钻孔桩试桩方案.doc
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大桥试桩自平衡测试技术
试验方案
（一）概述
1、工程概况
大桥主桥主跨为25+120+25m的下承式系杆拱桥，主桥边跨（与主桥主跨为左右对称）为35+3×50+25m的上承式砼连拱，两侧引桥为连续砼箱梁，下部结构为钢筋砼钻孔灌注桩。
桥址处主要地层为上第三系洛阳组的粘土岩地基，由于时代较新，成岩程度较低，为极软岩，遇水软化，失水崩解。
主桥采用φ1.5m的钻孔灌注摩擦桩；引桥采用φ1.2m（φ1.0m）的钻孔灌注摩擦桩。
根据国家规范和有关规定，须对该工程3根钻孔灌注试桩采用自平衡法进行静载荷试验。
工程试桩有关参数见表1。
表1试桩参数一览表
试桩
编号
桩径
（m）
桩长
（m）
持力层
容许承载力（kN）
加载预估值（kN）
钻孔号
SZ-1#
1.5
40
钙质粘土层
8470
16940
P8
SZ-2#
1.5
55
粘土层
11860
23720
P12
SZ-3#
1.5
55
砂质粘土层
11860
23720
P13
2、试验内容与目的
为了验证设计承载力，提供各土层及桩端有关参数，测定桩基沉降和变形，研究成孔工艺，评估成桩质量特进行桩基静载试验，本试验的主要内容与目的如下：
①确定单桩竖向抗压极限承载能力；给出桩端反力以及各土层界面上的沉降位移、桩顶位移、桩端位移。
验证并确定桩基沉降量；
②检验并确定《洛阳瀛洲桥桥位工程地质勘察报告》所提供的各土层的力学性能；
③给出各土层桩侧摩阻力和桩端支承力的极限承载力；
④通过试桩，选择合理的成桩施工工艺和机具设备；
⑤验证地质勘探报告所给桩基参数的可靠性。
3、总体构思及协调措施
总体目标是试桩应经济、合理、工期短，提供优化设计的报告。
建设方应召集设计单位、施工单位、监理单位、试验单位搞好工地的协调和配合工作。
（二）试验依据
1.《公路桥涵施工技规范》（JTJ041-2000）
2.《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTJ024-85）
3.《公路工程技术标准》（JTGB01-2003）
4.《桩承载力自平衡测试技术规程》（DB32/T291-1999）
5.设计院图纸及工程地质勘察报告
（三）桩自平衡法承载力测试
1、方法起源
传统的基桩荷载试验方法有两种，一是堆载法，二是锚桩法。
两种方法都是采用油压千斤顶在桩顶施加荷载，而千斤顶的反力，前者通过反力架上的堆重与之平衡，后者通过反力架将反力传给锚桩，与锚桩的抗拔力平衡。
其存在的主要问题是：
前者必须解决几百吨甚至上千吨的荷载来源、堆放及运输问题，后者必须设置多根锚桩及反力大梁，不仅所需费用昂贵，时间较长，而且易受吨位和场地条件的限制（堆载法目前国内试桩最大极限承载力仅达3000吨，锚桩法的试桩最大极限承载力也不超过4000吨），以致许多大吨位桩和特殊场地的桩（如山地、桥桩）的承载力往往得不到准确数据，基桩的潜力不能合理发挥，这是桩基础领域面临的一大难题。
为解决以上难题，美国学者Osterberg于80年代首先提出了自平衡测试法，并于80年代中期开展了桩承载力自平衡试验方法的研究，首先在桥梁钢桩中成功应用，后来逐渐推广至各种桩型，例如：
1）麻省波士顿附近Saugus河铁路大桥桥墩基桩，该桩为钢管桩，长39m，直径460mm，壁厚12.7mm，水上打桩；2）佛罗里达州Orange港公路大桥桥墩基桩，水深24m，船上打桩，采用压桩与自平衡测桩对比，试验结果吻合；3）麻省波士顿鹿岛水处理厂扩建工程建筑物基桩，该工程总投资数十亿美元，为美国特大型工程之一，桩端持力层为冰渍土，性质特好，由于自平衡测试法测得钻孔桩承载力潜力很大，将打入桩方案改为钻孔桩，节省大量资金。
