CN106049559B - 一种基于荷载补偿的大直径桩基自平衡检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于荷载补偿的大直径桩基自平衡检测方法，属于建筑工程检测评定技术领域。该方法首先进行试桩位置处地质勘测资料的收集，初步确定试桩荷载箱的设置及安装位置；然后分别在荷载箱的上下加载面及试桩的桩顶和桩端均设置钢筋应力应变传感器和位移计传感器，在试桩的桩顶设置反力加载装置提供桩基试验中可能需要的补偿荷载，根据地质勘察数据，利用桩基监测技术，通过荷载补偿系统形成整体有效的基于荷载补偿的大直径桩基自平衡检测方法。本发明方法适用于包括高层、超高层或高耸建筑结构桩基础、大跨连续梁、大跨连续刚构桥、斜拉桥或悬索桥等桥梁结构的桩基检测。

Description

一种基于荷载补偿的大直径桩基自平衡检测方法

技术领域：

本发明涉及一种基于荷载补偿的大直径桩基自平衡检测方法，属于建筑工程检测评定技术领域。

背景技术：

自平衡测桩法是将一种特制的加载设备-荷载箱与钢筋笼相接，埋入桩的指定位置(即平衡点)，并将荷载箱的高压油管和位移棒一起引到地面，由高压油管冲油而加载，通过厚钢板将力传递到桩身。该方法要求上部桩身的摩擦力与下部桩身的摩擦力及端阻力相平衡——自平衡来维持加载。根据向上向下Q-S曲线判断桩承载力、桩基沉降、桩弹性压缩及岩土塑性变形。

基桩自平衡试验开始后，荷载箱产生的荷载沿着桩身轴向往上、往下传递。假设基桩受荷后，桩身结构完好(无破损、混凝土无离析、断裂现象)，则在各级荷载作用下混凝土产生的应变量与钢筋产生的应变量一致，通过量测预先埋置在桩体内的钢筋应变计，可以实测到各钢筋应变计在每级荷载作用下所得的应力-应变关系，推出相应桩截面的应力-应变关系，那么相应桩截面微分单元内的应变量亦可求出，由此便可求得在各级荷载作用下各桩截面的桩身轴力Pz值及轴力、摩阻力和载荷深度的变化传递规律。

自平衡试桩法相对静载试验、高应变法而言，对环境的要求低、场地的适应性强，加载能力可根据试桩要求进行专门设计、基本不受限制，整个试验持续的时间短从试验准备工作开始到试验结束，但试验费用虽较静载试验低，却比高应变法高很多。特别是自平衡试桩法因预先要埋设荷载箱而不能做到随机抽检，不可能作为工程桩随机抽检的手段。自平衡试桩法存在以下有待深人研究和完善的问题：

(1)平衡点的准确定位问题。自平衡试桩法成立的前提条件是试桩存在一个桩土承载体系的平衡分割点，并据此确定试验时荷载箱的摆放位置，这也是自平衡试桩法成败的关键。国内确定平衡点的基本方法都可直观地表达为：上段桩极限负摩阻力等于下段桩的总阻力。但由于桩穿越土层的多样性及桩土承载体系构成机制和本构关系的复杂性，平衡点的准确定位非常困难，或者说是几乎不可能的，目前仍缺乏实用、简单而有效的判断方法。实际工程中因此而导致试验失败或是试验结果出现重大偏差的情况时有发生，平衡点的准确定位也仍有待进一步的深人研究。

(2)工程桩的应用问题。工程桩能否采用自平衡试桩法进行承载力的试验，一直是国内工程界人士争论的焦点，关键问题有两个：一是是否会造成“人为断桩”；二是加载量的大小。实际上，从工程桩的使用要求和受力机理的角度而言，需要考虑的问题是：是否会影响基桩的竖向和水平承载力，是否会造成基桩在桩顶荷载作用下的沉降量加大，是否会对桩土相互作用带来不利影响，就此而言，问题的核心不是工程桩能否采用自平衡试桩法进行承载力的试验，而是如何更合理的使用。

