自平衡法在大直径钻孔灌注桩检测中的应用研究.pdf

第6 期（总第2 90 期）2023年6 月D0I:10.16799/ki.csdqyfh.2023.06.070城市道桥与防洪URBANROADSBRIDGES&FLOODCONTROL成果应用自平衡法在大直径钻孔灌注桩检测中的应用研究郑曼（国检测试控股集团上海有限公司，上海市2 0 0 1 2 0）摘要：进人新世纪，我国东南沿海经济发展快速，区域特点为软土地质、河流众多，桥梁建设不可避免，而桥梁的安全离不开钻孔灌注桩的支撑。以某软土地区某桥梁的钻孔灌注桩承载力检测为例，在满足项目要求的基础上比选出了自平衡法检测方案，并为项目的建设提供了支撑，可以为类似项目的大直径、大吨位钻孔灌注桩承载力检测方案设计提供一定价值的借鉴。关键词：钻孔灌注桩；自平衡法；承载力检测中图分类号：U412.35文献标志码：B文章编号：1 0 0 9-7 7 1 6(2 0 2 3)0 6-0 2 7 5-0 4向尺寸4m，横桥向尺寸2 m，上层桥墩顺桥向尺寸0 引 言2m，横桥向尺寸1.41.6 m，门式框架的桥墩间距东南沿海区域是中国经济改革开放以来发展速15.3m，两个门式框架的净距0.2 m。边承台顺桥向尺度最快的板块，这就带来了城市基础设施建设的如寸5.7 m、横桥向尺寸9.7 8 9 m，承台厚度3.5 m，防水火如茶。以上海为代表的典型河流穿越型城市，不可垫层厚度0.1 m，承台下有6 根D1500mm钻孔灌注避免的建设了一定数量的大中桥梁，而桥梁的安全桩。中承台顺桥向尺寸6.2 5 m、横桥向尺寸1 3.7 5 m，离不开钻孔灌注桩的支撑1-3 。因此，研究软土地区承台厚度3.5 m，防水垫层厚度0.1 m，承台下有8 根钻孔灌注桩的检测很有必要，本文就是在这一背景D1500mm钻孔灌注桩。下，针对某桥梁的大直径、大吨位钻孔灌注桩承载力所检测钻孔灌注桩详细参数为：桩径1500mm，检测开展研究，从经济和社会效益的角度为类似项桩长8 1 m，单桩竖向抗压极限承载力设计预估值为目的检测方案提供借鉴和参考 4-6 21000kN，持力层为上海典型的第层灰色粉细砂，1工程背景成桩方法采用钻孔灌注，桩身采用水下C35强度混凝土。拟建场地典型软土地层，项目为某公路新建双层桥面简支桁架梁桥，跨径1 0 9 m，宽度3 3.7 m。上层桥面为主线道路，双向六车道，桥梁荷载为公路I级，道路上下行分离，车行道宽度为1 5 m。下层桥面为地面辅道，断面布置为双向四车道+非机动车道+人行道，桥梁荷载等级为城-A级，也是上下行分离，单侧最小路幅宽度为8 m。上部结构主梁采用双层钢桁架，上下层桥面系采用带U肋的桥面板、横梁组成的横梁体系。主桥和引桥共用下部结构，采用两个双层门式框架，桥墩通过盖梁连接，基础采用D1500mm钻孔灌注桩群桩基础。桥墩、承台采用C40混凝土，盖梁采用C50混凝土，桩基采用C35水下混凝土。下层桥墩顺桥收稿日期：2 0 2 3-0 1-1 3作者简介：郑曼（1 991 一），女，学士，工程师，从事工程检测工作。2检测方法比选钻孔灌注桩常用的检测方法有钻芯取样法、超声波透射法、低应变反射波法，高应变动力试桩法、静载荷试验法(含自平衡法、锚桩法及堆载法等)。钻芯取样法、超声波透射法、低应变反射波法为桩身完整性检测方法；高应变可检测承载力，也可检测完整性；静载荷试验包括锚桩法、堆载法及自平衡法为承载力检测的方法。钻芯取样法通常主要用于检测桩身强度以及完整性。该方法不仅可以直观观察测量，还可以利用芯样测试强度，检测结果直观、清晰、可信度高。所留钻孔可以用同标号混凝土填充，可添加膨胀剂，以便后续被检桩可正常使用。但仅能反应采样部位的混凝土质量，检测存在较大的隐患，同时检测设备占地大、价格高，性价比较低。因此不推荐采用。275城市道桥与防洪超声波透射法可以检测桩身完整性。其原理在于利用预先埋设的声测管，使得超声波在混凝土中顺畅传播，遇到缺陷会产生畸变信号。通过分析畸变波动特征，来判断混凝土缺陷的尺寸和位置等特点。优点是检测细致较准确，可以覆盖到埋设声测管的每一个截面。但检测结果仅能定性的判断桩身完整性,难以对缺陷进行定量分析,同时埋设与桩身等长的声测管导致费用较高。因此不推荐采用。低应变发射法的原理为在桩顶部位采用小锤敲击，桩顶粘接的传感器可以接收到敲击所产生的应力波信号，之后基于应力波理论，利用反演分析手段对采集数据分析研究,对桩的完整性给出判断。具有机理清晰、简便易行、性价比高等优点，但受外界干扰较大，比如多个缺陷存在时只能测到首个缺陷的反射信号，而且如果缺陷渐变也难以进行判断，同时也难以对缺陷进行定量分析。不适合用来检测承载力,因此不推荐。高应变动力试桩法可以用来检测桩身的完整性以及单桩的承载力。其原理采用重锤以自由落体击打桩顶，收集相应的数据进行计算分析，从而获得单桩竖向承载力和桩身完整性参数，也称为Case法或Cap-wape法。该方法可依据所测到的力和速度,对缺陷进行定量计算。但准确性不够高，设备昂贵，对场地和锤的要求高，易破坏桩头，且需要操作人员理论和实践水平双高。因此不推荐采用。桩基静荷载堆载法是指利用压重平台反力装置,在桩顶堆加荷载,对过程中的荷载与沉降等数据进行记录，通过分析沉降曲线的特性，对被测桩的承载力进行测算。具有精度高、误差小的优点。但加载周期长，加载设备占地大，价格较贵，可达自平衡法23 倍以上。因此不推荐采用。桩基静荷载锚桩法是指利用锚桩反力装置，在桩顶由钢梁施加荷载，对过程中的荷载与沉降等数据进行记录，通过分析沉降曲线的特性，对被测桩的承载力进行测算。