自平衡法靜載實驗在大管樁樁基檢測中的應用

自平衡法靜載試驗在大管樁樁基檢測中的應用交融天下建者無疆Contents目錄

第一部分項目實施背景精益管理合諧共贏第五部分結(jié)語第二部分課題研究內(nèi)容第三部分工藝實施效果第四部分效益評估

濱州港海港港區(qū)6#、7#泊位工程建設規(guī)模為2個5萬噸級油品泊位。水工建筑物主要包括碼頭平臺及引橋，采用高樁梁板結(jié)構(gòu)，碼頭平臺基樁為?1200后張法預應力混凝土大管樁，所有基樁均為斜樁。其中大管樁采用水上錘擊沉樁施工工藝。

第一部分項目實施背景1.1工程概況碼頭BIM結(jié)構(gòu)圖

本項目要求對試樁做靜載試驗和高應變動力檢測試驗。試樁共選做2根，水上沉樁靜載試驗常規(guī)為錨樁法。本項目基樁全部為斜樁，錨樁不能結(jié)合工程樁施打。故項目部提出采用自平衡法代替錨樁法進行靜載試驗。本次試樁制作方案主要是解決了成品管節(jié)上加裝荷載箱及沉樁過程中荷載箱如何防護的問題。最終采取雙向法蘭對接的方式固定荷載箱，并通過安裝鋼墊塊保護荷載箱內(nèi)千斤頂，使得試驗檢測得以順利實施。

第一部分項目實施背景1.1實施背景試樁結(jié)構(gòu)圖樁靴結(jié)構(gòu)圖Contents目錄

第二部分課題研究內(nèi)容精益管理合諧共贏第五部分結(jié)語第一部分立項背景第三部分工藝實施效果第四部分效益評估

第二部分課題研究內(nèi)容2.1自平衡法靜載試驗與錨樁法靜載試驗比選

比選方案方案內(nèi)容優(yōu)點缺點錨樁法靜載試驗通過打設錨樁、基準樁、搭設鋼結(jié)構(gòu)平臺以及提供反力鋼梁等，采用快速維持加荷方法，測定在各級荷載作用下試樁的樁側(cè)摩阻力和樁端阻力。

常規(guī)工藝，數(shù)據(jù)可靠。

①工作量大，操作平臺復雜、設備笨重，調(diào)遣費用高，準備時間長；②工程造價高。自平衡法靜載試驗通過在試樁中安裝荷載箱，埋設傳感器，現(xiàn)場搭設簡易平臺，通過向荷載箱充油加載，荷載箱將力傳至樁身，檢測試驗樁側(cè)摩阻力及樁端阻力。

①準備工作較少，操作平臺簡易；②造價低

①在大管樁承載力檢測中尚屬首例，無可借鑒成果，數(shù)據(jù)可靠性有待檢驗。②試樁在制作過程中技術要求較高。

綜上，為降低成本，減少準備時間，采用自平衡法靜載試驗進行大管樁軸向承載力檢測。

第二部分課題研究內(nèi)容2.2自平衡法與錨樁法靜載試驗工藝原理對比⑴自平衡法靜載試驗工藝原理

自平衡法是接近于豎向抗壓樁的實際工作條件的試驗方法。把荷載箱預先放置在樁身指定平衡點位置，將荷載箱的高壓油管和位移桿/絲引到平臺。由高壓油泵在平臺向荷載箱充油加載，荷載箱將力傳遞到樁身，其上部樁側(cè)摩阻力及自重與下部樁側(cè)摩阻力及樁端阻力相平衡來維持荷載，從而獲得樁的極限承載力。

樁基自平衡法靜載試驗示意圖

第二部分課題研究內(nèi)容2.2自平衡法與錨樁法靜載試驗工藝原理對比⑵錨樁法靜載試驗工藝原理

將四根錨樁與反力梁連接，使用油壓千斤頂配合高壓油泵施加反力，將力傳至樁身。荷載試驗儀通過安裝在高壓油泵上的油壓傳感器控制加荷量，通過位移傳感器（百分表）記錄沉降或上拔數(shù)據(jù)，根據(jù)設計要求進行分級加載，從最終獲得樁基極限承載力。

