单桩轴向动静载试验实施细则.docx
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单桩轴向动静载试验实施细则
第三项单桩轴向动静载试验研究
一、编制依据
1．《软土地基路桥设计参数试验项目修改施工设计》总说明书及相关图纸2002.10
2．《软土地基路桥设计参数试验项目试验研究大纲》2002.12
3．《铁路桥涵地基和基础设计规范》（TB10002.5-99）
4．《建筑桩基技术规范》（JGJ94-94）1995.7.1
5.软土地基路桥设计参数试验项目—既有铁路桥墩桩基础基顶动力测试研究报告，铁道第四勘察设计院、中南大学铁道学院，2002.12
6.《京沪高速铁路设计暂行规定》（上册），2002年
二、试验项目概况
现场试验是获取高速铁路软土地区桥梁桩基设计参数最客观、最可靠的方法，因此在京沪高速软土地段进行桩基的动静载试验具有重要的工程实际意义。
通过试验，将达到以下目的：
（1）通过桥梁桩基静载试验，获得该地区桩的荷载传递规律，了解该地区桩基的桩周摩擦系数及桩端承载能力。
（2）通过桩基动静载对比试验，研究桥梁桩基在高速列车通过时的动力响应，包括土的阻尼作用，动力荷载对桩的极限承载能力的影响程度，以及竖向地基系数的比例系数m0值变化情况。
（3）以试验成果为基础，进行软土地区桩基动力学有限元分析，为软土地区高速铁路桥梁桩基设计提供参考。
通过上述试验研究工作，得出指导高速铁路宁沪段桥梁桩基的设计原则和有关设计参数。
三、试验测试内容及方法
为了进行对比试验，单桩轴向动静载试验分为单桩轴向纯静载试验和单桩轴向静动载试验，即模拟实际情况，在有工作荷载（静载）作用情况下，施加动力荷载。
（一）单桩轴向纯静载试验
1、试桩类型及数量
试桩类型及数量表
桩型
试桩根数（根）
备注
钻孔灌注桩
φ1.0m
3
钢筋计、土压力盒
φ0.8m
3
钢筋计、土压力盒
预制桩
φ0.55m
3
钢筋计、土压力盒
2、试验方法
慢速维持荷载法。
3、试验设备与仪表装置
（1）锚桩横梁反力装置
钻孔灌注桩单桩纯静载试验采用锚桩横梁反力装置。
其装置示意图见图一：
图一锚桩横梁反力装置示意图
试验设备：
①主梁2根，尺寸7.5×1.3×0.47m（长×高×宽），承载能力1000吨；
②副梁2根，尺寸7.0×0.95×0.65m，承载能力1000吨；
③挂篮4个；
④基准梁（10m长）4根；
⑤电动油泵1台；
⑥压力表（0~60MPa）2只；
⑦500吨级千斤顶2台；
⑧百分表（0~50mm）4只，（0~10mm）4只；
⑨磁性表座8个；
⑩高压油管6根；
（2）压重平台反力装置
管桩单桩纯静载试验采用压重平台反力装置。
其装置示意图见图二。
4
3
162
815
6
7
9桩
图二试验装置示意图
1主梁2横梁3竹跳板4沙袋5千斤顶
6百分表7基准梁8压力表9电动油泵
试验设备：
①主梁：
用8根40工字钢（长10m）拼装组成；
②副梁：
用20根36工字钢（长10m）拼装组成；
③基准梁：
10m长，2根；
④电动油泵1台；
⑤压力表（0~60MPa）1只；
⑥500吨级千斤顶1台；
⑦百分表（0~50mm）4只；
⑧磁性表座4个；
⑨高压油管6根；
4、现场测试
（1）加载分级
每级按等量加载，每级加载量为要求最大加载或予估最大试验荷载的1/12，第一级按2倍分级加载。
（2）沉降观测
每级加载后间隔5、10、15min各测读一次，以后每隔15min测读一次，累计1h后每隔30min测读一次，每次测读值记入试验记录表。
（3）终止加载条件
在达到设计要求最大加载值之前出现下列情况之一者即可卸载：
a.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；
b.某级荷载作用下，桩的沉降量大于前一级荷载作用下沉降量的2倍，且经24h尚未达至相对稳定；
c.已达到锚桩最大抗拔力或压重平台的最大重时；
d.桩顶累计沉降量达到40mm。
（4）卸载与卸载数据观测
每级卸载值为每级加载值的2倍。
每级卸载15min测读一次残余沉降，读2次后，隔30min再读一次沉降和桩身应变，即可卸下一级荷载，全部卸载后，隔3～4h再读一次。
（5）稳定标准
每小时的沉降不超过0.1mm,并连续出现两次（由1.5h内连续三次观测值计算）。
认为达到相对稳定，可加下一级荷载。
5、成果
（1）静荷载与桩顶位移关系曲线（Q～S、S～lgQ及s～lgt曲线）；
（2）单桩分层桩侧摩阻力及桩端阻力；
（3）单桩竖向极限承载力标准值。
（4）桩端竖向地基系数的比例系数m0值。
6、具体测试方法及相应成果
（1）试验数量
3根φ1.0m钻孔灌注桩、3根φ0.8m钻孔灌注桩、3根φ0.55m预应力混凝土管桩。
（2）试验设备
钢筋应力计、土压力盒和频率计。
（3）测点埋设
将经室内标定完毕的钢筋应力计或土压力盒焊接在钢筋笼的主筋上，测点布置见“轴向动静载试桩测试元件布置图”（图号“软桩试-2”）。