综上分析，传统自平衡试桩法成立的前提条件是试桩存在一个桩土承载体系的平衡分割点，并据此确定试验时荷载箱的摆放位置，这是自平衡试桩法成败的关键。由于桩穿越土层的多样性及桩土承载体系构成机制和本构关系的复杂性，平衡点的准确定位非常困难，自平衡检测方法荷载箱等设备的布置与安装对试验结果影响大，这极大地限制了自平衡检测试验在桩基承载能力评价中的应用。

发明内容：

本发明针对现有桩基自平衡检测中存在的技术问题，提供一种基于荷载补偿的大直径桩基自平衡检测方法。该方法包括以下步骤：

(1)自平衡检测试验试桩位置处地质勘测资料的收集，所述地质勘测资料包括土层信息及土层参数，确定试桩桩端承载能力和桩侧阻力的贡献比例，确定试桩初始环境和桩基承载能力的主要影响因素，在桩基钢筋笼施工完成后，在试桩荷载箱的上下加载面及桩端与桩顶分别都设置钢筋应力应变传感器及位移传感器，进而建立试桩荷载箱上、下两部分桩基的监测系统，以此作为补偿荷载加载时机和大小的数据支撑，初步确定试桩荷载箱的设置及安装位置。

(2)将试桩荷载箱置于初步确定的位置上，使试桩荷载箱上部桩基自平衡反力预估为下部桩基自平衡反力理论值的0.9～1.0，对于试桩桩端处为基岩，可将试桩荷载箱置于桩端。

(3)在试桩的桩顶设置反力加载装置，提供试桩承载力检测试验中可能需要的补偿荷载，尤其对于嵌岩桩或桩端承载能力高的大直径桩基，荷载补偿装置选择自动化加载方式或附加额外配重方式。

(4)采集试桩荷载箱上、下部监测数据，并利用计算机对监测数据进行实时分析和反馈，对试桩荷载箱上下加载面及桩端与桩顶的钢筋应力监测数据比小于0.9以及试桩荷载箱上下加载面及桩端与桩顶的位移监测数据比大于1.1的数据进行反馈。

(5)当补偿荷载使试桩荷载箱上下加载面及桩端与桩顶钢筋应力监测数据比在0.95～1.0，以及补偿荷载使试桩荷载箱上下加载面及桩端与桩顶位移监测数据比在1.0～1.05时，维持补偿荷载大小，继续进行荷载箱加载。

(6)重复步骤(4)和步骤(5)，当加载到桩基设计荷载或者荷载箱上下加载面及桩端与桩顶监测数据超过设计要求时，停止自平衡检测，确定最终的桩基承载力。

(7)根据地质勘察数据，利用桩基监测技术，通过荷载补偿系统，进而形成整体有效的基于荷载补偿的大直径桩基自平衡检测方法。

本发明方法可操作性强，对自平衡检测方法荷载箱安装位置准确性要求低，并能显著提高自平衡检测试验在桩基承载力评价中应用的有效性。在桩基承载能力评价中，借助桩基位移量和应力监测技术要点，在桩基施工前根据桩基所属地质条件的勘察资料，计算确定桩基荷载箱放置平衡点的大致位置，将自平衡检测方法的荷载箱置于预估的位置之上(对于桩端为基岩时，可将荷载箱置于桩端)，使荷载箱上部桩基自平衡反力预估为下部桩基自平衡反力理论值的0.9～1.0之间，利用监测技术，在桩基施工过程中对荷载箱上下端部的应力和变形进行监测，并于桩顶设置反力加载装置(条件允许最好是自动化加载方式，也可利用附加额外配重的方式)，利用桩基的实时监测数据反馈，调整反力加载装置的补偿荷载大小，进而形成整体有效的全过程基于荷载补偿的大直径桩基自平衡检测方法。

