试桩及桩基承载力评价

山洞电厂试桩及桩身承载力评价

[摘 要] 通过试验桩的全过程提取冲孔灌注桩身承载力，试验内容包括：钢筋应力计、静载、大应变、小应变; 结论采用动静对比法得出建议结果，确定竖向力、水平力、抗拔力设计承载力统计特征值。 [关键词] 试桩；钢筋计；静载；桩身承载力；桩身设计承载力统计特征值

1 前言 1.1工程概况

越南山洞热电厂（2ｘ110MW ）工程，厂址位于越南社会主义共和国北江省山洞县境内的Dongri 煤矿附近, 地处山区，道路条件差，交通不便。原场地起伏较大，山沟部分是回填土，不能满足上部结构对地基的要求，原状土层存在较多孤石, 根据初步设计阶段的岩土工程勘察报告和施工图阶段的试桩技术要求，对厂区主要建筑物的地基处理拟采用冲孔灌注桩方案。 1.2、试验目的

（1）确定单桩竖向、水平向和抗拔承载能力及其控制指标；(2）确定各层土的桩侧摩阻力、桩端持力层的端阻力及摩阻力；（3）确定单桩在高（低）应变动荷下与静荷载试验相关关系；(4）确定桩端进入持力层的合理深度； 1.3 试验原则及试验内容 1.3.1 试验原则

根据试桩任务书的要求，确定此次试桩的原则为：

（1） 选择适宜试桩位置，尽可能保证试桩成果有代表性；

（2） 试桩区域的3根试桩中应有1根做破坏性试验或3倍的估算单桩承载力设计

值，其余按不小于估算单桩承载力设计值的2.0倍加载；

（3） 每个试桩区域的3根试桩中应有2根试桩做水平载荷试验；

（4） 不同长度的桩各选择2根试桩进行桩身应力应变测试；3根试桩均进行高应变

测试，其余所有试桩和抗拔桩均进行低应变测试； 1.3.2 试验内容

（1）竖向静载荷试验; （2）应力应变试验; （3）水平抗力试验; （4）抗拔试验（5）动力锤击试验

（6）对施工工艺进行试验 2 场地岩土工程条件(略) 3. 试验方案设计 3.1 试验位置及试桩布置

根据设计提供的灌注桩试桩技术要求，依回填土的厚度分为两个试验区（A,C ）设计确定的试桩区。 3.2 试桩设计参数

冲孔灌注桩试桩设计及施工参数

注： （1）选用第三系基岩（中等风化层）作为桩端持力层。

（2）灌注桩参数： 混凝土等级：C25; 钢筋：主筋（II 级）；箍筋（I 级）；加劲筋（II 级

; 螺旋箍筋范围：距桩顶1.5m 范围内间距100mm ，1.5-8.5m 范围内间距200mm ，其余范围内间距300mm 。

4 试桩成桩工艺

4.1 冲孔灌注桩介绍及施工

为保证钢筋计安装的准确性对称安放钢筋计的桩位进行了详细的钻探。(超前钻勘探资料略)

施工设备：采用中国制造的KP-1500型冲孔桩机，最大允许成桩直径1500mm

；PM3P 型的

泥浆泵，配备12t 汽车吊一台，其他辅助设备若干。

山洞电厂冲孔桩试验施工统计表

4.2 桩头的制作

试桩顶部应制作桩头，桩头配置加密钢筋网2～3层，和以薄钢板圆筒做成加箍筋与桩顶混凝土浇成一体，混凝土强度等级为C40，其尺寸及配筋按照加载设备和测试设备要求制作。

5 试验检测与结果

5.1 单桩竖向抗压静载试验 5.1.1 试验方法

本次冲孔桩的竖向抗压静力载荷试验按照中国《建筑基桩检测技术规范》 (JGJ 106-2003 J 256-2003)第四章所规定的标准执行。试验装置及现场情况见右照片：

