荷载箱自平衡法是通过施压油管及位移测量装置进行测量的一种方法^[1], 该传感器测试方法于20世纪80年代由J Osterberg^[2]提出。东南大学基于理论研究, 1996年开始对这种方法进行调查, 已经在300多个项目中应用了1 000多根桩, 测试桩最大承载力可达13 000t (130 000k N) , 最大直径为2.8m, 最大长度已达130m, 但均仅限于单荷载箱原理^[3]。该法通过高压油泵给内部的荷载箱施压, 荷载箱将会发生向上和向下的变形, 桩侧阻力和桩端阻力互为相反力, 得到荷载-位移曲线。

本文为解决单荷载箱埋设位置不准确而不能准确反映出桩基实际承载力的问题^[3], 提出采用双荷载箱自平衡法对超长桩基承载力进行检测。该方法能够测出桩身上部、下部的侧阻力以及端部阻力。在布局方面, 2个荷载箱分别放在桩的中部和下部, 其中, 中部荷载箱根据工程实际放在桩身的合适位置, 测出各部位的阻力, 以此来判断桩的承载力。

文莱PMB大桥是连接文莱西部摩拉区和东部大摩拉岛的重要桥梁。该大桥由西引桥 (7×60+8×60=900m) 、主桥 (80+2×120+80=400m) 、东引桥 (8×60+7×60+8×60=1 380m) 3部分组成。其中西引桥桩基127根, 桩径1.5m, 桩长35~72m;东引桥桩基183根, 桩径1.5m, 桩长73~85m;主桥桩基63根, 桩径1.5m及1.8m, 桩长70~83m, 共计373根。该项目设计阶段提出必须利用非工程桩进行桩基承载力试验, 以此来验证设计桩长是否满足使用要求。

PMB大桥桩基工程试桩共计3根:PT-1 (西引桥) 、PT-2 (主桥) 、PT-3 (东引桥) , 分别位于西引桥WP8、主桥MP3及东引桥EP16墩附近。试桩目的是根据设计要求检查桩基承载力是否满足要求, 验证设计中使用的土层参数是否符合设计条件。如果从桩基荷载试验中发现有关桩基承载力和土层参数存在差异, 则将调整工程桩基的设计。

在项目前期, 对于试桩方法的采用形式进行了严格探讨, 最后经过对比分析, 在静载试验、静动试验、自平衡试验3种试验方法^[4]中选择了自平衡试验中的双荷载箱试验方法。本文以PT-1 (西引桥) 为例阐述了双荷载箱自平衡法承载力测试在桩基中的应用。

桩基础双层双向承载力检测方法的主要设备是专用传感器 (荷载箱) , 在桩基混凝土施工前将荷载箱埋置在桩基钢筋笼内^[5,6]。为了确定荷载箱的埋设位置 (即平衡点) , 必须根据现场地质情况确定。荷载箱包括液压千斤顶、顶板和底板的装载设备。在试验中, 高压液压油被泵入荷载箱中推动液压千斤顶, 以便测出桩侧土壤摩擦和尖端阻力^[7]。双向荷载箱测试承载力如图1所示。

根据岩土钻孔BH-1标准穿透次数, 可以计算土体承载力。将PT-1 (西引桥) 的试桩长度假定为70m, 计算出其侧摩阻力为3 040t (30 400k N) , 桩端承载力为839t (8 390k N) 。根据计算, 总摩擦阻力:Q_sa=30 400k N;总基础抵抗力:Q_pa=8 390k N;桩的总承载力:Q_u=38 790k N。

根据桩承载力, 假设上层荷载箱在地面深度以下30m处, 下层荷载箱在地面深度以下55m处, 则上桩、中桩和底桩的承载力计算结果分别为: (1) 上部桩承载力计算结果总摩擦阻力 (修正) :Q_sa1=6 612k N;总有效荷载:W₁=768k N。 (2) 中部桩承载力计算结果总摩擦阻力 (修正) :Q_sa2=11 964k N;总摩擦阻力 (未修正) :Q_sa2=14 076k N;总有效荷载:W₂=640k N。 (3) 底部桩承载力计算结果总摩擦阻力:Q_sa3=8 478k N;总基础抵抗力:Q_pa=8 390k N;总有效荷载:W₃=384k N。

