端承型大直径桩墩竖向承载力检测方法 所属技术领域
本发明属于建筑技术领域。背景技术
高层、超高层建筑日渐增多，大直径桩子承载力数百吨、数千吨的桩子普遍应用，竖向静载试验比较困难，美国西北大学土木系荣誉教授Jorj.osterberg博士发明了自平衡测桩法，获得美国深基础协会突出贡献奖，并很快在世界各地推广应用，其原理是利用千斤顶式的荷载箱(o.cell)装在桩底，借千斤顶油压系统的压力向上推桩身测桩子的摩阻力，向下推压桩子的持力层，推力的二倍即为桩子的承载力，如一方提前破坏则得不到桩子的总承载力。我国南方对于持力层总承载力较小，桩身长总摩阻力大于持力层端承力，是在桩身下部某一高度处按装荷载箱(o.cell)使下部的端阻力和部分摩阻力之和等于平衡桩子上段的总摩阻力，然后将荷载箱处的空穴通过予埋管路高压灌满流膨胀砼连成整体。
此种方法只适用我国南方，砂土比较松散的地质条件。对于北方等地，密实砂土条件，持力好，土层较浅，桩身长度较短，端阻力远大于桩身摩阻力数倍数十倍，因不能使桩侧摩阻力与桩端阻力自平衡，而不能检测桩的承载力。发明内容
针对现有方法存在的问题，本发明提供一种端承型大直径桩墩竖向承载力检测方法。
检测步骤：
(1)根据地质勘探资料，估算桩的端承力、摩阻力数值，设计制作荷载箱；
荷载箱由上表面、下承压板、缸体、流态膨胀混凝土注入管和输出管桩端沉降测量管及活塞构成。
荷载箱上平面与桩身截面相同，荷载箱下承压板通过计算确定，截面面积小于上平面面积(如图2)。试验通过油泵将液压油从无缝钢管(导管2)中压入荷载箱缸体，在缸体内产生高压，推动荷载箱下承压板压地基，荷载箱上表面推动桩身，桩自平衡，从而测得桩承载力，地基的下沉量由焊接在荷载箱下表面的钢管内的钢筋位移确定。测试结束后，从钢管(导管1)向荷载箱缸体内、外注入流态膨胀混凝土。
(2)荷载箱焊接于通长钢筋笼端部，将钢筋笼吊装放入桩孔内；
(3)清理桩孔、验收、浇注混凝土；
(4)混凝土强度生成70％后，慢速维持荷载法或快速维持荷载法检测桩承载力；
(5)然后向荷载箱高压注入流态膨胀混凝土。
本发明要求确定加载量、位移稳定条件和卸载条件：
(1)每级加载量的确定：每级加载量为摩阻力理论计算值的1/8～1/10。
(2)位移稳定条件的确定：
规定时间内位移的两次读取数据相差0.1mm视为本级加载完成，进行下一级加载。
(3)卸载条件
频率计频率大幅下降，桩顶位移激增，桩底位移回弹视为终止试验条件。
承压板设计
荷载箱上表面承压板与桩身截面相同。荷载箱下表面承压板通过计算确定，截面面积小于荷载平面面积(如图2)，并焊接于荷载箱活塞，下承压板面积计算如下：
a，根据地质资料确定桩端地基承载力qp，估算桩侧摩阻力Qs；
b.计算下承压板面积：
A下承压板-荷载箱下承压板面积
c.下承压板截面形状与桩相同
荷载箱设计
荷载箱缸体为圆柱形(如图1)，缸体直径、壁厚、活塞、密封设计与千斤顶设计相同。缸体直径小于下承压板直径或边长。导管1、2为无缝钢管(导管2设计中要满足油泵压力要求)，同时应符合注入流态混凝土的技术要求。导管1根部为凸形截面，以利于混凝土向此处注入。
检测压力及位移地确定
检测压力从油泵油表读取，下承压板下沉量测量从导管[1]内焊接于下承压板的钢筋位移量取，桩顶位移出安装于桩顶的百分表量取。
桩承载力的确定
下承压板下沉降量≤0.012～0.015D或油泵压力下降、桩顶位移激增、下承压板位移回弹时对应的油表压力为下承压板对地基的压力(Po)。桩承载力公式为：
其中A桩端——桩端截面面积，A压板——下承压板面积，Q——桩承载力
对自平衡予估不准情况，桩承载力可按第3项中第(3)条方法适当调整。
(1)检测工作说明
油泵将液压油从无缝钢管[导管2]中压入荷载箱缸体，从缸体内产生高压，推动荷载箱下承压板压地基，荷载箱上表面推动桩身，桩自平衡，从而测得桩承载力，地基的下沉量由焊接在荷载箱下表面的钢管[导管1]内的钢筋位移确定。测试结束后，从导管向荷载箱缸体内、外注入流态膨胀混凝土(如图1)。
理论依据
(1)大直径桩的破坏特点
大直径桩子的工作特点与中小直径桩不同，在大量试验的基础上，1988年Meyerhof指出，大直径桩子是“渐进型破坏”。实际是因为直径大，持力层压缩影响深，下沉变形大，桩端周边产生八字形斜向裂缝，持力层脱离桩子周围土柱的约束作用，随着荷载增加裂缝扩大沿伸，达一定程度桩端土楔将裂缝挤压闭合，荷载继续增加，裂缝扩大，再挤压闭合。这样渐进破坏，荷载下沉曲线呈台阶状如图5所示。这是渐进破坏的特点。由于它端点周边出现斜向裂缝，持力层不再受其上土柱的约束作用，所以osterberg测桩法正是适应此种破坏情况，才得到各国专家的认可和推广应用。
