预应力管桩分层测试承载力的静荷载试验装置及其方法技术领域
本发明属于静载荷试验领域，具体涉及预应力管桩分层测试承载力的静荷载
试验装置及其方法。
背景技术
静载荷试验是指按桩的使用功能，分别在桩顶逐级施加轴向压力、轴向上拔
力或在桩基承台底面标高一致处施加水平力，观测桩的相应检测点随时间产生的
沉降、上拔位移或水平位移，根据荷载与位移的关系(即Q～s曲线)判定相应
的单桩竖向抗压承载力、单桩竖向抗拔承载力或单桩水平承载力的试验方法。桩
基静载荷试验是目前检验桩基承载力各种方法中使用最广且被公认为试验结果
最准确、最可靠的方法。
常用的桩基静载荷测试方法有三种：堆载法、锚桩法和自平衡法。
堆载法是通过以试桩为中心搭设试验平台，码放砂袋、混凝土配重、钢锭等，
通过千斤顶加压，给试桩提供竖向压力，从而检验试桩的承载力是否满足设计要
求的方法。但是它能够的荷载反力不大，且试验成本较高，而且由于试验结束后
要放水，对试验场地的环境影响比较大，而且实验装置的运输工作量很大。
锚桩法是通过千斤顶、横梁连接锚桩，将锚桩的上拔力反作用于试桩的测桩
法。它安装比较快捷，特别对大吨位试桩，节约成本明显，但是锚桩在试验过程
中受到上拔力的作用，其桩间土的扰动会影响到试桩。
自平衡法把试桩分成上下两端，是利用上段桩侧阻和下段桩侧阻与端阻的自
相平衡的一种测桩法。它避免了庞大的反力装置，装置较为简单，但是荷载箱需
要放在桩的平衡点，而且试验中受到是上拔力，与实际工程中桩起到的是抗压作
用不符。
发明内容
现有静载荷试验的成本过高，以及每次试验都要重新搭建试验平台，还有只
能测得桩基承载力(即使是自平衡法，也只能测得试桩的两段的侧阻系数、桩的
侧阻、桩端承力)；另外，实际工程中经常会出现预制桩入土深度与设计值不一
致，此时不能根据静载试验桩数据来确定该类桩的承载力。
本发明的目的针对预应力管桩的特点以及上述测试方法存在的不足，提供一
种预应力管桩分层测试承载力的静荷载试验装置及其方法。试验后钢桩的完整性
没有遭到破坏，并且这套装置可以拔出，重复利用。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种预应力管桩分层测试承载力的静荷载试验装置，包括钢桩和桩底试验段。
所述的钢桩外径、桩长与待测试的预应力管桩一致，钢桩的桩身外壁上每隔
一定高度(根据实际情况而定)开设有若干排呈环形阵列分布的矩形槽孔；每一
排矩形槽孔所在的钢桩外侧固定有一第一钢环，第一钢环上固定有若干个钢环加
载扇，钢环加载扇穿过矩形槽孔伸入钢桩内部；第一钢环与钢环加载扇作为整体
可在矩形槽孔内上下自由滑动；每一排矩形槽孔上方固定有若干个钢桩加载扇；
钢环加载扇与钢桩加载扇之间设有千斤顶，且千斤顶顶端固定有与钢桩加载扇一
一对应的千斤顶顶端加载扇，千斤顶底端固定有与钢环加载扇一一对应的千斤顶
底端加载扇。
所述的钢桩下部同轴嵌套有第二钢环，且第二钢环内径与待测试的预应力管
桩内径一致；钢桩与第二钢环之间通过圆环状的第一钢板固定；所述的桩底试验
段包括同轴嵌套且底部平齐的第三钢环和第四钢环，第三钢环直径大于第四钢环，
两者之间通过第二钢板和位于第二钢板下方的第三钢板固定；第三钢环和第四钢
环插入钢桩与第二钢环的环形腔内，并实现具有一定上下自由度的固定；环状千
斤顶放置于第一钢板和第二钢板之间形成的环形空腔内。
本发明中所述的加载扇指用于受力的构件。
作为优选，所述的钢桩与第三钢环、第四钢环与第二钢环相对应的部位均开
设有矩形槽孔，并通过销钉插入矩形槽孔进行固定，使钢桩和桩底试验段之间在
垂直方向上具有一定的自由度。
作为优选，同一高度的钢环加载扇或钢桩加载扇均按呈90°角、一环4个
的环形阵列均匀排布，且钢环加载扇与钢桩加载扇位于同一垂线上。
作为优选，所述的第三钢板与第三钢环和第四钢环的底部平齐。
作为优选，所述的第一钢板上开有小孔，用于穿过环状千斤顶的油管和位移