5.1.2 单桩竖向极限承载力的确定方法

1) 当Q-S 曲线上有可判定极限承载力的陡降段，且桩顶总沉降量达到40mm ； 2) 桩顶总沉降量达到40mm 后，继续增加2级或2级以上荷载仍无陡降段。 5.1.3 桩试验结果

A 组垂直静载试桩结果汇总表(曲线图略)

C 组垂直静载试验结果汇总表(曲线图略)

施工和加载情况分析是桩底沉渣过厚原因。

5.2 单桩竖向抗拔静载试验

本次钻孔桩的竖向抗拔静载试验按照中国《建筑基桩检测技术规范》 (JGJ 106-2003 J 256-2003)第五章所规定的标准执行。

抗拔力试验结果汇总表( 曲线图略)

说明： 试验D1桩时荷载加至1500 kN桩身和钢筋都没有达到极限，因此试验B1桩时荷载在1500 kN后继

续往上加，至1950 kN 抗拔装置出现严重变形，为确保试验安全停止了试验。试验发现，由于试验桩底端嵌入岩石1m ，该试桩的极限抗拔强度将主要取决于钢筋的抗拉强度, 允许抗拔力可取750 kN。

5.3 单桩水平静载试验

本次钻孔桩的水平静载试验按照中国《建筑基桩检测技术规范》 (JGJ 106-2003 J 256-2003) 第六章所规定的标准执行。 使用2块百分表作为读数仪表，上表和下表的间距为500mm ，所有百分表均经过越南国家计量单位进行了标定。

水平静载试验结果汇总表

5.4 桩身应力测试 5.4.1 测试原理

计算公式

轴力计算P gi ＝k （f 0－f i ）

式中：P gi ——第i 次测量的钢筋拉（压）力，i=1、2、3…；

2

2

f 0——初始频率； f i ——实测频率；

k ——钢筋计灵敏度系数；

试桩弹模应为：E =〔E s ×16 Ag +E c ×(A -16A g ) 〕/A (-2)

计算得：Φ1000试桩弹模为3.132×10MPa ，Φ800试桩弹模为3.138×10MPa ； * *

计算桩身混凝土截面应力σh ：σhi ＝计算桩身截面轴力N ：N i ＝σhi ·A (-4)

*

计算桩身侧摩阻力q s ：q si ＝－(-5) D πH

i

44

P gi A g

E

E s

1∆N i

q si 为每段地层H i 的侧摩阻力； D为桩的直径；∆N i

钢筋计测试表格整理如下( 试验记录略)

1) 垂直(水平) 应力测试记录表;

2) 垂直(水平) 应力测试加载时间内读数计算表; 3) 垂直(水平) 钢筋计应力计算表; 4) 垂直应力测试桩身砼应力计算表; 5) 垂直应力测试桩身轴力计算表; 6) 垂直应力测试桩身摩擦力计算表; 7) 桩竖向抗压桩身轴力分布图;(H-Q) 8) 桩身竖向抗压侧阻力分布图; (h-qs) 9) 竖向抗压桩端---阻力荷载分布;(D-Q)

10) 桩水平力试验桩身应力分布图; (水平H-h-σg) 11) 桩身水平力--最大弯矩截面钢筋应力图; (水平H-σg)

为地层的上下界面的轴力差。

5.4.2测线安装及测试(钢筋计安装埋设记录略) 5.4.3 竖向抗压桩桩身应力测试结果

A1、A2钢筋计抗压测试分析

说明:A1桩在-7m 左右偏桩，经过修孔, 孔径较大, 此处摩擦力增长明显。

C1、C2钢筋计抗压测试分析: ( 试验记录及报告略)

5.4.4 单桩水平静载试验桩身应力测试结果

C1钢筋计水平测试分析:

A2钢筋计水平测试分析: ( 试验记录及报告略)