近几年欧洲及日本、加拿大、香港、新加坡等国也广泛使用该法，例如：
1）香港九龙广东铁路公司某大楼嵌岩桩；2）新加坡某工程基桩，地层为13.7m海洋黏土，下卧含漂石硬黏土。
以上国家和地区都已有相应的测试规程，该法大有完全取代堆载压桩与锚桩法之势。
该测试方法已成功应用在水上试桩、坡地试桩等多种特殊场地试桩。
桩型有钢桩、砼预制桩、钻孔灌注桩、沉管灌注桩及人工挖孔桩。
在我国，东南大学土木工程学院在理论研究的基础上，首先于1996年开始对该法的关键设备荷载箱和位移量测、数据采集处理系统进行了研究开发，经多次专家鉴定后，1999年6月制订了江苏省地方标准，2002建设部和科技部重点推广技术。
目前该法在江苏、浙江、安徽、贵州、云南、四川、北京、上海、重庆、江西、湖北、福建、广东、广西、吉林、青海、新疆、河南、河北、山西等26省市应用于房屋建筑和桥梁桩基检测中。
国内试验单桩最大承载力高达13000吨，荷载箱最大直径8.0m，最大桩长125m。
2、试验原理
自平衡测桩法是在桩身平衡点位置安设荷载箱，沿垂直方向加载，即可同时测得荷载箱上、下部各自承载力。
图1桩承载力自平衡试验示意图
自平衡测桩法的主要装置是一种经特别设计可用于加载的荷载箱。
它主要由活塞、顶盖、底盖及箱壁四部分组成。
顶、底盖的外径略小于桩的外径，在顶、底盖上布置位移棒。
将荷载箱与钢筋笼焊接成一体放入桩体后，即可浇捣混凝土成桩。
试验时，在地面上通过油泵加压，随着压力增加，荷载箱将同时向上、向下发生变位，促使桩侧阻力及桩端阻力的发挥，见图1。
由于加载装置简单，多根桩可同时进行测试。
东南大学土木工程学院开发了测桩软件，可同时对多根桩测试数据进行处理。
基桩自平衡试验开始后，荷载箱产生的荷载沿着桩身轴向往上、往下传递。
假设基桩受荷后,桩身结构完好（无破损，混凝土无离析、断裂现象）,则在各级荷载作用下混凝土产生的应变量等于钢筋产生的应变量,通过量测预先埋置在桩体内的钢筋应变计，可以实测到各钢筋应变计在每级荷载作用下所得的应力—应变关系，可以推出相应桩截面的应力—应变关系，那么相应桩截面微分单元内的应变量亦可求的。
由此便可求得在各级荷载作用下各桩截面的桩身轴力及轴力、摩阻力随荷载和深度变化的传递规律。
3、方法特点
自平衡试桩法相对于传统试桩法（堆载法和锚桩法）具有以下几个特点：
（1）装置较简单，不占用场地，不需运入数百吨或数千吨物料，不需构筑笨重的反力架，试桩准备工作省时省力；
（2）该法利用桩的侧阻与端阻互为反力，因而可测得侧阻力与端阻力和各自的荷载～位移曲线；
（3）试验费用省。
尽管荷载箱为一次性投入器件，但与传统方法相比可节省试验总费用的30%～60%，具体比例视桩与地质条件而定，吨位越大越明显；
（4）试验后试桩仍可作为工程桩使用，必要时可利用预埋管对荷载箱进行压力灌浆；
（5）方便的重复试验。
可在同一桩端深度的不同的时间（后压浆试桩效果对比）在同一根桩上方便的进行试验；
（6）可得到土阻力的静蠕变和恢复效果。
试验荷载可保留所需的任意长时间段，因此可实测桩侧和桩端阻力的蠕变行为的数据；
（7）在水上试桩，嵌岩桩等情况设置传统的堆载平台或锚桩反力架特别困难或特别花钱时，该法更显示其优势。
4、测试仪器设备
1）加载设备