同样具有精度高、误差小的优点。但同时加载周期长，安全性欠佳，存在锚筋断裂等安全隐患。因此不推荐采用。自平衡法主要适用于检测摩擦桩单桩承载力。首先需要根据试验的不同目的和条件，进行反复计算选取位置，之后在所选位置提前埋设特制的荷载箱（见图1)用于后期加载，同时在浇筑前将配套用加压管以及护管、应力计及位移杆等测试用物从地下引到地面，最后再浇筑混凝土形成桩体。根据项目需郑曼：自平衡法在大直径钻孔灌注桩检测中的应用研究基准梁系统图1 荷载箱工作原理示意图该方法的优点是装置简单易操作，几乎不需要占用场地，还可同步进行多根测试；试验费用低于静载荷法3 0%-6 0%；试验后的桩仍可正常使用。缺点是自平衡点的确定具有一定的难度（如平衡点位置偏差会导致荷载箱上下桩不能同时达到原拟定的极限条件，导致两端桩的极限承载力不等，由此导致得到的极限承载力偏低），结果不如静载荷准确，同时无法对端承桩的承载力进行检测。综上所述，由于自平衡法具有简便快捷、费用低等优点，可用于为设计提供依据，也可用于验证工程桩的承载力。因此推荐本项目采用自平衡法进行检测。3自平衡法方案设计3.1检测目的及依据检测目的：根据有关规范及设计要求，通过对工程桩的静载荷试验，了解待测桩极限抗压承载力是否满足设计要求。检测依据：设计图纸，检测合同，建筑基桩检测技术规范（JGJ106一2 0 1 4），建筑基桩自平衡静载试验技术规程（JGJ/T403一2 0 1 7）。3.2技术重难点本项目桩基具有大直径（桩径1500mm）、大吨位（单桩竖向抗压极限承载力设计预估值为2 1 0 0 0 kN)的2762023年第6 期求的时间，通过加压从地面利用加压泵进行加载，进而使得桩身承受向下、向上两个相反方向的力。充分利用桩体自成反力的特性，不仅可以获得向下方向加载的下部桩体数据，而且可以获得向上方向加载的上部桩体数据，相当于两组静载试验数据同时被获取。通过对参数之间关系的进行计算分析，进行测定桩基承载力等数据。数据采集位移传感器加载系统油管位移杆护管荷载箱2023年第6 期郑曼：自平衡法在大直径钻孔灌注桩检测中的应用研究城市道桥与防洪特点，传统常规的堆载法受场地限制难以实施，经比选自平衡法对于该项目适用性佳。但应用中需要做好几个技术关键：（1)严格选取平衡点，依据地勘参数逐次渐近计算获取合适位置使得上下位移尽可能等量又同步；（2)荷载平衡箱的尺寸与待测桩基钢筋笼内径尺寸匹配，制作和焊接安装等技术要符合要求；（3)测桩时间选取合理（一般要求达到设计强度的8 5%以上），做好全程监控并详细记录各项数据；(4)检测技术后及时通过预埋管道进行压浆处理，确保工程桩质量。3.3平衡点选取依据规范钻(挖)孔灌注桩的承载力容许值计算公式求出单桩轴向受压承载力容许值为2 45 9 0 kN承载能力极限值2 1 0 0 0 kN。计算原理为需求位置点，使得上段桩极限桩侧摩阻力与桩身自重及之和A，近似等于下段桩极限桩侧摩阻力及极限桩端阻力之和B，并确保A、B 均大于设计值1 0 5 0 0 kN。通过采用试算法，最终荷载箱选择在距桩底2 3 m处较为合适。最终加载值为2 1 2 2 95 kN。3.4加载方案荷载装置采用自平衡反力装置，埋设位置距桩底2 3 m，加载分级2 1 2 2 9 5 kN/10级。加荷系统见表1。表1 加载系统参数名称编号桩基静载荷测结-45 2试分析系统荷载箱202203090812295/24590KN测试日期为2 0 2 2.6.2 8 2 0 2 2.6.2 9。加载方式：慢速维持荷载法。测读时间如下：加载时对试桩位移量的观测时间：每级荷载施加后按第5、1 5、3 0、45、6 0 min测读位移，以后每隔半小时测读一次，当桩顶位移速率达到相对稳定标准时，可加下一级荷载；试桩位移相对稳定标准为每1h的桩顶位移量不大于0.1 mm，并连续出现两次（从分级荷载施加后的第3 0 min开始，按1.5 h连续三次每3 0 min的位移观测值计算）。卸载时，每级荷载维持1 h，按第1 5、3 0、6 0 min测读桩顶位移量，卸载至零后，应测读桩顶残余位移量，测读时间为1 5、3 0、6 0 min，以后每隔半小时测读一次，一般维持3 h。试桩加载至拟定最大加载量达到相对稳定后终止加载转为卸载。或出现规范规定的七种条件之一时,可终止加载。3.5检测结果分析方法根据建筑基桩自平衡静载试验技术规程（JGJ/T403一2 0 1 7)进行单桩竖向抗压极限承载力，应按式(1)计算：Q.-lm-W+Qud1式中：Qu为上段桩的极限加载值,kN;Qua为下段桩的极限加载值,kN；W为荷载箱上段桩的自重与附加重量之和,kN;为受检桩的抗压摩阻力转换系数。首先利用等效转换方法，基于位移同步原则，将自平衡法测得向下（Qasd)和向上（Qusu)两条曲线，拟合转换为普通静载法得到的桩顶Q一s曲线。再依据规范要求确定上段桩极限加载值Q和下段桩极限加载值Qud，最后代人式（1)计算得到被检桩的单桩竖向抗压极限承载力。4检测结果与分析试桩荷载箱加载分级按预估加载值1 2 2 9 5 kN来分级，分成1 0 级，每级加载值为1 2 2 9.5 kN，首级加载按两倍2 45 9 kN分级荷载加载。加载曲线见图2图4。16.008/mm12.80量程有效期至2022.12.152022.09.10277.