錨樁法靜載試驗示意圖

第二部分課題研究內(nèi)容2.2.1平衡點計算

1#試樁樁長為42m，2#試樁44m。樁頂標高4.5m。分別選取SZ06、SZ10鉆孔計算側(cè)摩阻力及樁端阻力計算。經(jīng)計算并使用天勘GK勘察軟件校核，當荷載箱放在-32.5m處，1#試樁上端承載力4033.1kN,下端承載力4028.9kN。2#試樁上端承載力4006.0kN,下端承載力4042.7kN。綜上，1#、2#試樁平衡點標高均選在-32.5m處，距樁頂均37m，距樁底分別為5m、7m。

1#試樁平衡點計算

第二部分課題研究內(nèi)容2.3施工工藝流程圖2.3-1工藝流程圖

第二部分課題研究內(nèi)容2.4操作要點2.4.1試樁制作

B32-2型后張法預應力混凝土大管樁，管樁的砼強度等級為C60，試驗樁由樁頂管節(jié)、標準管節(jié)、荷載箱拼接段管節(jié)、樁端管節(jié)、鋼樁靴組成。

管節(jié)拼接試樁制作完成

第二部分課題研究內(nèi)容2.4操作要點⑴荷載箱制作荷載箱根據(jù)試樁承載力要求自行設計，由法蘭盤、千斤頂、鋼墊塊、傳感器、液壓油管、固定螺栓、導向限位板、固定棒等組成。上下法蘭盤外徑1200mm，內(nèi)徑640mm，厚度30mm。1500KN千斤頂4個，實心鋼墊塊8個，帶護筒缸墊塊4個。墊塊高度高于千斤頂2-3mm，上下加蓋法蘭盤。

荷載箱制作成品

第二部分課題研究內(nèi)容2.4操作要點⑴荷載箱制作

上下法蘭盤通過固定螺栓連接，固定螺栓下端與下盤焊接，上端穿過上盤螺帽固定，起到抗拉作用。法蘭盤切割4個長方孔，限位板穿孔并與上法蘭盤焊接，以便于荷載箱與上下管節(jié)定位拼接。位移絲固定螺栓焊接在法蘭盤內(nèi)側(cè)，上下盤各2個。千斤頂串聯(lián)，打壓試驗完成后采用固定棒焊接在上、下法蘭盤上。同時增加4個帶套筒墊塊，限制上下樁體水平位移。

荷載箱結(jié)構(gòu)圖荷載箱安裝圖

第二部分課題研究內(nèi)容2.4操作要點⑵荷載箱與標準段拼接

荷載箱與標準管節(jié)拼接是試驗樁制作難點。荷載箱與成品管節(jié)間無固定連接點。自行設計2個拼接法蘭，與上部管體相連接的法蘭，上端預留穿線孔，并安裝固定錨，下端與荷載箱焊接；與下部管體連接的法蘭，上端與荷載箱焊接，下端預留穿線孔，安裝活動錨并預留灌漿孔。上下樁體拼接、張拉、灌漿完成后，焊接固定棒，確保試驗樁吊裝過程中荷載箱連接處剛度滿足要求。拼接法蘭法蘭、荷載箱焊接

第二部分課題研究內(nèi)容2.4操作要點⑵灌注樁中荷載箱與上下樁體連接

灌注樁中固定荷載箱較為簡單，通過法蘭盤將荷載箱焊接在鋼筋籠上，上、下盤通過固定螺栓連接。同時預埋穿線管及注漿管，試驗檢測完成后，可將荷載箱注漿填充后作為工程樁使用。

荷載箱與上下樁體焊接

第二部分課題研究內(nèi)容2.4操作要點⑶樁靴制作及拼接

本工程試驗樁樁靴也進行了優(yōu)化設計。本樁靴結(jié)構(gòu)與常規(guī)樁靴有兩處優(yōu)化，其一，樁靴由2部分組成，尖端0.9m采用錐形設計，頂端1m采用常規(guī)鋼管預留穿線孔及固定錨方式，同時管壁四周增加坡土肋板。兩項舉措同時增強了樁靴破土能力。其二，樁靴采用封閉式錐體形式，對荷載箱、油管、位移絲等精密部件保護起到?jīng)Q定性作用。樁靴內(nèi)、外結(jié)構(gòu)圖