（1）每根试桩采用一个环形荷载箱——专利产品，其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。
2）位移量测装置
（1）电子位移传感器
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；
（2）在每个荷载箱上、下板之间布置2～3个长距离位移计，测上、下板相对变位。
（3）电脑及数据自动采集仪一套。
3）应力量测装置
采用钢筋应变计进行测试。
钢筋应变计布置在岩土界面分界处，每截面布置四个，布设截面位置试桩示意图。
5、试桩施工要求
试桩除严格满足公路桥涵施工技术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）地面上绑扎和焊接钢筋笼，由施工单位负责，测试单位配合，外护管、声测管连接用套筒围焊，确保护管不渗泥浆，与钢筋笼绑扎成整体，运到工作平台上；
（2）严格按试桩图纸确定钢筋应变计在主筋上的位置，钢筋应变计直接绑扎于主筋上，绑扎过程中注意保护应变计导线，穿过荷载箱预留孔时，预留25cm左右的导线于预留孔内。
具体由测试单位指导，施工单位负责安装；
（3）荷载箱应立放在平整地上，将其与钢筋笼进行焊接，再点焊喇叭筋，喇叭筋上端与主筋，下端与内圆边缘点焊，保证荷载箱水平度小于5‰；然后荷载箱下底板与下节钢筋笼连接，焊接下喇叭筋；
（4）试桩混凝土标高同工程桩，导管通过荷载箱到达桩端浇捣混凝土，当混凝土接近荷载箱时，拔导管速度应放慢，当荷载箱上部混凝土大于2.5m时导管底端方可拔过荷载箱，浇混凝土至设计桩顶；荷载箱下部混凝土坍落度宜大于200mm，便于混凝土在荷载箱处上翻；
（5）埋完荷载箱，保护油管及钢管封头（用钢板焊，防止水泥浆漏入）；
（6）灌注混凝土时，要求制作一定量的混凝土试块，待测试时作混凝土强度、弹性模量试验；
（7）测试期间应保证不间断供电（380V、220V两种电源），试桩周围10米内不得有较大的振动；
（8）布置平衡梁（基准梁）。
基准梁一端与基准桩铰接，另一端与基准桩焊接，基准梁长度由试桩影响区域确定（本次初定为10m）；
（9）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），确保测试仪表时不受外界环境的影响。
6、试验前期室内工作安排
1）理论分析计算
（1）由设计单位提供基桩设计承载力要求；
（2）测试单位根据地勘资料进行桩基极限承载力分析；
（3）测试单位按自平衡法试桩理论进行计算，确定平衡点及试验荷载值。
2）仪器、设备测试元件的鉴定及标定
（1）加载系统（电动油泵、高压油管、荷载箱等）
加载前由省计量部门进行系统标定后，由生产厂家进行系统试压，以确保试验荷载的准确性。
（2）测试仪器的标定
所有设备（电子表、压力表、长距离位移传感器）由省级计量标准站在实验室进行调试、标定。
7、试桩前期现场工作
（1）桩头处理，打开护管封头，进行超声波检测试验（由于荷载箱内设置连接件，探头可顺利通过，对桩身混凝土检测没有影响）；
（2）检查荷载箱是否正常工作，仪器初调；
（3）布置平衡梁（基准梁）。
基准梁一端与基准桩铰接，另一端与基准桩焊接。
整个平衡梁及基准桩工作由测试单位指导，施工单位负责打设。
（4）做混凝土试块强度、弹模试验；
（5）搭设防风蓬架，尽量减少外部环境（风、温度）的影响，具体由测试单位指导，施工单位负责。
8、现场试验、测试工作
现场测试时，由业主、设计、监理、施工、测试等各方组成试桩现场指挥部，由业主组织协调各方关系，以保证测试顺利进行；
施工方协助测试方完成测试辅助工作，负责基准桩打入及平衡梁准备工作；