(2)地基模型为弹性半空间体，依据弹性力学理论：表面作用直径为D的圆形均布荷载P0时，沉降量公式为：S=1-μ2EDP0]]>(1)
式中E，μ为土的变形模量和泊桑比。静载试桩确定桩子的承载力常以S＝1.5D％为准，于是1.5D%=1-μ2EDP0]]>(2)消除式中D得，P0=0.015E1-μ2]]>(3)
同理，对于小直径(d)桩，代入式(1)，得1.5d%=1-μ2EdP0]]>(4)
消除(4)式中的d，则有：P0=0.015E1-μ2]]>(5)
公式(3)、(5)二者相同，按相似关系，故可用小桩模拟。于是测得各模型桩的承载力公式为：
其中A桩端——桩端截面面积，A压板——承压板面积
(3)当自相平衡予估不准时，可按以下方法调整：
A.下部端阻力小时，摩阻力荷载一位移曲线可适当外延(如图4)
B.上部摩阻力小时，端阻力荷载一位移曲线可适当外延(如图3)
根据外延适当减小，仍可求得桩子承载力值。
适用范围：
随着基本建设的迅猛发展，桩墩基础越来越多的应用于建筑物、构筑物的基础，大型、高承载力桩墩已有较多应用实例，但对上述特殊条件的桩墩基础承载力检测却未能解决。本发明适用于端阻力大于摩阻力的大直径桩墩基础，桩墩承载力越高，本发明方法越能显现优越性。我国2002年4月颁布的新的地基基础设计规范第8.5.5条规定的深层平板试验确定的要求也正符合此原则。
优点：
(1)不需配重和锚桩等形成的反力系统，以桩自身平衡提供检测所用压力，降低检测成本；
(2)受环境因素影响小，可实现检测；
(3)节省工期，加快工程进度；
(4)检测数据安全可靠。附图说明
图1为本发明荷载箱构造示意图；
图2为本发明荷载箱工作示意图；
图3当上部摩阻力小时，端阻力荷载—位移曲线适当外延状态示意图；
图4当下部端阻力小时，摩阻力荷载—位移曲线适当外延状态示意图；
图5大直径桩P-S曲线图。具体实施方式
以φ300mm桩试验为例，按照如上的方法，其试验数据见下表：
表1.1 φ300mm桩自平衡检测试验数据加载次数频率计读数(HZ)桩端压力 (KN) 桩头位移(mm) 桩底位移(mm)1#百分表2#百分表平均值1#百分表2#百分表平均值第一次16350.530.60.650.6250.390.370.38第二次17301.051.161.21.180.640.680.62第三次18071.501.741.761.7511.051.025第四次18751.972.282.262.271.321.291.305第五次19412.532.872.832.851.61.631.615第六次19993.073.43.393.3951.952.082.015第七次20393.543.913.913.912.32.322.31第八次19672.755.475.365.4152.282.272.25注：桩埋进深度：930mm
表1.2 φ300mm桩自平衡检测试验数据 加载次数 频率计读数 (HZ) 桩端压力 (KN) 桩头位移(mm) 桩底位移(mm)1#百分表2#百分表平均值1#百分表2#百分表平均值 第一次16300.530.680.650.6650.350.340.345 第二次17351.091.261.211.2350.730.750.74 第三次18001.481.861.831.8450.9910.995 第四次18912.102.542.52.521.41.421.41 第五次19602.713.173.023.0951.821.811.815 第六次20303.453.813.673.742.232.222.225 第七次19872.935.285.175.2252.182.172.13 第八次19142.536.886.756.8152.12.12.04注：桩埋进深度：920mm
表1.3φ 300mm桩自平衡检测试验数据 加载次数 频率计读数 (HZ)桩端压力 (KN) 桩头位移(mm) 桩底位移(mm)1#百分表2#百分表平均值1#百分表2#百分表平均值 第一次16200.490.710.720.7150.330.320.325 第二次17220.991.291.291.290.670.660.665 第三次17981.481.851.851.850.990.980.985 第四次18812.02.442.452.4451.351.331.34 第五次19422.533.023.013.0151.71.691.695 第六次20063.123.593.583.5852.042.032.035 第七次20423.64.114.084.092.382.332.335 第八次19843.265.585.615.5952.292.262.30注：桩埋进深度：900mm