第二部分課題研究內(nèi)容2.4操作要點2.4.2試驗樁沉樁打樁船定位完成后，運樁駁定位。打樁船起吊試驗樁，立樁完成后，調(diào)整好自身的水平、位置、樁架垂直度后緩緩下樁，當荷載箱到達水面位置，將上下法蘭盤固定棒全部切斷，并進行荷載箱外包鋼板的焊接。隨后壓錘和替打，再次校核樁的偏位、垂直度，確定各項控制數(shù)據(jù)完全達到設計要求后，方可開始沉樁。

固定螺栓切除外包鋼板焊接

第二部分課題研究內(nèi)容2.4操作要點2.4.2試驗樁沉樁根據(jù)設計要求，采用138錘，2檔錘擊。打樁初時，起錘應輕壓或輕擊數(shù)錘，觀察樁身、樁架、樁錘等中心軸線一致后，方可轉(zhuǎn)入正常施打，以避免偏心錘擊。無額外原因，錘擊要保持連續(xù)，以免擾動土壤恢復而增大沉樁的阻力。試樁起吊大管樁沉樁

第二部分課題研究內(nèi)容2.4操作要點2.4.3樁基檢測⑴千斤頂標定組成荷載箱的千斤頂必須經(jīng)法定檢測單位標定，荷載箱焊接前應試壓，荷載箱總壓力值不小于設計極限值。經(jīng)標定，本工程所采用油壓表數(shù)讀值與對應壓力值存在1:30的線性關系。極限加壓值50MPa對應的壓力值為1500kN。在加壓過程中，油壓表讀數(shù)對應的壓力為千斤頂實際輸出值。本荷載箱極限壓力輸出值為6000kN,則荷載箱對應輸出壓力值為雙向12000kN。千斤頂標定測試數(shù)據(jù)

第二部分課題研究內(nèi)容2.4操作要點2.4.3樁基檢測⑵傳感器安裝①位移傳感器：傳感器采用位移百分表，分辨率優(yōu)于0.01mm。固定和支撐位移傳感器的夾具和基準梁在構(gòu)造上確保不受氣溫、振動及其他外界因素的影響，以防止發(fā)生豎向位移。②樁身內(nèi)力傳感器：傳感器用于測試樁身內(nèi)力，并由樁身內(nèi)力推算各土層的抗壓或抗拔側(cè)摩阻力，本工程采用表面式光纖光柵式應變傳感器。將傳感器固定于樁身內(nèi)壁，傳感器放在兩種不同土層的界面處。位移傳感器內(nèi)力傳感器

第二部分課題研究內(nèi)容2.4操作要點2.4.3樁基檢測⑶現(xiàn)場檢測加卸載現(xiàn)場檢測采用4根20m長?200mm鋼管打入試驗樁周圍，搭設8*8m鋼木混合平臺，確保平臺穩(wěn)固，且滿足設備安放。

本次試樁共分14級加載，每級加載量應為預估最大加載量（8400kN）的1/14，每級荷載為雙向600kN，第一級按兩倍（雙向1200kN）加載。加載均勻連續(xù)，每級荷載在維荷過程中的變化幅度不得超過分級荷載的10%,即不超過60kN。灌注樁數(shù)據(jù)采集原理與大管樁數(shù)據(jù)采集原理相同。大管樁檢測數(shù)據(jù)采集灌注樁檢測數(shù)據(jù)采集

第二部分課題研究內(nèi)容2.4操作要點2.4.3樁基檢測⑷位移觀測和穩(wěn)定標準

采用慢速維持荷載法，每級加載后第一小時內(nèi)，在第5min、10min、15min、30min、45min、60min測讀位移，以后每隔30min測讀一次，達到相對穩(wěn)定后方可加下一級荷載。⑸終止加載條件及極限加載值

