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水利工程单桩竖向抗压静载试验研究

2024-09-02 5 上传者：管理员

摘要：以取水泵站为例研究水利工程基桩在竖向荷载作用下的受力特性和沉降特点，对典型基桩进行单桩抗压静载试验，明确了试验装置、加载方式、加载方法、判定方法，确定了单桩竖向抗压承载力特征值，判断了检测结果是否满足设计要求，为水利工程基桩设计及优化提供借鉴。结果表明：此场地单桩竖向抗压承载力特征值是十分合理和安全的，选取3根基桩竖向承载力桩端阻力所占比例不高，呈现为Q-s“缓变型”曲线，破坏特征点不明显。

关键词：
Q-s曲线
堆载反力梁装置
抗压静载试验
桩基
水利工程建设
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在水利工程建设过程中，桩基础是非常重要的隐蔽性工程。在分析单桩竖向抗压极限承载力时，需要采用接近于竖向抗压桩的实际工作条件的试验方法。目前水利工程对于基桩竖向抗压承载力方面的检测方法主要为高应变测试法和静载试验两种方式。《建筑基桩检测技术规范》（JGJ106-2014）明确规定“对于大直径扩底桩和预估Q-s曲线具有缓变型特征的大直径灌注桩，不宜采用高应变测试法[1]”。本文根据现场泵站岩性和基桩情况，以及施工组织设计具体情况，开展了单桩竖向承载力试验，采用堆载反力梁装置——油压千斤顶组成力学系统，借助Q-s曲线对检测数据进行了合理的分析和判定，总结了基桩检测曲线的沉降趋势，为设计承载力的验证提供了直观依据。

1、项目概况

1.1 工程概况

在本文研究中，主要借助取水泵站进行案例分析，开展单桩竖向抗压静载试验研究。涉及泵站工程长17.05 m，宽11.40 m，高12.00 m,3层，框架结构；基桩工程的施工总桩数为72根，桩基施工采用长螺旋成孔，设计桩长20 m、桩径800 mm，桩身混凝土强度为C30，单桩竖向抗压承载力特征值为620 kN。桩基施工结束后28 d进行了试验桩的承载力试验。

1.2 地质分析

本区域内地层发育有太古界，古生界，中生界和新生界，沉积厚度达万米以上，场地以河湖相沉积地层为主，主要为新生界地层，与下伏地层呈不整合接触，分布广泛，沉积厚度超过2 000 m。

1）杂填土和沙壤土。土呈现杂色，土质不均，厚度变化较大，主要成分为砂壤土，偶见建筑垃圾，局部富集，堆积年限小于40年。该层局部分布，厚度1.20～7.00 m，平均5.64 m；层底埋深1.20～7.00 m，平均5.64 m；层底标高10.55～11.36 m，平均10.90 m。

2）黏质壤土。土呈现灰褐色，具有软塑性，含少量有机质，摇振反应无，切面光滑，干强度中等，韧性中等。该层局部分布，厚度0.90～2.70 m，平均1.59 m；层底埋深6.20～11.60 m，平均7.84 m；层底标高6.05～7.16 m，平均6.56 m。

3）淤泥质黏土。土呈现黄褐色，摇振反应迅速，无光泽反应，干强度低，韧性低。该层普遍分布，厚度1.80～5.30 m，平均3.26 m；层底埋深7.20～15.30 m，平均9.81 m；层底标高1.68～5.26 m，平均3.47 m。

4）黏土。土呈现黄褐色，具有可塑性，夹砂壤土薄层，摇振反应无，切面光滑，干强度中等，韧性中等。该层普遍分布，厚度3.60～8.40 m，平均6.52 m；层底埋深12.20～20.50 m，平均16.34 m；层底标高-5.24～0.10 m，平均-3.05 m。

5）壤土。土呈现灰褐色，可塑，夹砂壤土薄层，见铁迹锈斑，摇振反应无，切面较光滑，干强度中等，韧性中等。该层普遍分布，厚度3.00～11.1 0 m，平均5.18 m；层底埋深20.00～25.00 m，平均21.91 m；层底标高-12.70～-6.55 m，平均-8.55 m。

6）粉砂。土呈褐黄色，饱和土，摇振反应迅速，土质较均匀，主要矿物成分为石英及长石。该层局部分布，厚度2.50 m，层底埋深25.00 m，层底标高-13.10 m。

通过对场地现场岩性勘察分析，较深揭露范围内表现为低持力土性，因此相关设计人员不断优化，最终确定为摩擦型基桩。

2、单桩竖向抗压承载力试验

单桩竖向抗压承载力试验具有经济效益好、可靠性强的特点，主要有循环加载、卸荷法等变形速率法，终极荷载长时间维持法等试验方法[2]。而我国对于基桩检测中普遍采用的方式为荷载维持法。

2.1 试验装置

1）反力装置。本试验采用压重平台反力系统[3]，主要由千斤顶—主梁—次梁—压重组成，采用油压千斤顶加载的方式，利用压重试块提供荷载反力[2]。现场压重在试验开始前一次性加上，均匀的布置在平台之上。为确保加载反力装置能够提供的反力，采用不低于最大加载量的1.2倍，现场推算采用150 t配重，检测设备主要有QF-200型油压千斤顶1台（最大起重量2 000 kN）、钢主梁1根、钢次梁6根。在最大试验加载值作用下，加载反力装置系统未出现过大的变形，强度和变形均在允许范围之内。