本发明的方法与传统方法的区别是：在桩基承载能力评价中，首先通过现场勘查资料初步确定自平衡检测方法荷载箱的初步设置位置，利用桩基监测技术，在桩基施工过程中分别在荷载箱的上、下加载面，以及试桩的桩顶和桩端设置钢筋应力应变传感器和百分表，并在桩顶设置反力加载装置提供桩基试验中可能需要的补偿荷载，通过监测数据反馈确定补偿荷载大小，进而形成整体有效的全过程基于补偿荷载的大直径桩基自平衡检测方法，解决了基于自平衡检测试验的荷载箱位置确定难，荷载箱设置位置对检测结果有效性影响大等缺点。

本发明方法适用于包括高层、超高层或高耸建筑结构桩基础，大跨连续梁、大跨连续刚构桥、斜拉桥或悬索桥等桥梁结构的桩基础，尤其是在桩径大、桩基承载力大、桩基长度大、传统静载试验或高应变法无法或很难实施的建筑物或构筑物桩基检测，该方法对基于自平衡检测试验的高层与高耸建筑结构、大跨桥梁结构桩基施工环境控制与评价具有很强的可操作性和指导意义。

附图说明：

图1是本发明检测方法中操作步骤示意图之一；

图2是本发明检测方法中操作步骤示意图之二；

图3是本发明检测方法中操作步骤示意图之三；

图4是本发明检测方法中操作步骤示意图之四。

图中：1-钢筋应力应变传感器；2-荷载箱；3-导向杆；4-钢筋笼；5-桩帽钢筋网片；6-位移传感器；7-位移杆；8-土层；9-油管；10-荷载箱加载系统；11-监测数据采集系统；12-基准梁；13-梁托；14-千斤顶；15-荷载控制器；16-主梁；17-次梁；18-补偿荷载。

具体实施方式：

下面结合实施例及附图对本发明作进一步说明。

如图1、图2、图3和图4所示，本发明一种基于荷载补偿的大直径桩基自平衡检测方法具体步骤如下：

(1)自平衡检测试验试桩位置处地质勘测资料的收集，所述地质勘测资料包括土层信息及土层参数，确定试桩桩端承载能力和桩侧阻力的贡献比例，确定试桩初始环境和桩基承载能力的主要影响因素，在桩基钢筋笼施工完成后，在试桩荷载箱的上下加载面及桩端与桩顶分别都设置钢筋应力应变传感器及位移传感器，进而建立试桩荷载箱上、下两部分桩基的监测系统，以此作为补偿荷载加载时机和大小的数据支撑，初步确定试桩荷载箱的设置及安装位置。

(2)将试桩荷载箱置于初步确定的位置上，使试桩荷载箱上部桩基自平衡反力预估为下部桩基自平衡反力理论值的0.9～0.95，对于试桩桩端处为基岩，可将试桩荷载箱置于桩端。

(3)在试桩的桩顶设置反力加载装置，提供试桩承载力检测试验中可能需要的补偿荷载，尤其对于嵌岩桩或桩端承载能力高的大直径桩基，荷载补偿装置选择自动化加载方式或附加额外配重方式。

(4)采集试桩荷载箱上、下部监测数据，并利用计算机对监测数据进行实时分析和反馈，对试桩荷载箱上下加载面及桩端与桩顶的钢筋应力监测数据比小于0.9以及试桩荷载箱上下加载面及桩端与桩顶的位移监测数据比大于1.1的数据进行反馈。

(5)当补偿荷载使试桩荷载箱上下加载面及桩端与桩顶钢筋应力监测数据比在0.95～1.0，以及补偿荷载使试桩荷载箱上下加载面及桩端与桩顶位移监测数据比在1.0～1.05时，维持补偿荷载大小，继续进行荷载箱加载。