(1)9.606.403.200.0013.206.409.6012.8016.00 s/mm该试桩在加载到1 2 2 9 5 kN，也就是第9 级荷载时，上段桩向上位移Q8曲线呈缓变型,8 lgt曲线呈平直型，向上最大位移量为1 2.6 5 mm，应取本级荷载量为极限承载力，故本次所测试桩上段桩的单桩竖向抗压极限承载力判定为1 2 2 9 5 kN；下段桩向下位移QS曲线呈缓变型，Slgt曲线呈平直型，最大位移量为1 3.90 mm，本级荷载量为极限承载2.4594 918图2 Q-S曲线图73779.83612295Q/kN城市道桥与防洪郑曼：自平衡法在大直径钻孔灌注桩检测中的应用研究2023年第6 期16.008/mm12.809.606.4073.200.003.2016.4019.60112.80-16.00s/mm049170.007.0014.0021.0028.0035.00 s/mm力，故本次所测试桩下段桩的单桩竖向抗压极限承载力判定为1 2 2 9 5 kN。12295kN试桩的单桩竖向抗压极限承载力Q.为：单11066kN9836kN8607kN76459,kNt/min918kN6148kN3771kN.86607kN9836kN11066kN12295kN图3 S-Igt曲线图9835147531967124589Q/kN图4Q-S等效曲线桩竖向抗压极限承载力=上段桩侧土极限摩阻力+下段桩极限承载力，按式（1)即为：12295-T0.755824.5122 079 kN。因此判定该项目试验桩单桩竖向抗压极限承载力为2 2 0 7 9 kN。5结论本文依托某大桥钻孔灌注桩承载力检测项目，依据项目特点和要求，综合比选出了最优的自平衡法检测方案，再进一步通过估算、平衡点计算、分级加载等设计，给出了较为可靠的承载力判定，较好了满足了项目需求，可以为类似项目提供参考借鉴。参考文献：1高大钊，袁聚云，谢永利.土质学与土力学 M.北京：人民交通出版社,2 0 0 1.2何平,王雷，下奕.自平衡法与堆载法的对比分析 J.工业建筑，2011(S1):37-39.3韩庆祝，胡胜华，韩朝.桩基静载试验自平衡法测试原理及方法 J.资源环境与工程,2 0 0 96):1 2 2-1 2 3.4龚维明，戴国亮，蒋永生，等.桩承载力自平衡测试理论与实践J.建筑结构学报,2 0 0 2,2 3(1):8 2-8 8.5马远刚，王邦帽.自平衡测试结果等效转换及超长桩应用 J.桥梁建设,2 0 0 3(5):9-1 1.6史佩栋，陆怡.Osterberg静载荷试桩法1 0 年的发展 J.工业建筑,1 9 9 9,2 9(1):7-1 8.+12295（上接第2 7 4页）三维可视化展示，提高了沟通、汇报及决策的效率，4结语通过标准化流程、信息化手段实现了数字化交付。所(1)本项目在全设计周期构建了环境模型及设采用的BIM与设计强耦合的工作模式，可为复杂桥计模型，并根据本项目实际特点及需求开展了梁的设计全过程BIM技术应用提供借鉴。BIM+GIS方案展示、BIM与设计方案动态优化、吊杆参考文献：深度优化、专业内及专业间碰撞检查等BIM应用相1卢吉，高畅，陈飞,等.基于BIM的复杂空间异形钢拱桥拱肋施工校关工作。核研究计 J.土木建筑工程信息技术，2 0 2 1,1 3(3):5 1-5 4.(2)在本项目BIM技术应用上，通过BIM与设2李杰.横向非对称钢拱桥设计及BIM应用 J城市道桥与防洪,2 0 2 1计深度融合，实现了设计质量提升；通过设计方案的(7):78-82,114.278and road.Keywords:road and bridge;detection;stay cable;frequency identification;IBIS-FSDetection Method Application and Cause Analysis of Typical Road Collapse:Abstract:With the rapid expansion of urbanization in China,the road collapse accidents are frequent andrecurring,which seriously threaten the social security and cause the adverse social impacts.Under thebackground of building a resilient city,the prevention of road collapse accidents has become an importanttask in the urban construction management.Therefore,it is to determine the method effectively to detectthe road collapses.It is important and practical significance to analyze the causes of typical roadcollapses.The applicability of the detection method is determined by comparing the geophysicalprospecting data before and after causing the cavity in a typical area.Through the pipeline endoscopicdetection and road settlement