總位移量大于或等于40mm，且本級荷載的位移量大于或等于前一級荷載的位移量的5倍時，加載即可終止，取終止時的小一級的荷載為極限加載值。1#試樁極限加載值為7800kN,2#試樁極限加載值為6600kN。1#試樁加載數(shù)據(jù)

第二部分課題研究內(nèi)容2.4操作要點2.4.3樁基檢測⑸樁身內(nèi)力數(shù)據(jù)讀取及轉(zhuǎn)換

光纖光柵傳感器采用相應配套的光纖光柵解調(diào)儀讀取數(shù)據(jù)，掃描相應的波長值。傳感器安裝后存在徐變過程，安裝2~3天后再進行數(shù)據(jù)采集。同時配備溫度傳感器進行溫度補償，補償溫度變化所導致的波長變化，剔除掉溫度的影響。相應應變量計算公式：△E=（λ-λ0-△λt）/K。1#試樁分級加載軸力匯總表

第二部分課題研究內(nèi)容2.4操作要點2.4.4試驗檢測數(shù)據(jù)及分析（1）自平衡靜載試驗測試結(jié)果本試驗過程中，1#試樁雙向加載至8400kN時，試樁破壞，取小一級荷載7800kN為極限加載值。2#試樁雙向加載至7200kN時，試樁破壞，取6600kN為極限加載值。對于試1#、2#樁，根據(jù)勘察報告中對應的鉆孔柱狀圖，試樁修正系數(shù)均取0.78，荷載箱上部樁身自重均取40t。本次試樁為破壞性試驗故不進行卸載測試。最終總承載力計算結(jié)果如下：

1#試樁檢測結(jié)果：樁底荷載為3378kN，樁側(cè)摩阻力為5002kN，總承載力為8380kN。

2#試樁檢測結(jié)果：樁底荷載為2498kN，樁側(cè)摩阻力為4519kN，總承載力為7017kN。

第二部分課題研究內(nèi)容2.4操作要點2.4.4試驗檢測數(shù)據(jù)及分析

（2）高應變測試結(jié)果

第二部分課題研究內(nèi)容2.4操作要點2.4.4試驗檢測數(shù)據(jù)及分析

（3）樁身內(nèi)力測試結(jié)果

第二部分課題研究內(nèi)容2.4操作要點2.4.4試驗檢測數(shù)據(jù)及分析

（3）檢測結(jié)果分析根據(jù)試樁檢測數(shù)據(jù)分析，本工程單樁軸向抗壓極限承載力標準值為7698.5kN。試驗檢測數(shù)據(jù)表明，靜載試驗與高應變動測（復打測試）結(jié)果比較吻合。說明采用自平衡法靜載試驗檢測大管樁軸向抗壓極限承載力是可行的，檢測數(shù)據(jù)是可靠的。Contents目錄

第三部分工藝實施效果精益管理合諧共贏第五部分結(jié)語第一部分立項背景第二部分課題研究內(nèi)容第四部分效益評估

第三部分工藝實施效果3.1依托工程的實施效果

3.1.1創(chuàng)新點

（1）鋼墊塊的使用，對千斤頂保護起到?jīng)Q定性作用荷載箱鋼墊塊的使用，對沉樁過程中千斤頂?shù)谋Ｗo起到了決定性作用。墊塊高于千斤頂頂面2-3mm，在沉樁過程中通過鋼墊塊將豎向力傳導至底端管節(jié)，千斤頂在沉樁過程中不受任何影響，這項舉措也是與荷載箱在灌注樁靜載檢測應用中的不同之處。（2）套筒墊塊的應用本荷載箱除了8個半固定鋼墊塊之外，還對稱增加了4個帶活塞套筒鋼墊塊，在試驗加載過程中起到限制上、下端樁體水平位移作用。（3）外包鋼板的使用外包鋼板的使用對荷載箱中液壓油管、位移絲、傳感器等精密部件的保護起到了決定性作用。