(6)重复步骤(4)和步骤(5)，当加载到桩基设计荷载或者荷载箱上下加载面及桩端与桩顶监测数据超过设计要求时(达到桩基承载能力极限值)，停止自平衡检测，确定最终的桩基承载力。

(7)根据地质勘察数据，利用桩基监测技术，通过荷载补偿系统，进而形成整体有效的基于荷载补偿的大直径桩基自平衡检测方法。

步骤(3)中所述补偿荷载的加载方式包括静力堆载、液压千斤顶和反力架动力加载及桩顶位移限位装置补偿荷载。

所述荷载箱上、下部监测数据包括荷载箱上、下加载面的应力和变形，以及桩顶和桩端截面的应力和变形数据，监测数据反馈可根据工程的重要性和补偿荷载加载的灵敏度进行调整。所述荷载箱与补偿荷载加载与维荷，应时刻保持与监测数据的一致性和连续性，避免出现荷载箱上、下端监测数据比突变。

参照高层与高耸结构桩基的设计图纸、施工技术资料等，确立结构桩基中较为重要的1根或根据设计文件要求的多根桩作为试桩，根据地勘资料确定试桩所在位置的土层环境和试桩的主要承载作用形式(摩擦桩、端承桩或摩阻与桩端阻力基本相当)，建立高层与高耸桩的设计状态、使用环境和施工环境参数。通过理论计算或数值分析确定自平衡检测方法荷载箱的初步设置位置。

见图1，本发明方法步骤(1)中自平衡检测试验荷载箱的实际安装位置的确定和实施：依据步骤(1)初步确定荷载箱的安装位置，在桩基钢筋笼加工完成后，将自平衡检测方法的试桩荷载箱置于预估的位置之上(对于桩端为基岩时，可将荷载箱置于桩端)，使试桩荷载箱上部桩基自平衡反力预估为下部桩基自平衡反力理论值的0.95处。

见图2，本发明方法步骤(1)中试桩荷载箱上、下两部分桩的监测系统建立：在试桩荷载箱设置完成后，钢筋笼进入桩孔之前，分别在试桩荷载箱的上下加载面的钢筋上，以及试桩的桩顶和桩端的钢筋上设置钢筋应力应变传感器，并在试桩荷载箱的上、下加载面以及桩端和桩顶设置位移传感器，并对相关传感器进行密封保护，将传感器线路通过保护管引出桩顶，并连接到传感器数据采集仪上，建立试桩荷载箱上、下两部分桩的监测系统。

图3和图4为本发明步骤(3)即补偿荷载系统的建立：待试桩施工完成后，在试桩的桩顶设置反力加载装置提供桩基试验中可能需要的补偿荷载(特别适用于嵌岩桩或桩端承载能力高低大直径桩基)，荷载补偿装置选择自动化加载方式，利用液压千斤顶和反力架提供桩顶补偿荷载，并将补偿加载系统连入数据采集设备中，最终建立基于荷载补偿的大直径桩基自平衡检测方法的荷载补偿系统。

图3和图4为本发明步骤(4)即监测数据反馈方法建立：将荷载箱上、下部监测数据进行采集，并利用高性能计算机对监测数据进行实时分析和反馈，当上、下端钢筋应力监测数据比为0.9时，上、下端位移监测数据比为1.1的数据进行反馈，通过理论数据分析确定荷载箱上部桩基所需的补偿荷载大小。

图3和图4为本发明步骤(5)即补偿荷载加载方式建立，利用桩基的实时监测数据反馈，调整反力加载装置的补偿荷载大小，补偿荷载施加时维持自平衡荷载箱的荷载施加，当补偿荷载使上、下端钢筋应力监测数据比为0.98时，上、下端位移监测数据比在为1.03时，维持补偿荷载大小，停止补偿荷载施加，继续进行荷载箱加载。