monitoring,the development process of the collapse is analyzed,and therelevant suggestions are put forward to provide a basic basis for the prevention and control of roadcollapse.Keywords:road collapse;ground penetrating radar;seismic image;hidden disease;collapse causeWANG Rui(267)Application of BIM Technology in Design Stage of Mesh Suspender Arch BridgeAbstract:In the design stage of long-radius horizontal-curve mesh suspender arch bridge,BIMtechnology is used to establish the full-stage model for 3D display,which is used to assist in determiningthe positioning of suspender,the spacing of suspender and the other important data.The collisioninspection is carried out for the multi-specialty models to realize the project visualization,the projectquality improvement and the digitization delivery.The effect and value of BIM technology in the designstage of bridge can provide the reference for the deep integration of BIM and design of the similar bridges.Keywords:mesh suspender arch bridge;BIM application;auxiliary design;deep integrationLI Huixin(271)Research on Application of Self-balancing Method in Detection of Large-diameter Cast-in-situ Bored PilesZHENG Man(275)Abstract:Coming into the new century,the economy of the southeast coastal areas in China is developingrapidly.The regional characteristics are the soft soil geology with many rivers.The bridge construction isunavoidable,and the bridge safety cannot be separated from the support of cast-in-situ bored piles.Taking the bearing capacity detection of cast-in-situ bored pile of a bridge in soft soil area as an example,the detection schemes of self-balanced method are compared on the basis of meeting the projectrequirements,and provide the support for the project construction,which can provide some valuablereference for the design of bearing capacity detection scheme of large-diameter and large-tonnagecast-in-situ bored piles of similar projects.Keywords:cast-in-situ bored pile;self-balance method;bearing capacity detectionTHE RELATIVE SPECIALITIESStructure Design and Analysis of Large-span Irregular Sections for Urban Underground Complex:ZHU Xinlong(279)Abstract:The structure design conception and calculation analysis of irregular sections in an urbanunderground complex project under construction are introduced.This project is a huge urban