杆。
作为优选，所述的千斤顶上垂直连接有上部钢管，用于下放及提升千斤顶。
本发明的另一目的在于提供一种使用所述装置的预应力管桩分层测试承载
力的静荷载试验方法，包括以下步骤；
步骤1：将带有桩底试验段并安装好环状千斤顶的钢桩打入土中直至目标深
度，对目标土层进行试验，将千斤顶下放到该土层对应位置的第一钢环处，下放
过程中使千斤顶上连接的千斤顶顶端加载扇、千斤顶底端加载扇分别与钢桩加载
扇、钢环加载扇位置错开，直至千斤顶顶端加载扇、千斤顶底端加载扇所处位置
位于钢桩加载扇和钢环加载扇之间；
步骤2：转动千斤顶使得千斤顶顶端加载扇、千斤顶底端加载扇分别与钢桩
加载扇、钢环加载扇处于同一垂线上，然后通过油管对千斤顶加载，使千斤顶底
端加载扇与钢环加载扇接触提供静荷载，千斤顶顶端加载扇与钢桩加载扇接触提
供静荷载反力；
步骤3：对管桩在该层土的承载力进行静荷载试验
步骤4：对所有待测土层重复步骤1-3，实现分层的静荷载试验；
步骤5：用环状千斤顶进行端承力静荷载试验，通过油管向环状千斤顶施加
荷载，环状千斤顶底端支座与第二钢板接触提供静荷载，环状千斤顶顶部支座与
第一钢板接触提供静荷载反力；
步骤6：试验结束后，上拔钢桩及桩底试验段，回收使用。
本发明的有益效果是：
一、试验的静载荷反力是由桩身自己提供的，节约了试验成本；
二、由于钢环长度小，不需要大吨位加载设备，操作方便；
三、能够分土层测试出桩身的侧摩阻力并且可以直接测得桩端的端承力；
四、实验装置可以上拔回收再次使用，大大节约了试验成本。
相对传统的静荷载方法，整个试验的成本不仅减少，而且可以分别得到各土
层承载力以及端承力。
附图说明
下面结合附图和实施步骤对本发明进一步说明。
图1是本发明中钢桩桩身测试处纵剖面及局部放大示意图；
图2是本发明中钢桩矩形槽处n-n横截面及局部放大示意图；
图3是本发明中摩阻力测试加载时纵剖面图；
图4.a是本发明中千斤顶下放和旋转前的n-n横截面图；
图4.b是本发明中千斤顶下放和旋转后的n-n横截面图；
图5是本发明中钢桩桩底土塞和试验段纵剖面图；
图6是本发明中钢桩桩底土塞和试验段m-m横截面图。
图中：1、钢桩桩身；2、第一钢环；3、钢环加载扇；4、钢桩加载扇；5、
矩形槽孔；6、千斤顶顶端加载扇；7、千斤顶底端加载扇；8、千斤顶；9、上部
钢管；10、第一油管；11、桩底试验段；12、第一钢板；13、第二钢板；14、环
状千斤顶；15、第二油管；16、销钉、17、第二钢环；18、第三钢板；19、第三
钢环；20、第四钢环；
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步阐述和说明。本发明中各个实施方
式的技术特征在没有相互冲突的前提下，均可进行相应组合。
如图1和2所示，一种预应力管桩分层测试承载力的静荷载试验装置，包括
钢桩1和桩底试验段11，两者可进行组合实现测试过程。
钢桩1外径、桩长与待测试的预应力管桩一致，钢桩1的桩身外壁上每隔一
定高度开设有若干排呈环形阵列分布的6cm*10cm矩形槽孔5；每一排矩形槽孔
5所在的钢桩1外侧固定有一高度为5cm第一钢环2，第一钢环2上固定有4个
5cm*5cm，厚度为2cm钢环加载扇3，钢环加载扇3穿过矩形槽孔5伸入钢桩1
内部；第一钢环2与钢环加载扇3作为整体可在矩形槽孔5内上下自由滑动。为
方便制作，可以将第一钢环2分成两半，焊接安装完毕后通过螺栓紧固连接。在
钢桩1桩身上部距离每一排矩形槽孔530cm处，对应焊上一组四个钢桩加载扇4，
为千斤顶8加载提供反力。钢环加载扇3与钢桩加载扇4之间设有千斤顶8，且
千斤顶8顶端固定有与钢桩加载扇4一一对应的千斤顶顶端加载扇6，千斤顶8
底端固定有与钢环加载扇3一一对应的千斤顶底端加载扇7。千斤顶8上垂直连
接有上部钢管9，用于下放及提升千斤顶8。为了便于千斤顶8下放时定位，同