5.5 桩的动力测试

A 、小应变（PIT ）检验

按照ASTM D5882-96(Standard Test Method for Pile Integrity Testing) 中之规定，使用PITWAP 软件进行数据采集及分析处理。对各试验桩进行了桩身完整性的检测，以判断施工质量是否满足试验要求, 其结果全部符合要求， （小应变（PIT ）检验结果汇总表及检验报

告略）

B 、大应变（PDA ）检测

按照ASTM D4945 (Standard Test Method for High – Strain Dynamic Testing of Piles) 中之规定，使用锤重8.7 t ，落距2米，自由下落对试桩施加冲击力；使用CAPWAP 软件进行数据采集及分析处理。

6 试验成果综合评价

6.1 桩的竖向极限承载力评价

从整个试桩结果分析，大应变和垂直静载结果很相近，结合钢筋计测试结果，单桩竖向极限承载力统计值在10500 kN 以上，综合考虑多个因素可初步判定竖向极限承载力统计值为11000 kN ，单桩竖向设计承载力统计值为5500 kN 。 6.2 单桩竖向极限承载力计算参数的选取

按规范单桩竖向极限承载力可按下列方法综合分析确定：

★根据沉降随荷载变化的特征确定：对于陡降型Q-S 曲线，取其发生明显陡降的起始点对应的荷载值。

★根据沉降随时间变化的特征确定：取S-LGT 曲线尾部出现明显向下弯曲的前一级荷载值。

★对于缓变型Q-S 曲线可根据沉降量确定，宜取S=40MM对应的荷载值；当桩长大于40M 时，宜考虑桩身弹性压缩量；对直径大于或等于800MM 的桩，可取S=0.05D（D 为桩端直径）对应的荷载值。

注：当按上述三款判定桩的竖向抗压承载力未达到极限时，桩的竖向抗压极限承载力取最大试验荷载值。

竖向极限承载力标准值选取：两组试验中只有C3桩时达到上述第三条极限承载力为9000 KN ,其它5根试桩均未达到极限载.

1) 、每个桩按最大加载值做为单桩竖向极限承载力标准值: QU 如下

Q ui A1=10500 kN ，Q ui A2=10500 kN ，Q ui A3=15000 kN ，Q ui C1=10500 kN ，Q ui C2=10500 kN ，

Q ui C3=900T

计算n 根试桩实测极限承载力平均值Q um =（10500*4+15000+9000）/6=11000 kN 2) 、计算每根桩的实测值与实测值之比

a （A1）=Qui / Qum =0.95, a（A2）= 0.95，a （A3）=136， a（C1）= 0.95，a （C2）= 0.95，a （C3）=0.818

3) 、计算标准差Sn

2Sn ＝ √(∑(ai-1)/(n-1) i=1

Sn=√(((0.95-1)^2*4+(1.36-1)^2+(0.82-1)^2)/(6-1))=0.185

★ 按参加统计的试桩结果，当满足其极差不超过平均值的30%时，取其平均值为单桩竖向抗压极限承载力。因此: 单桩竖向抗压极限承载力统计值Qu=11000 kN

4) 单位工程同一条件下的单桩竖向抗压承载力特征值R a 应按单桩竖向抗压极限承载力统计值的一半取值。因此: 单桩竖向抗压极限承载力统计值Ra=5500 kN 6.3 单桩竖向抗拔极限承载力

单桩竖向抗拔极限承载力可按下列方法综合判定：

★根据上拔量随荷载变化的特征确定：对陡变型U-Δ曲线，取陡升起始点对应的荷载值；

★根据上拔量随时间变化的特征确定：取Δ-LGT 曲线斜率明显变陡或曲线尾部明显弯曲的前一级荷载值。

★当在某级荷载下抗拔钢筋断裂时，取其前一级荷载值。

抗拔力试验结果表明单桩上拔极限承载力取决于钢筋的曲服强度（按规范标准计算在1500 KN ，按实际试验，越南生产的钢筋在2560 KN ）, 其极限承载力在1500 KN 以上.