测试方做好测试记录、核对加载吨位，桩身位移，钢筋应变计等数据。
在整个测试过程中做好导线保护、仪器设备的防冲击、防振动和免受气候条件的影响措施，并及时整理、计算出相关数据。
9、试验程序
加载采用慢速维持荷载法，测试按中华人民共和国交通部标准《公路桥涵施工技术规范》（JTJ041-2000）和江苏省地方标准《桩承载力自平衡测试技术规程》（DB32/T291-1999）进行，即：
1）成桩至试验间隙时间
在桩身强度达到设计要求并不应少于15天。
2）荷载分级
每根桩预估加载值为桩顶允许加载值的2倍。
加载分级：
每级加载值为预估极限承载力的1/15，采用慢速维持荷载法加载。
因本试验属破坏性试验，故若加载15级仍未达到终止加载条件，须继续加载。
卸载分级：
卸载分7级进行。
3）位移观测
每级加载后在第1h内分别于5、15、30、45、60min各测读一次，以后每隔30min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，在电脑屏幕上显示Q-S、S-lgt、S-lgQ曲线。
4）稳定标准
每级加载下沉量，在最后30min内如不大于0.1mm时即可认为稳定。
5）终止加载条件
（1）总位移量大于或等于40mm，本级荷载的下沉量大于或等于前一级荷载的下沉量的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，但荷载已达荷载箱加载极限或位移已超过荷载箱行程，加载即可终止。
6）卸载及测试
（1）卸载应分级进行，共分5级卸载。
每级荷载卸载后，观测桩顶的回弹量，观测办法与沉降相同。
直到回弹量稳定后，再卸下一级荷载。
回弹量稳定标准与下沉稳定标准相同；
（2）卸载到零后，至少在1.5h内每15min观测一次，开始30min内，每15min观测一次。
10、试验数据的分析、整理
1）基桩轴向应力测试
（1）桩身轴向力计算
为了测定桩身轴向力与钢筋应力计所受力的关系，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。
据此便可计算出标定断面处钢筋应力计所受的压应力，同时通过应变采集仪也能实测到应变计在荷载作用下的压应力。
应变量可由桩身预埋的应变计读数求得，其计算公式为：
（1）
式中：
——应变计在某级荷载作用下的应变量；
——应变计在某级荷载作用下读数；
——应变计系数；
B——应变计计算修正值；
在同级荷载作用下，试桩内混凝土所产生的应变量等于钢筋所产生的应变量，相应桩截面微单元内的应变量即为钢筋的应变量，其计算公式如下：
（2）
（3）
（4）
（5）
式中：
——某级荷载作用下桩身截面混凝土产生的应变量；
——某级荷载作用下桩身截面混凝土产生的应力值（kN/m2）；
——某级荷载作用下钢筋产生的应力值（kN/m2）；
——混凝土的塑性系数；
——桩身混凝土弹性模量（kN/m2）。
——钢筋弹性模量（kN/m2）。
——桩身截面混凝土的净面积（m2）；
——桩身截面纵向钢筋总面积（m2）；
——某级荷载作用下桩身某截面的轴向力（kN）；
在建立试桩标定截面处的PZ～Psi相关方程后，各量测截面的桩身轴向力PZ值便可由相应的相关方程求得。
试桩桩周土层分布及应变计位置见附图集四所示。
（2）摩阻力计算
各土层桩侧摩阻力qs可根据下式求得：
（6）
式中：
qs——桩侧各土层的摩阻力（kN/m2）；
ΔPZ——桩身量测截面之间的轴向力PZ之差值（kN）；
ΔF——桩身量测截面之间桩段的侧表面积（m2）。
