漕河渡槽项目Ⅱ标段基桩静载试验探究
刘国华
河北省水利水电勘测设计研究院,石家庄 050011
（1969-），吉林榆树人，主要从事应用地球物理，研究方向工程物探、基础检测。
漕河渡槽是南水北调中线干线总干渠工程上的标志性建筑物之一，是应急段的控制性工程，其位于河北省满城县城西约9km的神星镇与荆山村之间，渡槽主体工程包括槽身段和出口段检修闸，其设计起始桩号375+357，终止桩号377+657，全长2300m。该工程槽身段基础采用端承桩独立承台基础，设计要求静载试验最大加载量为13000kN，作为大吨位静载试验要经过严密的组织和方法论证，实施起来才能达到预期的结果。
漕河渡槽项目2005年6月10日正式开工，当时计划2008年4月向北京供水。因施工工期较紧，该渡槽分为两个标段进行施工招标，漕河渡槽项目Ⅱ标段的起始桩号375+357到桩号375+660.4段为渡槽落地槽段，从桩号375+660.4到终点桩号为376+370.4，长度为710m，为渡槽20跨槽身段，该标段由中国水利水电工程四局中标施工。槽身段基础采用端承桩独立承台基础，采用CZ-30型冲击钻成孔、泥浆护壁、水下导管灌注混凝土成桩工艺，钢筋笼为通长配筋，桩径1.5m，混凝土的强度等级为C25，每个承台下布置8根，深度为入弱风化基岩0.5m，总桩数248根，为确保施工质量及渡槽建成后能够安全运行，需对基桩进行桩身完整性和单桩承载力的检测。
依据《建筑基桩检测技术规范》（JGJ 106-2003）中：“单桩竖向抗压静载试验受检桩数应不少于总桩数的1%且不少于3根”的规定，Ⅱ标段应抽检3根桩进行单桩竖向抗压静载试验。
由监理单位中水北方勘测设计研究有限责任公司抽选的3根试验桩的情况见表1。
表1 试验桩成桩情况一览表
所抽检的三根桩的地质条件简述如下：
22-5号桩：0～1.28m壤土、1.28～5.08m壤土碎石、5.08～6.18m黏土、6.18～15.38m黏土碎石、15.38～26.68m全风化、强风化基岩、26.68～27.18m弱风化基岩。
25-6号桩：0～2.99m壤土、2.99～5.19m黏土、5.19～10.99m黏土碎石、10.99～11.89m黏土、11.89～12.99m黏土碎石、12.99～42.59m全风化、强风化基岩、42.59～43.09m弱风化基岩。
33-6号桩：0～11.47m黄土状壤土、11.47～11.82m含碎石黏土、11.82～33.67m全风化基岩、33.67～44.00m强风化、弱风化基岩。
1 检测依据
《建筑基桩检测技术规范》（JGJ 106-2003）、《建筑桩基技术规范》（JGJ 94-94）、《混凝土结构设计规范》（GB50010-2002）、《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTJ024-85）及《漕河渡槽原位桩基试验技术要求》（冀漕Ⅱ、Ⅲ技第6号）（水利部河北水利水电勘测设计研究院）2005年8月和《漕河渡槽基础桩试验技术方案》等有关的技术文件。
2 反力方案的选择
单桩承载力采用单桩竖向抗压静载荷试验确定，因为高应变是一种间接确定桩承载力的一种方法，对于大口径灌注桩来说准确度远不如静载试验。
静载荷试验的反力装置可采用堆载、堆锚结合、锚桩等方案。
2.1 堆载法
采用压重平台反力装置，因本次静载试验加载最大荷载为13000kN，考虑1.2倍的安全系数，堆载重量应为15600kN，即1560t的堆载物（包括主梁和次梁的重量），可采用预制混凝土块或钢锭。采用预制混凝土块，按照堆载平台高度10m，吊装困难、试验周期长、安全无保证；采用钢锭堆块，堆载平台高度6m，采取措施可保证安全，但是其成本较高。
2.2 堆锚结合法
锚桩可利用相邻1根工程桩，再新打1根锚桩，提供部分反力，不足部分用堆块补足。根据《建筑桩基技术规范》（JGJ 94-94）：5.3单桩竖向极限承载力中的经验参数法结合地质钻孔资料确定大直径灌注桩总极限侧阻力标准值：
Qsk=u∑ψsiqsikli
式中：Qsk为总极限侧阻力标准值；qsik为桩侧第i层土极限侧阻力标准值，如无当地经验值时，可按本规范表5.3.5-1取值；ψsi为大直径桩侧阻、端阻尺寸效应系数，按表5.3.6-2取值；u为桩身周长，当人工挖孔桩桩周护壁为振捣密实的混凝土时，桩身周长可按护壁外直径计算；li为桩周第i层土的厚度。