2）荷载和沉降测量装置。荷载测量方式选择为压力传感器测定油压，根据率定曲线直接转换，全过程实现自动化卸载和加载，以减少人工干扰和偶然误差的影响。采用基准梁加百分表的方式进行沉降值读取，选用的基准梁一端固定在基准桩上，另一端采用简支方式。位移测试表选用4块百分表（测量精度0～0.01 mm，量程0～50 mm），测定平面设置在桩顶200 mm以下。

2.2 试验原理及方法

本试验选取主流的慢速维载方式，根据现场设计情况选择最大荷载（单桩抗压承载力特征值的2倍）。按照规范要求，对最大荷载进行十等分，首次加载跨级，后续加载方式逐级增加。经过详细计算和设计，加载依次为248 kN、372 kN、496 kN、620 k N、744 k N、868 k N、992 kN、1 116 k N、1 240 kN。在逐级施加荷载的过程中，前期按照15 min间隔测读沉降数值，之后间隔0.5 h测读，直到数值维稳。对出现异常桩基沉降，例如沉降量突变至上级数值的5倍、沉降值突破40 mm、沉降无法维稳、超过设定最大承载力等情况，可终止试验。卸载过程中可跨级卸载，每间隔15 min进行测读，最后一级进行持续维稳以获得最终回弹值。

2.3 检测数据的分析与判定

单桩竖向静载试验最直接方法是获取加载—沉降（Q-s）曲线，Q-s曲线是静载试验结果的主要表现形式之一。曲线的形态表现为3种：1)Q-s曲线为“陡降型”，原因主要有：桩身存在明显缺陷，试验过程中出现了桩身破坏；设计承载力过高，桩身整体强度偏低，在高强荷载作用下出现了破坏；桩底虚土或沉渣太厚，试验时导致桩顶位移过大；桩端存在软弱持力层等导致试验时破坏。2)Q-s曲线为“缓变型”。桩身结构承载力满足要求，沉降较小，此种曲线出现在大多数工程检测中。3)Q-s曲线为“台阶型”。桩身存在水平接缝或者存在桩底虚土、沉渣被压实时，桩身能够继续承载更高强度的竖向荷载。

本试验通过现场检测对静载试验结果进行提取，对荷载—沉降（Q-s）进行绘制。为确定基桩承载力特征值，采用以下原则进行综合判断：1）若随着荷载值的加大，沉降曲线出现突然下降，则取发生明显陡降的起始点。2）沉降值过大，持续时间久而无法维稳，则取前一级荷载值。3）对于缓变型曲线，以s=0.05D作为标记点，取对应的荷载值作为本试验结果。若以上原则均不能满足，取设定极限承载力的50%作为单桩抗压承载力特征值。

3、结果分析

3.1 检测试验数据及分析

本次共检测3根试验桩，检测过程中未出现两级荷载间的沉降量陡增，且最终设计荷载内未出现沉降量超过40 mm；逐级加载过程中，桩顶沉降速率表现为早收敛特征，全部试验桩最终均达到了相对稳定状态。

3.2 试验关系曲线

对现场测试结果进行数字提取，并导入静载荷测试分析系统，未发现奇异数据点，采用origin软件对Q-s曲线进行绘制，如图1所示。

3.3 检测结论

此工程中所涉及桩基竖向抗压承载力Q-s曲线为“缓变型”，桩的沉降量分别为9.31 mm、10.16 mm,9.39 mm，卸载后塑形沉降稳定在3.47 mm,3.13 mm,2.82 mm，均表现为一定范围内的基坑回弹[4]，桩身结构承载力满足设计要求，地基土破坏不明显，试验桩竖向抗压承载力未能达到极限。取最大试验荷载1 240 k N作为其单桩抗压极限承载力，取单桩抗压极限承载力的50%作为单桩抗压承载力特征值，则该试桩的单桩竖向抗压承载力认定为620 kN。

图1 Q-s曲线图

4、建议

在实际工程中，端阻力的破坏模式较为复杂，主要集中表现为整体剪切破坏、局部剪切破坏和冲入剪切破坏。破坏形式的多样性往往是造成竖向静载试验检测曲线异常的主要原因。在对水利工程基桩进行竖向承载力试验前，建议提前进行桩身完整性的检测，分析确定小应变检测下的缺陷情况，对缺陷种类进行定性和半定量化，同时做好试验工艺的控制，确保检测数据的准确可靠。

参考文献:

[1]建筑桩基检测技术规范:JGJ 106-2014[S].北京:中国建筑工业出版社,2014.

[2]陈凡,魏明,等.基桩质量检测技术:第2版[M].北京:中国建筑工业出版社,2014.

[3]王超中,刘振华,徐石磊,等.浅谈平台反力法在喷粉桩基工程汇总试验参数的分析[J].河南水利与南水北调,2012,(20):75-76.

[4]张翔,刘松玉,吴恺,等.工程桩对基坑回弹影响的数值模拟分析[J].岩土工程学报,2021,43(z2):11-14.

文章来源:李鹏明,侯仁升,郝晓辉.水利工程单桩竖向抗压静载试验研究[J].山东水利,2024,(08):13-15.