（3）截面位移计算
为了得到桩侧土摩阻力qs随桩身沉降S的变化规律。
即求得桩侧实测的传递函数qs—S关系，需确定各计算深度处桩身位移Si值，方法如下：
（7）
式中：
——第i计算截面处的沉降量（mm）；
——i+1计算截面处的沉降量（mm）；
——第i+1截面到第i截面间桩身的弹性压缩量（mm），按下式计算：
（8）
——第i截面桩身轴向力（kN）；
——第i+1截面至第i截面处桩段长度（m）；
——桩身换算截面面积：
。
式中，d——试桩直径（mm）；n——主钢筋根数；——单根主筋面积。
（4）桩端阻力计算
桩端阻力Pb的计算一般取离桩端最近的量测断面所对应的轴向力PZ近似代替，沉降量Sb用该量测断面所对应的沉降量值，由此可绘制出各试桩的Pb—Sb曲线，各级荷载Q与桩端荷载Pb关系。
2）单桩极限承载力判断标准
实测荷载箱向上（P+—s+）、向下（P－—s－）两条曲线，根据位移协调原则，转换成传统桩顶P—s曲线，如图4所示，根据《公路桥涵施工技术规范》（JTJ041-2000），判断试桩极限承载力对应的位移。
P
P
S+
S－
S
0
S
0
传统静载曲线
图2转换示意图
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）各试桩的垂直承载力。
（四）投入本工程的主要仪器及设备
表2投入本项目检测的仪器设备一览表
序号
设备名称
型号
单位
数量
1
长距离传感器
dy-20
只
6
2
高压油泵
OVM
台
3
3
电子位移传感器
YBD-50
只
18
4
位移应变采集仪
dy-50
台
3
5
电子传感线
dy
捆
6
6
电缆线
dy
捆
6
7
磁铁表座
上海产
只
18
8
笔记本电脑
日立、东芝
台
2
9
发电机、配电柜（施工单位提供）
自制
个
2
（五）报告提供的内容
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、各试桩的垂直承载力；
4、提供试桩工程总报告，综合分析试验成果并提供最终推荐意见。
对工程所采用的桩型及桩基工程施工提供指导性意见。
总报告含以下内容：
1、单桩垂直承载静载试验报告，含施工工艺等。
2、桩身应变和应力试验报告
3、试桩地点地层桩基推荐设计参数
（六）质保、工期及安全体系
1、质量保证措施
1）质量目标
建立实施并保持质量体系，按国家标准和设计要求进行检验，用严格的质量管理，以精良的测试技术，建优质的工程。
以质量宗旨为准则，不负业主重托，严格质量管理，确保每道工序受控，建造业主满意工程。
2）质量管理依据
《公路桥涵施工技术规范》（JTJ041-2000）。
3）质量保证措施
我们将始终坚持“百年大计，质量第一”的原则，以工程质量为生命，认真依照文件所明确的设计要点、测试要点、测试技术规范去组织实施。
保证质量体系正常运转的要求，依据分工负责，互相协调的管理原则，层层落实职能、责任、风险和利益，做到各司其职，各负其责，保证在整个工程测试过程中，质量保证体系正常运作和发挥保障作用。
（1）加强施工前的质量控制工作
a.测试前，组织技术人员认真会审招标文件和图纸，切实了解和掌握测试要求和测试技术标准；
b.测试的要求和特点，组织技术人员编写具体测试组织设计，严格按照质量体系程序的内容要求，编制测试计划，确定适用的实施设备并落实配备，测试过程中着重控制手段、监测设备、辅助装置、资源（包括人力）以达到规定的要求，并根据测试的技术要求，对试桩施工、试验等重要工序，要分部分项地制订详尽的测试方案，以保证该测试的质量达到要求。
