钢筋应力计在钻孔灌注桩静载荷试验中的应用

钢筋应力计在钻孔灌注桩静载荷试验中的应用
【摘要】为得到钻孔灌注桩桩周侧摩阻力及桩端阻力，通常是在静载荷试验的灌注桩主筋上主要地层分界位置安置钢筋应力计。

通过钢筋应力计测得桩顶不同荷载作用下桩身各测试截面轴力，由此计算钻孔灌注桩桩周侧摩阻力及桩端阻力，了解桩的受力机理，为灌注桩的设计提供准确的设计依据。

【关键词】钢筋应力计，钻孔灌注桩，侧摩阻力，桩端阻力，静载荷试验
引言
钻孔灌注桩作为一种主要的桩基础型式，其设计参数是否合理直接影响上部建筑物的稳定和工程投资额，因此选择合理的桩设计参数非常重要。

在重要工程建设中，工程桩施工前往往要进行试桩试验，包括静载荷试验、桩身应力测试、桩身完整性测试等。

通过桩身应力测试，可以确定桩顶荷载下桩周侧摩阻力和端阻力，了解桩的受力机理，从而为设计提供桩的设计依据。

本文以某工程的试验桩测试结果来说明桩身应力测试方法的应用效果。

1 试验桩概况及场地地质条件
1.1 试验桩概况
本工程采用泥浆护壁钻孔灌注桩，桩径800mm，有效桩长33.1m，桩端持力层为卵石、圆砾⑩l层，桩端全截面进入持力层的深度不小于1.2m，桩的混凝土强度等级C50，保护层厚度50mm，单桩竖向抗压承载力标准值为7200kN，单桩最大加载量Qmax=17000kN。

施工桩顶绝对标高20.4m，有效桩顶绝对标高11.7m，桩底绝对标高-21.4m，施工桩顶到有效桩顶采用8.7m双护筒消除有效桩顶标高以上地层侧摩阻力，桩端、桩侧后注浆，侧注浆位置为绝对标高-0.90m与-11.90m。

1.2 场地地质条件
岩土工程勘察深度范围内的地层，按成因年代划分为人工堆积层和第四纪沉积层两大类，并按岩性及工程特性初步划分为16个大层及亚层，与桩基础工程相关的地层见表1。

表1场地地质概况
地层序号岩性各大层层顶标高（ｍ）侧阻力极限值/kPa 端阻力极限值/kPa
⑤粉质粘土、粘质粉土17.05~21.02 60
⑤1 粘质粉土、砂质粉土60
⑤2 粘土、重粉质粘土55
⑥细砂、粉砂 9.83~14.34 65
⑥1 重粉质粘土、粉质粘土60
⑥2 粘质粉土、砂质粉土65
⑦细砂、中砂 4.54~9.08 70
⑦1 重粉质粘土、粉质粘土65
⑦2 粘质粉土、砂质粉土70
⑦3 有机质粘土60
⑧重粉质粘土、粉质粘土-2.70~2.25 65
⑧1 粘质粉土、砂质粉土75
⑧2 有机质粘土60
⑧3 细砂、中砂75
⑨重粉质粘土、粉质粘土-12.18~ -8.93 65
⑨1 粘土60
⑨2 粘质粉土、砂质粉土75
⑨3 细砂、中砂75
⑩细砂、中砂 -19.95~ -14.61 80 1800
⑩1 卵石、圆砾140 3200
⑩2 重粉质粘土、粉质粘土65
⑪ 粉质粘土、重粉质粘土-33.22~ -29.39 70 1200
⑪1 粘土65 1100
⑪2 粘质粉土、砂质粉土75 1400
2.测试方法
2.1 静载荷试验装置
试验采用慢速维持静载荷试验法，通过利用4根锚桩提供试验加载的抗拔力，主梁、次梁等两层反力梁组成反力装置，通过校准且精度达到±1%的4个6300kN的液压千斤顶并联在一起施加测试荷载，逐级加压，千斤顶的荷载由压力传感器来监测。

用位移传感器测读每级荷载的沉降量。

加载、补压、控载、判稳及测读记录沉降量的全部工作均由静力载荷测试仪自动控制完成。

试验装置示意图见图1。

图1 锚桩横梁反力装置示意图
2.2 钢筋应力计的安装
根据桩的准确平面位置和地质报告地层，在每根试桩主筋上主要地层分界面处焊接3只振弦式钢筋应力计，逐一编号。

使用前应对钢筋计逐个标定，得出压力（拉力）与频率之间的关系。

记录加荷前的钢弦振动频率及各级荷载下钢弦振动频率。

钢筋应力计安装位置见表2。

表2桩身应力计位置
应力计组号应力计位置
绝对标高（m）试验标高以下深度
（m）地层名称
1 18.40 -2.00 粘质粉土、粉质粘土
2 11.60 -8.80 粘质粉土、粉质粘土
3 6.00 -14.40 细砂
4 1.50 -18.90 粉质粘土
5 -2.00 -22.40 粉质粘土
6 -10.00 -30.40 粉质粘土
7 -13.00 -33.40 细砂、粉质粘土
8 -18.00 -38.40 细砂、粉质粘土
9 -20.4 -40.80 粉质粘土
3 桩身应力计算
3.1 数据采集
在桩身钢筋笼上安装的钢筋计，通过读数仪采集到试验时钢筋计的频率模数（频率的平方除以1000，即“字”），该模数与钢筋受力成正比，通过下面公式计算钢筋所受荷载（受力）：F（kN）＝（R12－R02）×G＋（T0－T1）×K（F为钢筋计所受荷载（kN)，正值表示钢筋受拉，负值表示钢筋受压；R0为初始频率读数(H2），在安装时获得；R1为当前频率读数(H2）；G为所提供的率定表中的率定系数(kN/H22）；T0为安装时的初始温度(k)；T1为当前温度(k)；K为传感器的温度修正系数(kN/k2），通常情况下，由于温度对振弦传感器影响甚小，可不予修正）。

