定阶段，一般难以得到正确的除观测应力外的其它解释。

7.2荷载试验资料的整理

7.2.1绘制基本试验曲线

一般包括：

荷载与变形的关系曲线（包括竖向抗压、抗拔载荷试验，水平载荷试验）、变形随时间变化（包括竖向抗压、抗拔载荷试验，水平载荷试验）曲线、变形和深度关系曲线（水平载荷试验）、桩身内力分布曲线、桩身摩阻端阻分布曲线等。

7.2.2绘制辅助解释曲线

一般包括：

变形-对数时间曲线、变形-对数荷载曲线、水平抗力系数随荷载和位移的变化曲线等。

7.2.3试验结果分析

对各种试验曲线形态进行描述分析，必要时借助辅助解释曲线对曲线特征进行证明，主要试验结果应能够通过多项参数获得一致性结论。

当出现主要试验结果多参数出现大差异性结论时，应分析原因，剔除错误的数据重新进行分析判断。

本工程试桩采用上述试验程序获得的部分典型成果分别参见图11～15

图12桩身摩阻分布图