经过测算加锚桩自身重量，15m的锚桩可提供反力近330～360t，在预留10%及以上的安全储备的情况下，其可提供300t的反力，这样还需堆载960t。堆载物可采用预制混凝土块或钢锭。采用预制混凝土块堆载平台高度8m，采取措施可保证安全。如果采用钢锭堆块，堆载平台高度接近5m，可保证安全。
2.3 锚桩法
可采用在受试桩周围新打四根锚桩或利用3根工程桩新打1根锚桩方案。
采用新打四根锚桩方案需考率锚桩与工程桩间距过小对工程桩的影响并与设计协调，反力梁可选用1根8～9m长主梁和2根次梁。
采用利用3根工程桩新打1根锚桩方案，反力梁可选用2根11～12m主梁十字交叉，稳定性、安全性较差。
通过对上述三个反力方案的横向比较，最终确定使用性价比和安全性均较高的堆锚结合方案进行静载试验，并编制了检测大纲。因该标段工程桩排距4.5m，桩径1.5m，反力钢梁最小长度为11m。
3 试验的准备
在试验前准备阶段要进行主梁加工及配重块的准备、补打锚桩、桩头的处理等。
3.1 主梁
主梁钢梁强度应满足：M≤mu
式中：M为反力平台堆重或拉力施加于钢梁的截面弯矩计算值；Mu为钢材正截面受弯承载力。
堆载主梁弯矩：M=Q l02/2 l
式中：Q为大试验荷载；l为主梁的长度； l0为主梁单边悬臂端计算长度，一般为主梁长度减去垫箱宽度的1/2。
主梁正截面受弯承载力：Mu=γX f Wnx
式中：γX为截面塑性发展系数，对于工字钢或箱型取1.05；f为钢材的强度设计值，Q235钢为215N/mm2，Q345钢为295～315N/mm2；Wnx为正截面抵抗拒。
主梁正截面受弯承载力要大于等于反力平台的堆重，经结构强度计算利用牌号Q345厚度400mm的钢板为正受力面，侧面为牌号Q345厚度16mm的钢板加工焊接成11m×0.8m×1.88m的主梁两根，每根主梁正截面受弯承载力至少为15000kN，有足够的安全储备。
3.2 配重
在现场加工总重量近900t的混凝土配重块，规格有1.5m×0.9m×0.9m和1.2m×0.9m×0.6m两种，其中大的配重块200块，小的为120块，因漕河附近卵石较多，在制作过程中在配重块的中间加入少量的卵石，这样既可以节约成本又可以增加其密度，使得加工后的混凝土配重块的平均密度为2.78kg/m3，另外60t利用现场的钢筋材料充当。
3.3 补打锚桩
在监理单位确定了试验桩后，在试验桩的另一侧补打15m长的锚桩，其桩径、配筋及工艺与工程桩相同，利用与试验桩在一横排的工程桩作为另一根锚桩。试验桩、锚桩平面布置示意图见下图。
3.4 桩头的处理
应先凿掉试验桩顶部的破碎层和软弱混凝土。桩头直径与设计桩径相一致，桩头顶面应平整，桩头中轴线与桩身上部的中轴线应重合；在距桩顶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，间距60～100mm。桩头混凝土强度等级宜比桩身混凝土提高1～2级，本试验不得低于C30。
4 方案的实施
基桩的静载试验是由加荷系统、反力系统、观测系统三个系统密切配合来完成的。加荷系统控制并稳定加荷大小，通过反力系统将荷载反作用于桩顶，桩顶将荷载均匀传递给桩身，桩体的沉降由观测系统测定。
4.1 加荷系统
利用四个规格型号相同并经过率定合格的100t的千斤顶经并联同步工作，加载数值由并联于油路中的压力传感器控制。（高压油泵）
4.2 反力系统
采用堆锚结合方法，利用一根相邻工程桩和补打一根桩作为锚桩。两根锚桩提供6000kN的反力，其他9600kN由配重块及钢筋提供。
4.3 测试系统
采用武汉岩海工程技术有限公司研制的RS-JYB基桩静载试验分析系统，试桩在加载过程中的竖向沉降采用量程为50mm的位移传感器测量。在试验桩桩头处对称安置4支位移传感器，位移量取其平均值。位移计通过磁性表座分别支撑在基准梁上，所采用主机和位移传感器均在有效计量检定期内。
图1为堆锚结合静载试验的现场图片。
在试验过程中在锚桩中心各安置一支位移传感器对锚桩的上拔量进行监测。
图1 堆锚结合静载试验的现场图片
5 检测方法
试验采用慢速维持荷载法，设计要求试验最大加载量为13000kN。
试验加荷分级为13级，每级加荷1000kN。
（1）每级荷载施加后按第5、第15、第30、第45、第60min测读桩顶变形量，以后每隔30min测读一次。