3.2 桩身钢筋应力计算
桩身第i断面处的钢筋应力按下式计算：
σsi = Es·εsi (1)
式中：σsi—桩身第i断面处的钢筋应力（kPa）；
Es—钢筋弹性模量（kPa）；
εsi—桩身第i断面处的钢筋应变。

3.3 桩身轴力计算
根据测试结果对数据进行整理，在整理过程中将零漂大、变化无规律的测点删除，求出同一断面有效测点的应变平均值，并按下式计算该断面处桩身轴力：
Qi = Ei·εi·Ai (2)
式中：Qi—桩身第i断面处轴力（kN）；
εi—第i断面处应变平均值；
Ei—第i断面处桩身材料弹性模量（kPa）；当桩身断裂、配筋一致时按标定断面处的应力与应变的比值确定；
Ai—第i断面处桩身截面面积（m2）。

3.4 桩侧、桩端阻力计算
按每级试验荷载下桩身不同断面处的轴力值制成表格，并绘制轴力分布图。

再由桩顶最大荷载作用下桩身各测试断面轴力值计算桩周侧摩阻力和桩端阻力：
(3)
(4)
式中：qsi—桩第i断面与第i+1断面间侧摩阻力（kPa）；
qp—桩的端阻力（kPa）；
i—桩检测断面顺序号，i= 1，2，……，n，并自桩顶以下从小到大排列；
u—桩身周长（m）；
li—第i断面与第i+1断面之间的桩长（m）；
Qn—桩端的轴力（kN）；
A0—桩端面积（m2）。

4 桩身应力测试结果
经计算，三根试桩在17000kN作用下桩身侧摩阻力和桩端阻力见下表3。

表3 S1#、S2#、S3# 试桩在17000kN试验荷载时桩侧阻力和端阻力计算值
桩身绝对标高（试验标高以下深度）主要地层S1# 试桩S2# 试桩S3# 试桩备注
qsi(kPa) qp(kPa) qsi(kPa) qp(kPa) qsi(kPa) qp(kPa)
18.4~11.6
（-2.00~-8.80）⑤粉质粘土-粘质粉土
⑥细砂-粉砂32 / 35 / 47 / 双护筒段
11.6~6.00
（-8.8~-14.4）⑥细砂-粉砂92 / 198 / 195 / 11.6m为设计桩顶标高
6.00~1.50
（-14.4~-18.9）⑦1重粉质粘土-粉质粘土
⑦2粘质粉土-砂质粉土 151 / 237 / 226 / /
1.50~-
2.00
（-18.9~-22.4）⑦细砂-中砂285 / 204 / 250 / -0.90m位置为桩侧注浆管
-2.00~-10.00
（-22.4~-30.4）⑧重粉质粘土-粉质粘土 239 / 235 / 214 / /
-10.00~-13.00
(-30.4~-33.4) ⑨重粉质粘土-粉质粘土
⑨3细砂-中砂294 / 287 / 221 / -11.90m位置为桩侧注浆管
-13.00~-18.00
(-33.4~-38.4) ⑨重粉质粘土-粉质粘土 246 / 112 / 116 / /
-18.00~-20.40
(-38.4~-40.8) ⑩1卵石-圆砾95 / 48 / 160 / 本层侧阻力未充分发挥
桩底-21.40
(-41.8) ⑩1卵石-圆砾/ 476 / 1113 / 594 桩底注浆管
端阻未充分发挥
5 结语
（1）在静载荷试验过程中，通过钢筋应力测试可以有效地测出桩周侧摩阻力和端阻力。

（2）双护筒技术能有效地消除有效桩顶标高以上桩周侧摩阻力。

（3）桩顶最大荷载作用下，中、上段桩桩周侧阻力得以充分发挥，而桩下段侧阻力及端阻力均未充分发挥；桩周侧阻力的大小与侧阻力发挥的程度、桩侧注浆量密切相关。

（4）本次试验完成后，设计单位依据我方提供的试验报告把单桩竖向抗压极限承载力特征值从14400kN提高到15400kN，从而优化了设计，节约了工程成本。

参看文献
1 王媛媛，高华，建筑工程中钢筋应力计在桩基检测工作中的应用，中国建筑金属结构,2013年第10期（下）。

2朴春德，施斌，魏广庆，朱友群，张丹，分布式光纤传感技术在钻孔灌注桩检测中的应用，岩土工程学报，2008年第7期第30卷。

3 建筑基桩检测技术规范（JGJ 106-2003），中华人民共和国建设部。