图4为本发明步骤(6)即基于荷载补偿的大直径桩基自平衡检测试验过程建立：重复监测数据反馈过程和补偿荷载施加过程，直至加载到桩基设计荷载或者荷载箱下部检测数据超过设计加载要求或达到桩基承载能力极限值(桩底监测数据超过设计值)，停止自平衡检测试压，与加载过程类似逐步对荷载箱和荷载补偿系统进行卸载，最终完成试桩试验，通过对整个试验过程的数据分析，确定最终的桩基承载力。

图4为本发明步骤(7)即整体有效的基于荷载补偿的大直径桩基自平衡检测方法建立：综合地质勘察阶段的技术数据，通过数值分析和理论分析初步确定荷载箱设置位置，将自平衡检测方法的荷载箱置于预估的位置之上，使荷载箱上部桩基自平衡反力预估为下部桩基自平衡反力理论值的0.95处，利用桩基监测技术建立荷载箱上下加载面和桩端桩底的应力和位移监测系统，利用液压千斤顶和反力架建立荷载补偿系统，并基于监测系统反馈数据和荷载补偿系统，在桩基自平衡试验过程中施加补偿荷载，直至加载到桩基设计荷载或者荷载箱下部检测数据超过设计加载要求或达到桩基承载能力极限值(桩底监测数据超过设计值)，停止自平衡检测试压，与加载过程类似逐步对荷载箱和荷载补偿系统进行卸载，最终完成试桩试验，通过对整个试验过程的数据分析，确定最终的桩基承载力，进而形成整体有效的基于荷载补偿的大直径桩基自平衡检测方法。

Claims (2)

1.一种基于荷载补偿的大直径桩基自平衡检测方法，其特征在于该检测方法包括以下步骤：

(1)自平衡检测试验试桩位置处地质勘测资料的收集，所述地质勘测资料包括土层信息及土层参数，确定试桩桩端承载能力和桩侧阻力的贡献比例，确定试桩初始环境和桩基承载能力的主要影响因素，在桩基钢筋笼施工完成后，在试桩荷载箱的上下加载面及桩端与桩顶分别都设置钢筋应力应变传感器及位移传感器，进而建立试桩荷载箱上、下两部分桩基的监测系统，以此作为补偿荷载加载时机和大小的数据支撑，初步确定试桩荷载箱的设置及安装位置；

(2)将试桩荷载箱置于初步确定的位置上，使试桩荷载箱上部桩基自平衡反力预估为下部桩基自平衡反力理论值的0.9～1.0；

(3)在试桩的桩顶设置反力加载装置，提供试桩承载力检测试验中可能需要的补偿荷载，尤其对于嵌岩桩或桩端承载能力高的大直径桩基，荷载补偿装置选择自动化加载方式或附加额外配重方式；

(4)采集试桩荷载箱上、下部监测数据，并利用计算机对监测数据进行实时分析和反馈，对试桩荷载箱上下加载面及桩端与桩顶的钢筋应力监测数据比小于0.9以及试桩荷载箱上下加载面及桩端与桩顶的位移监测数据比大于1.1的数据进行反馈；

(5)当补偿荷载使试桩荷载箱上下加载面及桩端与桩顶钢筋应力监测数据比在0.95～1.0，以及补偿荷载使试桩荷载箱上下加载面及桩端与桩顶位移监测数据比在1.0～1.05时，维持补偿荷载大小，继续进行荷载箱加载；

(6)重复步骤(4)和步骤(5)，当加载到桩基设计荷载或者荷载箱上下加载面及桩端与桩顶监测数据超过设计要求时，停止自平衡检测，确定最终的桩基承载力；

(7)根据地质勘察数据，利用桩基监测技术，通过荷载补偿系统，进而形成整体有效的基于荷载补偿的大直径桩基自平衡检测方法。

2.根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于所述步骤(3)中所述补偿荷载的加载方式包括静力堆载、液压千斤顶和反力架动力加载及桩顶位移限位装置补偿荷载。