1) 单桩竖向抗拔极限承载力统计值:(1500+1900)/2=1700 KN 。

2) 单位工程同一条件下的单桩竖向抗拔承载力特征值应按单桩竖向抗拔极限承载力统计值的一半取值。

ⅰ、单桩抗拔力承载力特征值为850 kN ；

ⅱ、当工程桩不允许带裂缝工作时，取桩身开裂的前一级荷载作为单桩竖向抗拔承载力特征值，并与按极限荷载一半取值确定的承载力特征值相比取小值, 单桩抗拔力承载力特征值为750 kN。

6.4 单桩水平承载力、地基土的水平抗力系数及有关参数

从两根不同桩长水平力测试结果分析，桩长对水平力有少量影响，对于20m 的单桩水平极限承载力在480 kN 以上，单桩水平设计承载力可判定为240 kN 。

计算水平力抗力系数: 1) 计算EI

钢筋弹性模量Es=200000 MP,砼弹性模量Ec=28000 MP,桩身钢筋配筋(16&20)= 0.0064,桩径: 1m 2) 试算桩水平位移系数Vy

查表5.4.2得桩水平位移系数 5

3)C1、A2桩水平力试验在3mm,5mm,7mm 变形下的水抗力系数m 计算

m =

(ν

y

⋅H

53

)

3

23

（JGJ 106—2003----6.4.1-1）

1

式中 m——地基土水平土抗力系数的比例系数（kN/m）； α——桩的水平变形系数（m ）；

–1

⎛mb 0⎫5α= ⎪ （6.4.1-2）

EI ⎝⎭4

b 0Y 0(EI )

νy ——桩顶水平位移系数，由式（6.4.1-2）试算α ，当αh ≥4.0时（h 为桩的入土深度），其值

为2.441；

H ——作用于地面的水平力（kN ）；

Y0——水平力作用点的水平位移（m ）；

EI ——桩身抗弯刚度（kN·m2）；其中E 为桩身材料弹性模量，I 为桩身换算截面惯性矩； b 0——桩身计算宽度（m ）；对于圆形桩：当桩径D ≤1m 时，b 0 =0.9（1.5D +0.5）；

当桩径D ＞1m 时，b 0=0.9（D+1）。对于矩形桩：当边宽B ≤1m 时，b 0=1.5B+0.5；当边宽B ＞1m 时，b 0=B+1。

4

6.5 桩的动静对比

6.6 施工的有关问题

冲孔灌注桩很适合山洞的桩基工程，土质很硬，冲孔速度很慢，遇到石头容易偏孔。施工试验桩成孔时施工条件虽然很差，总体还是满足试桩的要求。在做C3破坏桩时没有成功加到15000 kN ，说明沉渣处理是端承桩的关键工艺。 7 结论及建议

1） 从本工程地质和冲孔施工情况看，冲孔灌注桩很适合本工程的地基处理。施工采用

工艺可靠，施工质量稳定。

2） 单桩设计承载力

依照本报告提供的设计参数及施工参数施工，该场地单桩承载力为：

A) 竖向力：从整个试桩结果分析，高应变和垂直静载结果很相近，结合钢筋计测试结果，单桩竖向极限承载力在10500kN 以上，单桩竖向设计承载力统计值为5500kN ，单桩竖向设计承载力特征值可取为4500~5500kN（扣除设计标高以上土层的摩擦力）。

B) 水平力：从两根不同桩长水平力测试结果分析，桩长对水平力有少量影响，对于20m 左右的单桩水平极限承载力在480kN 以上，单桩水平临界荷载可判定为240kN 。 C) 抗拔力：抗拔力试验结果表明单桩抗拔极限承载力取决于钢筋的屈服强度（按中国标准在1500kN ，越南钢筋在2560kN ），单桩抗拔力承载力统计特征值为850kN ，单桩抗拔设计承载力可判定为750~850kN。

3） 本工程桩端进入中风化岩层0.5m~1.0m可以满足桩身设计承载力要求。