（2）试桩沉降相对稳定标准：每一小时内的桩顶沉降量不超过0.1mm，并连续出现两次（从分级荷载施加后第30min开始，按1.5h连续三次每30min的沉降观测值计算）。
（3）当桩顶沉降速率达到相对稳定标准时，再施加下一级荷载。
（4）卸载每级2000kN，每级荷载维持1h，按第15、第30、第60min测读桩顶沉降量后，即可卸载下一级荷载。卸载至零后，测读桩顶残余沉降量，维持时间为3h，测读时间为第15、第30min，以后每隔30min测读一次。
当出现下列情况之一时，可终止加载。
（1）某级荷载作用下，桩顶沉降量大于前一级荷载作用下沉降量的5倍。
（2）某级荷载作用下，桩顶沉降量大于前一级荷载作用下沉降量的2倍，且经24h尚未达到相对稳定。
（3）以达到设计要求的最大加载量。
（4）当工程桩作锚桩时，锚桩上拔量已达到允许值。
（5）当荷载沉降曲线呈缓变型时，可加载至桩顶总沉降量60～80mm，在特殊情况下，可根据具体需要加荷至桩顶累计沉降量超过80mm。
6 测试结果及分析
在各试验桩进行静载试验前对试验桩和两侧的锚桩进行了低应变反射波法检测，各受检桩均为Ⅰ类完整桩。因为扩颈桩对加大桩承载力有利，因此规范上未将其归为缺陷，检测结果见表2。
表2 试验桩及锚桩低应变检测结果一览表
依据单桩抗压静载试验观测数据，将各试验桩的主要试验数据汇总为表3。
表3 各试验桩试验数据汇总表
试验结果表明在1000kN到13000kN的各级荷载作用下，依据判稳标准，3根试验桩的沉降在各级均能够收敛稳定。加荷到13000kN后以满足6检测方法中的终止加荷的条件3），因此该级稳定后，开始卸压，试验桩的回弹成果见表3。各组试验桩的锚桩最终上拔量都小于15mm，依据规范不对工程桩承载力造成影响。
根据试验数据，绘制各试验点的荷载-沉降（Q-s）曲线、位移-时间对数（s-lgt）曲线。图2、图3为25-6号试验桩的实测Q-s曲线及s-lgt曲线。
图2 25-6号试验桩荷载-沉降曲线
图3 25-6号试验桩位移-时间对数曲线
试验桩桩径1.5m的大直径桩，各试验桩（Q-s）曲线均为典型缓变型曲线，没有发现明显的陡降点同时某一级荷载s-lgt曲线尾部出现明显向下弯曲，图1、图2分别为25-6号试验桩实测Q-s曲线和s-lgt曲线。依据《建筑基桩检测技术规范》（JGJ 106-2003）第四章4.4.2的第四条：“单桩竖向抗压极限承载力取值标准：取s=0.05D（D=1.5m）为75mm，对应的荷载为单桩竖向抗压极限承载力”，根据该规范的取值规定，可判定在13000kN的最终荷载作用下，各试验桩均未达到其极限承载力状态，由于三根试验桩的最大沉降量为22-5号试验桩为6.76mm，因此判定3根试验桩的单桩竖向抗压极限承载力Qu均大于13000kN。
7 结论及建议
22-5、25-6、33-6号试验桩的单桩竖向抗压极限承载力Qu均大于13000kN，满足设计要求。
从试验结果上看，试验桩的安全系数较高，具备较高的安全储备，在加荷到设计要求的最大加荷量后，沉降很小。如果在施工前进行试桩破坏性试验，在满足设计要求的情况下可以调整施工方案，降低一定的工程造价是完全有可能。
大吨位堆载静载试验存在着成本高、危险性高缺点。试验的每个关键环节都相当重要，若其中某个关键环节出现纰漏，都可能导致试验的失败，严重时甚至发生重大安全事故。例如在试验过程中基准桩的位置也是试验成败的关键，其应固定在试验桩影响范围以外，一般为大于等于4倍桩径的位置，以保证观测系统的稳定。基准梁应具有一定的刚度，梁的一端固定在基准桩上，另一端应简支在基准桩上，这样可以有效地防止气温、振动等的影响而发生的竖向变位。配重块要以千斤顶出力的中心对称安装，否则有可能最后几级荷载加不上压，而导致整个试验的失败，严重时反力平台有被顶翻的危险。
本次静载试验没有在桩身及桩底预埋量测元件，这对于随机抽取试验桩及试验结果更具代表性来说是有利的，但是没有取得桩身的侧摩阻力及桩端阻力，这也是有些遗憾。
目前对于大吨位的工程桩采用基桩自平衡静载试验的方法渐渐多了起来，该方法的优点是省时、省力、不受场地条件限制和综合费用低等诸多优点，在2012年7月1日起河北省工程建设标准《基桩自平衡静载试验法检测技术规程》［DB13（J）/T 136-2012］开始实施，这无疑给大吨位的基桩静载试验及方案多了一种选择。