加载不同的荷载箱时各段桩间的负载值之间的关系由3个工况组成分别如下。

1) 上部荷载箱工作时荷载大小

上部桩:Q_s=Q_sa1+W₁=7 380k N

中下部桩:Q_z+Q_x= (Q_sa2-W₂) + (Q_sa3+Q_paW₃) =29 920k N

因此, Q_z+Q_x>Q_s。

2) 底部荷载箱工作、上部荷载箱在自由活动状态

中部桩 (修正) :Q_z=Q_sa2+W₂=12 604k N

底部桩:Q_x=Q_sa3+Q_pa-W₃=16 484k N

因此, Q_x>Q_z。

3) 底部荷载箱工作时、上部荷载箱关闭

上部桩和中部桩 (修正) :Q_s+Q_z= (Q_sa1+W₁) + (Q_sa2+W₂) =19 984k N

底部桩:Q_x=Q_sa3+Q_pa-W₃=16 484k N

因此, Q_s+Q_z>Q_x。

根据上述对上、中、下3段桩基长度承载力大小的分析, 两荷载箱的布设位置满足试验要求。荷载箱在桩身中的具体位置如图2所示。

根据桩基直径大小以及荷载试验承载吨位要求, 选用如表1所示规格的荷载箱。

沿着各种土层布设的荷载传感元件如图3所示。

从试桩到基准桩的中心距离是试桩直径的3倍;位移传感器安装在事先预留的孔洞内, 如图4所示。

上部荷载箱的荷载与位移曲线如图5所示。

在第1回路负载达到最大负载等级的100%DVL (2×7 000k N) 时, 称重传感器的累计向上位移和向下位移分别为1.443mm和0.056mm。桩顶累计向上位移为1.258mm。在第2回路负载为最大负载等级的100%DVL+50%SWL (2×9 750k N) 时, 称重传感器的累计向上位移和向下位移分别为4.410mm和0.422mm。桩顶累计向上位移为3.365mm。然后继续加载上部荷载箱直到达到极限承载力。在第3回路负载为100%DVL+125%SWL (2×13 875k N) 的负载等级时, 称重传感器的累计向上位移和向下位移分别为11.964mm和1.311mm。桩顶累计向上位移为10.067mm。该负载等级也可以保持稳定性。然而, 当负载等级为100%DVL+150%SWL (2×15 250k N) 时, 在前15min内, 称重传感器的累计向上位移和向下位移分别为29.279mm和1.382mm。桩顶累计向上位移为29.119mm。并且位移仍然一直增加, 但是一些位移传感器超出测量范围并且在支撑装置上出现锁定。根据钢护筒标高记录, 钢护筒向上位移总共达到42mm。最后30min内, 称重传感器的累计上位移和向下位移分别为43.616mm和1.676mm。桩顶累计向上位移为41.513mm, 而这个负载等级不能保持稳定。测试达到最大负载值, 然后负载终止并开始卸载。因此, 得出该段的有效荷载为13 875k N, 向上位移为11.964mm。

底部荷载箱的荷载与位移曲线如图6所示。

第1回路负载达到最大负载等级100%DVL (2×7 000k N) 时, 下负载传感器的累计向上位移和向下位移分别为0.202mm和0.9 395mm。在第2回路负载达到最大负载等级100%DVL+50%SWL (2×9 750k N) 时, 称重传感器的累计向上位移和向下位移分别为0.950mm和4.098mm。然后继续加载上部荷载箱直到达到极限承载力。当负载等级为100%DVL+200%SWL (2×18 000k N) 时, 第3回路的下移荷载的累计向上位移和向下位移分别为6.685mm和39.286 5mm, 该负载等级也可以保持稳定性。然而, 当荷载等级为2×20 000k N时, 下荷载传感器的累计向上位移和向下位移分别为17.50mm和43.504mm。向上位移出现突然变化, 而向下位移仍然逐渐缓慢变化。因此, 在2×20 000k N的荷载下, 中间桩段不能保持稳定性, 而下桩段能保持稳定, 然后负载终止。因此, 中段桩基有效荷载为18 000k N, 底部桩基有效荷载为20 000k N。

在测试过程中, 温度为24~32℃, 白天为阳光, 夜间为阴雨。测试桩周围的区域出现卡车运动和道路混凝土浇筑, 但没有非常大的振动。因此, 现场条件满足测试要求, 可以接受周围环境温度和振动对测试的影响。

根据上部载荷箱上的Q-s曲线, 桩的位移随着荷载等级的增加而增加, 而卸载等级反弹。当负载达到最大值100%DVL+150%SWL (2×15 250k N) 时, 向上位移突然变化, 向下位移突然出现不变。然后, 100%DVL+125%SWL (2×13 875k N) 的荷载可以认为是上桩段的极限荷载。

根据底部荷载箱Q-s曲线, 桩的位移随荷载等级而增加, 并随卸载等级反弹。当荷载达到100%DVL+200%SWL (2×18 000k N) 的值时, 向上位移和向下位移突然出现不变。当荷载达到最大值2×20 000k N时, 向上位移出现突然变化, 向下位移突然出现不变。然后将100%DVL+200%SWL (2×18 000k N) 的荷载视为中间桩段的极限荷载。2×20 000k N的荷载可以视为下桩段的极限荷载。

因此, 试桩的承载力可以通过上、中、下桩轴计算。在测试中, 上部荷载箱最终加载2×15 250k N, 下部荷载箱最终加载2×20 000k N。经计算, 上部桩基的最大测试承载力Q_ua=13 875k N, 中部桩基的最大测试承载力Q_ub=18 000k N, 底部桩基的最大测试承载力Q_uc=20 000k N。上部桩的有效荷载为922k N, 中部桩的有效荷载为538k N。桩极限承载力Q_u=50 415k N。

本文研究了与传统单荷载箱检测方法不同的双荷载箱检测方式, 阐述分析了这种方法下桩基承载力的计算结果。通过分析结果, 可以得出以下结论。

1) 与传统单荷载箱检测方法相比, 双荷载箱检测方式能更精确地检测出桩基的承载力。以双荷载箱检测方式阐述桩基承载力测验的方法, 能够使工程中桩基设计承载力更加符合实际承载力。桩基极限承载力的检测结果远大于最初的设计值, 为后续的桩基优化工作提供了有效依据。

2) 根据现场实测结果与工程应用, 该方法通过对上、中、下桩轴的计算准确测出了桩基承载力, 为同类工程超长桩基承载力的确定和检测提供了依据。

3) 双荷载箱比单荷载箱更能准确检测桩基的实际承载力, 但由于在桩基中埋设了双荷载箱, 对桩基的施工提出了更高要求: (1) 传感元件埋设数量增多, 在钢筋笼施工以及混凝土浇筑阶段更容易对传感元件造成破坏; (2) 双荷载箱位于桩基顶部与下部, 在安装荷载时对钢筋笼的加工影响比较大, 增大了钢筋笼的加工强度; (3) 双荷载箱的中心孔位对混凝土浇筑导管影响大, 稍有错位就导致导管不能深入钢筋笼底部。