一高度的钢环加载扇3或钢桩加载扇4均按呈90°角、一环4个的环形阵列均
匀排布，即分别位于两条垂直的直径的端点。且钢环加载扇3与钢桩加载扇4
位于同一垂线上。
如图3和4所示，在地面桩顶通过上部钢管9将千斤顶8下放入钢桩1内，
在特定位置旋转千斤顶8，使千斤顶8的千斤顶顶端加载扇6、千斤顶底端加载
扇7分别与钢桩加载扇4、钢环加载扇3对位。通过第一油管10向千斤顶8加
载，千斤顶底端加载扇7通过钢环加载扇3向钢环施加荷载，千斤顶顶端加载扇
6通过钢桩加载扇4获得反力。
如图5和6所示，桩底要模拟土塞效应，因此钢桩1下部同轴嵌套有2m长
的第二钢环17，且第二钢环17内径与待测试的预应力管桩内径一致；钢桩1与
第二钢环17之间通过圆环状的第一钢板12固定连为整体。
桩底试验段11包括同轴嵌套且底部平齐的第三钢环19和第四钢环20，第
三钢环19直径大于第四钢环20，两者之间通过第二钢板13和位于第二钢板13
下方的第三钢板18固定。第三钢板18与第三钢环19和第四钢环20的底部平齐，
以更好地模拟预应力管桩。第三钢环19和第四钢环20插入钢桩1与第二钢环
17的环形腔内，并实现具有一定上下自由度的固定。桩底试验段11与钢桩1底
部可以嵌入连接，打桩时可传递压力，环状千斤顶14加载时又可以无阻碍分开。
其实现方式为：钢桩1与第三钢环19、第四钢环20与第二钢环17相对应的部
位均开设有矩形槽孔，并通过销钉16插入矩形槽孔进行固定，使钢桩1和桩底
试验段11之间在垂直方向上具有一定的自由度。销钉可以在条形孔槽环内上下
滑动，状千斤顶加载时钢环段可以产生位移，试验结束后钢桩上拔时可以使试验
段不致与钢桩脱离。由于条形孔槽和销钉16的存在，试验后可以整体上拔实验
装置，重复利用。
环状千斤顶14放置于第一钢板12和第二钢板13之间形成的环形空腔内。
第一钢板12上开有小孔，用于穿过环状千斤顶14的第二油管15和位移杆，油
管和位移杆延伸至地面。加载时，通过第二油管15给环状千斤顶14加载。
基于上述装置，本发明提供了一种使用该装置的预应力管桩分层测试承载力
的静荷载试验方法，包括以下步骤；
步骤1：将带有桩底试验段11并安装好环状千斤顶14的钢桩1打入土中直
至目标深度，对目标土层进行试验，将千斤顶8下放到该土层对应位置的第一钢
环2处，下放过程中使千斤顶8上连接的千斤顶顶端加载扇6、千斤顶底端加载
扇7分别与钢桩加载扇4、钢环加载扇3位置错开，直至千斤顶顶端加载扇6、
千斤顶底端加载扇7所处位置位于钢桩加载扇4和钢环加载扇3之间；
步骤2：转动千斤顶8使得千斤顶顶端加载扇6、千斤顶底端加载扇7分别
与钢桩加载扇4、钢环加载扇3处于同一垂线上，然后通过油管10对千斤顶8
加载，使千斤顶底端加载扇7与钢环加载扇3接触提供静荷载，千斤顶顶端加载
扇6与钢桩加载扇4接触提供静荷载反力；
步骤3：对管桩在该层土的承载力进行静荷载试验
步骤4：对所有待测土层重复步骤1-3，实现分层的静荷载试验。不同土层
的承载力计算公式如下：
试验土层厚度为H，钢环长度为h，钢环外径可近似与钢桩外径相同为r，
测得钢环极限摩阻力为f，则预制管桩在该土层的承载力F为：
F＝(H/h)×f
钢环极限摩阻力由静荷载试验中获得。
步骤5：用环状千斤顶14进行端承力静荷载试验，通过油管15向环状千斤
顶14施加荷载，环状千斤顶14底端支座与第二钢板13接触提供静荷载，环状
千斤顶14顶部支座与第一钢板12接触提供静荷载反力；
步骤6：试验结束后，上拔钢桩1及桩底试验段11，回收使用。
为了更加精确地模拟预应力管桩，可在钢桩1外表面、钢环外表面、底部钢
环内侧涂上与混凝土性质相当的薄层。
以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，然其并非用以限制本发明，
凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围
内。