第三部分工藝實施效果3.1依托工程的實施效果

3.1.1創(chuàng)新點

⑷鋼樁靴的優(yōu)化設計

封閉式鋼樁靴的優(yōu)化，增加了管樁的破土能力的同時，對荷載箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)及精密傳感器保護起到至關重要的作用。

第三部分工藝實施效果3.1依托工程的實施效果

3.1.2實施效果自平衡法靜載試驗在大管樁中的應用尚屬首次，該種檢測方式使得荷載箱專利技術在大管樁極限承載力檢測中得到有效的應用。同時經(jīng)過研究探索，有效解決了荷載箱與大管樁管節(jié)的拼裝問題。現(xiàn)場檢測平臺搭設簡易，檢測手段簡單，耗時短，節(jié)省大量檢測設備倒運費、沉樁船機費及人工費用。通過試驗結(jié)果顯示，該種方法取得了較好的檢測效果。得到檢測及設計單位的一致認可。較傳統(tǒng)的錨樁法靜載試驗相比，節(jié)省資金約161.8萬元。同時總結(jié)了自平衡法靜載試驗，在大管樁極限承載力檢測中應用原理及試驗樁制作方法，對后續(xù)類似項目有極強的借鑒作用。

第三部分工藝實施效果3.2試驗中的經(jīng)驗教訓

3.2.1固定螺栓的應用荷載箱上下法蘭通過?12螺桿固定連接，固定螺栓下端與法蘭焊接，上端穿過上盤用螺帽上緊固定。在吊樁、立樁過程中起到抗拉作用。固定螺栓的應用，解決了立樁后，固定棒切割后，荷載箱上下兩段管節(jié)連接問題。固定螺栓在試驗檢測過程中一級荷載加載完畢，即可自動斷開，在沉樁過程中，對上下兩段管節(jié)連接也起到了決定性作用。

3.2.2導向限位板的有效應用導向限位板插入上下管節(jié)法蘭后即可直接進行焊接作業(yè)，極大的提高了荷載箱安裝精度及安裝效率。

第三部分工藝實施效果3.3存在的問題及改進措施

3.3.1外包鋼板密封方式改進本次試樁外包鋼板是在沉樁現(xiàn)場加工制作，雖對荷載箱起到了保護作用，但整體密封性還有可優(yōu)化提升的空間。再行設計時，可將外包鋼板在廠家制作加工，固定肋板及固定棒處預留切斷孔。沉樁過程中固肋板及固定棒全部切斷后，現(xiàn)場僅需對預留孔進行密封。即可降低現(xiàn)場焊接量，又能提高焊接密封效果及沉樁效率。3.3.2平臺搭設本次試樁平臺搭設采用4根20m長?200mm鋼管打入試驗樁周圍，搭設8*8m鋼木混合平臺。本平臺在5-6級以下風力可滿足檢測要求，考慮投入成本，所用材料有限，穩(wěn)定性受風浪影響較大。若施工季節(jié)風浪較大，需要增大投入確保平臺穩(wěn)固，提高位移檢測精度。Contents目錄

第四部分效益評估精益管理合諧共贏第五部分結(jié)語第一部分立項背景第二部分課題研究內(nèi)容第三部分工藝實施效果

第四部分效益評估

采用自平衡法替代錨樁法靜載試驗對試樁進行極限承載力檢測，極大提高了試樁檢測效率，并大幅度降低現(xiàn)場工作量。常規(guī)錨樁法檢測平臺搭設每個試樁至少需要5天時間，需要大量船機設備及人工配合。相比之下，自平衡法檢測平臺要求簡單，搭設簡易，每根試樁平臺搭設1天即可全部完成。經(jīng)與類似項目——東營廣利港所采用的錨樁法對比，節(jié)約成本161.8萬元。經(jīng)咨詢多家檢測單位，在實際投標報價中，若錨樁可結(jié)合工程樁施打，成本應在200萬左右。但本項目樁基全部為斜樁，錨樁不能結(jié)合工程樁施打，總成本約在500-600萬之間。自平衡法在灌注樁中較為常用，檢測費每根