基于水上静载试验的桩基设计优化

基于水上静载试验的桩基设计优化

康喆1·2，周科1·2，刘君1·2，韩凯凯1·2，徐彬1·2

中船第九设计研究院工程有限公司，上海 200090；2.上海海洋工程和船厂水工特种工程技术研究中心，上海 200090

摘要：利用锚桩法桩基静载荷试验对水上平台的预应力混凝土管桩进行极限承载力检测，根据施工现场实测情况对原设计桩长进行合理优化、对停锤标准提供可靠依据。

关键词：水上静载试验 锚桩法 桩长优化

一、工程概况

赣榆海域拟建3座海上平台及3座连接引桥。平台及引桥均采用高桩梁板结构，总面积约1万平方米，桩基均采用直径800mm的PHC（B130）管桩。

本工程海域为潮间带，涨潮时平均水深2~3m，落潮时岸滩裸漏，岸滩裸漏表层为中粗砂层，基岩埋深较深。地层主要以细砂、中砂为主，中间夹层为粉土、粉质粘土层。根据勘察资料，第⑦层中砂和第⑧层粗砂埋深25~35m，力学性能好，可作为桩基持力层。初步设计中考虑桩基打入持力层4~6m，根据《码头工程设计规范》中的经验系数法，考虑设计桩长37m左右，计算得桩基极限承载力达到6100kN，可满足设计需求。然而根据工程经验，本工程所在区域细、中砂厚度普遍达到10~20m，桩基施工中需穿透细、中砂层，打至设计深度的难度较大，因此，拟定根据静载试桩获取更准确的桩基设计参数和桩基承载力，并进一步优化桩基设计长度。。

二、静载试桩方案

依据《水运工程地基基础试验检测技术规程》（JTS 237-2017），为充分验证工程区域桩基设计参数，本次静载荷试验共安排2组，分别命名为S1和S2。
为使2组试桩更具典型性，S1桩布置于14#排架，位于引桥和平台交汇处，距岸较近；S2桩布置于15#和D#排架相交处，离岸较远。第一组试验需在试桩周围施打4根锚桩及2根基准桩，锚桩距离试桩5.0m，基准桩距离试桩3.5m，锚桩为直径800mm的PHC（C130）管桩，基准桩为直径529的钢管桩，基准桩长度为20.0米，桩顶标高同试桩S1。第二组试验在试桩周围打4根锚桩及4根基准桩，试验桩锚桩距离试桩6.4m，基准桩距离试桩3.5m或5.4m，锚桩和基准桩均为为直径800mm的PHC（C130）管桩，桩顶标高等其他条件同试桩S1。
为优化工程投资，静载试验桩以及锚桩均在设计桩位中选取，因此，两组试桩的桩位布置因地制宜，不尽相同。试验完成后，试验桩及锚桩经检测合格后作为工程桩使用。同样考虑投资因素，本次静载试验采取验证性试验，避免对试验桩和锚桩产生破坏。同时，为保证试验得到的承载力可性度，考虑在静载试验前后对试验桩进行大应变测试，复核桩基承载力。

综上，初定静载试桩流程为：（1）试验桩试打沉桩，锚桩沉桩。（2）打桩完成后进行大应变试验（初打）。（3）进行静载试验。（4）静载试验完成后，再次进行大应变试验（复打）。

本试验使用慢速维持荷载法进行加载，当施加总载荷满足单桩承载力设计要求时停止加载，试桩、锚桩、基准桩桩位示意图如下：

图1  S1桩垂直静载荷试验桩位图

图2  S2桩垂直静载荷试验桩位图

三、方案实施

按照预定流程，试沉桩是本次静载试桩的第一步。其目的主要验证工程区域桩基的可打性，对设计桩型、桩长的合理性做出初步判断，同时获取更为直接的打桩参数。根据地质勘察结果，本工程地层相对均匀，工程初步设计桩长平均约为37m，持力层为中砂（粗砂）层，设计停锤贯入度为5mm/击。实际试打中，沉桩至等效桩长30m左右时贯入度逐渐降至10mm以下，至等效桩长33m左右时，贯入度以达到预估的停锤参考值，且单桩总锤击数超过1500锤。设计判断继续沉桩难度较大，且桩身有损坏风险，可停锤。同一组试验位置的试验桩和其他作为锚桩的工程桩打入长度基本一致。

第二步，沉桩结束后，立即对桩基进行了第一次大应变检测。为避免静载试验与大应变试验互相干扰，并非选择静载试验桩进行大应变试验。同时，为使静载试验与大应变检测之间具有相关性，大应变检测桩基采用距离静载试验桩最近的工程桩（如图1，2）。