表2.1 φ300mm桩对比试验数据表加载次数 频率计读数 (HZ) 桩端压力 (KN) 配重 (KN) 桩头位移(mm) 桩底位移(mm)1#百分表2#百分表平均值1#百分表2#百分表平均值第一次17810.532.00.540.580.560.340.330.335第二次18231.151.091.081.0850.610.590.60第三次18401.871.841.861.851.221.231.225第四次18592.382.402.382.391.691.701.695第五次18813.023.013.053.031.931.941.935第六次19023.63.543.533.5352.332.352.34第七次19224.254.054.074.062.792.812.80第八次19384.94.674.694.683.243.233.235第九次19515.4055.125.155.1353.623.623.62第十次19435.107.217.237.223.563.543.55第十一次19415.059.018.999.03.483.453.465注：桩埋进深度：900mm
表2.2 φ300mm桩对比试验数据表加载次数 频率计读数 (HZ) 桩端压力 (KN) 配重 (KN) 桩头位移(mm) 桩底位移(mm)1#百分表2#百分表平均值1#百分表2#百分表平均值第一次17980.632.00.640.660.650.300.310.305第二次18181.191.151.171.160.640.630.635第三次18411.931.941.931.9351.041.051.045第四次18612.462.722.742.731.631.621.625第五次18893.103.213.233.221.901.891.895第六次19113.813.743.783.762.352.342.345第七次19254.304.104.124.112.802.822.81第八次19374.834.494.484.4853.043.063.05第九次19525.424.924.934.9253.353.373.36第十次19666.05.535.555.543.923.963.94第十一次19595.797.647.687.663.843.803.82注：桩埋进深度：930mm
表2.3 φ300mm桩对比试验数据表 加载次数 频率计读数 (HZ) 桩端压力 (KN) 配重 (KN) 桩头位移(mm) 桩底位移(mm)1#百分表2#百分表平均值1#百分表2#百分表平均值第一次17920.612.00.720.730.7250.300.290.295第二次18131.211.261.281.270.660.670.665第三次18391.851.881.921.901.201.181.19第四次18602.412.362.382.371.641.661.65第五次18913.193.163.153.1552.082.102.09第六次19103.783.673.693.682.412.432.42第七次19224.254.03.963.982.892.872.88第八次19324.654.494.524.5053.183.163.17第九次19505.324.944.934.9353.523.513.515第十次19615.805.405.415.4054.024.054.035第十一次19555.617.737.747.7353.943.923.93注：桩埋进深度：910mm
表3 φ300m桩承载力试验数据对比自平衡检测 桩型 桩号 端阻力 摩阻力 承载力 桩承载力φ3001#5.16743.548.70748.67862#5.03603.4448.483#5.25503.59338.8483对比试验桩型桩号千斤顶压力配重重量承载力桩承载力φ3001#5.4052.08.819.472#6.010.03#5.89.6误差8.36％单位：KN