c.测试前要做好各部位、工序的技术交底工作，使每个测试人员清楚地掌握对将要进行测试工序技术规范要求，对特殊和重点部位要真正做到心中有数，确保测试操作的准确性和规范性。
（2）做好测试全过程的质量控制工作
a.配齐满足测试需要的人力资源，组建高素质的测试队伍。
有针对性地组织测试人员学习，进行必要的测试前岗位培训，以保证测试的技术要求，作业人员须持有效上岗操作证，技术人员必须熟悉本工程的技术要求，了解工程的特点和现场情况，以确保测试能正常运转；
b.配齐满足测试需要的各类设备。
设备必须经检修、试机、检验合格后，方能进场测试，保证各类设备在测试中的作用，满足整个测试的需要。
（3）加强测试技术管理；
（4）所有设备进场前，我方出具合格证及标定记录。
2、工期保证措施
本试验的测试工作将根据试桩土建施工进度进行相应安排。
为保证工期我们采取如下措施：
1）早进场，早开工。
测试前对现场进行实地踏勘，摸清测试现场情况；
2）加强对测试人员的思想教育；
3）加强组织管理、科学安排测试；
4）建立健全岗位责任制；
5）做好设备的选型工作；
6）搞好与设计人员、施工队伍和监理的关系。
3、安全保证措施
1）安全管理目标
杜绝任何死亡事故，消除大、重大事故、交通事故，确保安全测试。
2）安全管理依据
建设部《建筑安全生产监督管理规定》。
3）安全管理措施
安全是搞好测试的重要因素，关系到国家、企业和职工的切身利益，因此在测试过程中必须认真贯彻“安全第一，预防为主”的方针，广泛应用安全系统工程和事故分析方法，严格控制和防止各类伤亡事故，具体措施如下：
（1）加强领导，健全组织。
及时发现和排除安全隐患；
（2）进行全面的、针对性的安全技术交底；
（3）制订有明确安全指标和奖惩办法的保证措施；
（4）严格操作规程，严禁各种违章指挥和违章作业行为发生；
（5）进入施工现场，必须遵章守纪；
（6）抓好现场管理，坚持文明测试，保障人身、机械的安全；
（7）认真做好防火工作；
（8）测试过程中确保用电安全和设备保持良好机械性能及安全使用；
（9）现场人员每人配置手机，密切保持联系。
4、质量、安全保证体系图
1）质量保证体系图（图3）；
2）安全保证体系图（图4）
技术负责人
质量负责人
项目负责人
现场负责人
仪器操作员
数据记录员
测试分析员
图3质量保证体系流程
15
图4安全保证体系图
安全测试保证体系
安全生产目标
制度保证
工作保证
国家安全法律、法规、规程、标准
省、市、交通部有关安全生产的规定
1安全生产责任制；
2测试前安全讲话制；
3安全技术交底制；
4临时设施检查验收制；
5安全教育制；
6交接班制；
7安全生产检查制
安全测试领导小组
1各类人员的安全生产责任制；
2认真贯彻“安全第一，预防为主”的方针和“管测试必须管安全”的原则；
3对测试人员进行经常性安全教育；
4坚持安全检查制度；
5对测试过程中出现的安全问题按“三不放过”的原则处理；
6执行安全生产“五同时”
收尾工作检查
测试过程检查
组织保证
测试前检查
落实责任制
1测试组织是否有安全设计或安全技术措施；
2测试机具是否符合技术和安全规定；
3安全防护措施是否符合要求；
4测试人员是否经过培训；
5测试方案是否经过交底；
6各类人员安全责任制是否落实；
7是否制订安全预防措施；
8对不安全因素是否有控制措施。
1总结测试过程中安全生产经验，对于成功的控制方法总结推广；
2找出测试过程中安全管理的薄弱环节，提出改进措施；
3做好总结。
安全生产目标
无伤亡事故
无机械事故
16
（七）进
升级会员 