第三步，实施静载试验。

本次静载荷抗压试验设计预估试验桩最大极限承载力为6100kN，按规范要求配备10000kN级试桩架和3台3200kN油压千斤顶、70MPa高压油泵和高压油路系统，用系统标定合格的精密油压表控制荷载。由专用试桩程序软件电脑自动控制整个试桩过程、自动读数、存储试验数据、自动判别。试验反力架安装见示意图3。

图3 抗压试验反力架安装示意图（10000kN级）

静载荷试验时，每根试验桩用2根基准桩架简支梁安放位移计的磁性表座。一根试验桩需在同一平面均匀对称安放4只电子位移传感器。每根锚桩安放1只位移传感器，同时测量试桩下沉量和锚桩上拔量。

试验加载方法：采用慢速维持荷载法，即逐级加载，直到试桩沉降达到相对稳定标准。

加载分级：加载分级为预估极限荷载的1/10，第一级按2倍分级荷载加荷。

沉降观测：每级加载后测读时间分别为沉降测读时间应为加载后第5min、15min、30min、60min，以后每隔30min测读一次；卸载时沉降测读时间为5min、15min、30min、60min，以后每隔30min测读一次，维持时间结束时再测读一次。

终止加载条件：达到下列条件之一时，可终止加载:

(1)桩顶沉降量超过40mm,且在某级荷载作用下，桩的沉降量为前一级荷载作用下沉降量的5倍或Q～s曲线出现可判定极限承载力的陡降段；

(2)加载已达到试桩设备的最大承载能力或桩身结构强度值；

(3)在加载过程中，发现试验桩桩顶偏离轴线的位移过大，危及试验安全；

(4)试验的加载量达到设计要求。

卸载与回弹观测：卸载级差按加载级差的两倍进行卸载，卸载后隔5min测读一次，全部卸载后60min再测读一次。

所有加卸载过程遵循《水运工程桩基设计规范》(JTS 147-7-2022)及《水运工程地基基础试验检测技术规程》(JTS 237-2017)中慢速维持荷载法的有关条款执行，由专用试桩程序软件电脑自动控制整个试验过程。试验现场布置见图4、图5。

图4  试验桩S1设备布置情况

图5  试验桩S2设备布置情况

第四步，静载试验完成后，再次进行大应变试验（复打）。试验选择第一次进行大应变试验同一根桩。

四、实验结果及分析

依据规范，经锚桩法水上静载荷试验进行检测的2根工程桩，但其单桩竖向抗压极限承载力均不小于6100kN，单桩竖向抗压极限承载力结果均符合设计要求。静载荷试验检测汇总表及Q-s曲线、s-lgt曲线见以下图表。

静载荷试验检测汇总表

图7 试验桩S1的Q-s曲线

图8 试验桩S1的s-lgt曲线

图9 试验桩S2的Q-s曲线

图10 试验桩S2的s-lgt曲线

从实际沉桩长度可知，S1附近与S2附近实际沉桩长度为33m，33.6m。从静载试验结果可知，在两个试验区域，桩长为33m、33.6m时，单桩承载力极限值均可满足设计要求。

同时，两组试验桩附近各取一根工程桩做高应变检测，检测结果如下：

工程桩高应变检测结果

由上表可知，高应变检测桩复打值均大于设计要求单桩竖向抗压极限承载力值。两组检测桩区域桩基极限承载力均超过初步设计要求的6100kN，进一步说明静载试桩的结论是准确合理的。

综合静载试桩的结果和大应变初、复打的检测结果可知，桩长达到33.6m的情况下，桩基承载力已能满足设计要求。考虑区域分布的不均匀性，且留有一定富余，桩身设计长度平均取值34m能够满足上部受力要求。因此，可将平均设计桩长从37m优化至34m。

五、结论

通过本次试验结果可发现：首先，与规范中经验系数法相比，锚桩法静载荷试验可较为准确地确定水上工程桩实际单桩轴向抗压极限承载力；其次，在类似本工程的砂层较厚的地质条件下，在设计阶段利用静载试验结果对设计桩长进行优化是合理可行的。最后，本试验中，水上桩基承载力检测中考虑了试验桩、锚桩与工程桩的结合，布桩方案和试验过程可供类似工程参考。

参考文献

1. JTS 147-7-2022.水运工程桩基设计规范[S].
2. JTS 237-2017.水运工程地基基础试验检测技术规程[S].
3. 刘捷,顾章川，俞先江.锚桩法静载桩基检测在港口工程试桩中的应用[J].铁道建筑,2014,6:63-65.
4. 郭伟,马慧青.浅谈锚桩法在水运工程基桩静荷载试验中的应用[J].港工技术,2016,53(2):92-94.
5. 王志慧.水运工程基桩静载荷实验中锚桩法的应用[J].珠江水运.2021,1:79-80.