（4）试验方法
开始垂直荷载试验前，应读取初始读数，待读取初读数完成后方可加载。
以后待每级荷载加上后即可进行测试。
（5）成果
①各级荷载作用下沿桩身的实测应力分布图。
②各级荷载作用下沿桩身的轴向力分布图。
③各级荷载作用下沿桩身的单位摩阻力分布图。
④各级荷载作用下桩端阻力；
⑤各级荷载作用下沿桩侧总摩阻力与端承力变化图；
⑥桩端竖向地基系数的比例系数m0值。
（二）单桩轴向静动载试验
1、试桩类型与数量
试桩类型及数量表
桩型
试桩根数（根）
备注
钻孔灌注桩
φ1.0m
3
钢筋计、土压力盒
φ0.8m
钢筋计、土压力盒
预制桩
φ0.55m
3
钢筋计、土压力盒
2、试验加载方法
第一步：
采用锚桩（或压重）逐级加静荷载至桩的工作荷载；
第二步：
维持上述静荷载即工作荷载下，施加动载，动载循环次数100万次；
第三步：
在第二步完成并卸载至零以后，逐级加静载，使受到过动力作用的桩达到破坏状态，并确定极限承载力、桩侧摩阻力和端阻力。
第一步和第三步的加载方式：
采用慢速维持荷载法，即逐级加载，每级加载达到相对稳定后加下一级荷载，直至试桩达到工作荷载（第一步）和破坏（第三步），然后分级卸载至零。
3、试验测试内容
⑴实测桩顶荷载由零增至工作荷载作用下：
桩顶沉降、不同深度桩身轴力、桩底压力，各土层的桩周摩阻力和桩端阻力与分布。
⑵维持工作荷载不变，施加动载，动载循环次数100万次。
实测桩顶沉降的变化、桩身轴力时程曲线，分析桩的动力响应。
⑶卸载至零以后逐级加静载，使桩达到破坏状态：
实测桩顶位移、桩身轴力、桩底压力，换算土层的桩周摩阻力和桩端阻力与分布。
确定桩在动力作用后的极限承载力、桩周土的极限摩阻力、桩的端阻力。
⑷进行软土地区桩基动力学有限元分析，分析桩土相互作用关系。
⑸对比研究轴向动静载试验结果，得出指导京沪高速铁路宁沪段桥梁桩基的设计原则和有关设计参数。
4、试验观测方法与步骤
4.1第一步和第三步中的静载加卸载与数据观测
⑴加载分级：
每级加载为预估极限荷载的1/12，第一级可按2倍分级荷载加载；
⑵沉降观测：
每级加载后间隔5、10、15min各测读一次，以后每隔15min测读一次，累积1h后每隔30min一次。
每次测读值记入试验记录表；
⑶桩身应变观测：
每级加载最后一次测读沉降时，即在加下一级荷载前进行测读。
⑷沉降相对稳定标准：
每一小时的沉降不超过0.1mm，并连续出现两次（由1.5h内连续三次观测值计算），认为已达到相对稳定，可加下一级荷载。
⑹终止加载条件：
当出现下列情况之一时，即可终止加载：
①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；
②某级荷载作用下，桩的沉降量大于前一级荷载作用下沉降量的2倍，且经24小时尚未达到相对稳定；
③已达到锚桩最大抗拔力或压重平台的最大重时。
⑺卸载与卸载数据观测
每级卸载值为每级加载值的2倍。
每级卸载15min测读一次残余沉降，读2次后，隔30min再读一次沉降和桩身应变，即可卸下一级荷载，全部卸载后，隔3～4h再读一次。
4.2动力试验参数与观测
⑴动载幅值和频率
单桩轴向动静载试验参数
桩型
静活载Qi
（kN）
动载幅值ΔQi（kN）
频率
（Hz）
钻孔灌注桩
φ1.0m桩径
310
80
3
φ0.8m桩径
预制桩
φ0.55m桩径
80
20
3
⑵动力试验观测
动力试验期间，第一天的第一个4小时，每一小时记录一次桩身动应力和桩顶动位移（每次连续记录约15分钟）；第二个4小时，每二小时记录一次桩身动应力和桩顶动位移；以后每4小时记录一次桩身动应力和桩顶动位移。
若第一天的桩顶动位移反映为“弹性状态”，第一个24小时桩顶总沉降的增加量△s1小于0.5mm；则第二天继续以每4小时记录一次桩身动应力和桩顶动位移。
若第二天的24小时桩顶总沉降的增加量△s2小于△s1，则继续每4小时记录一次桩身动应力和桩顶动位移。
若有异常现象，要详细记录并及时报告，具体分析后，调整记录频率。
5、静动载试验成果
⑴动力静载试验桩的极限承载力；
⑵动力静载试验桩各土层极限摩阻力、端阻力；
⑶动力静载试验桩的各种试验曲线：
桩顶P-S曲线，S-lgP曲线，S-lgt曲线，桩端阻力-荷载曲线；
桩身轴力分布图，侧阻力分布图；
⑷桩身应变（轴力）时程曲线，频响特征；
⑸纯静载与动静载桩的承载力对比结果（包括折减系数）；
⑹软土地区桩的动力有限元计算结果。
四、试验测试实施工作安排
1、轴向动静载试验加载装置
纯静载试验加载装置平面及立面见图一、图二；钻孔桩静动载试验加载装置平面及立面见“轴向动静载试验加载装置图”（图号“软桩试-1”），预制桩静动载试验加载装置平面及立面参照图二办理，预留好激振设备安放空间。
激振装置采用改装疲劳动力试验机，以达到比较精确控制所要求的动力大小和频率的目的。
2、轴向动静载试验桩身测试元件与埋设
2.1轴向动静载试验钻孔灌注桩测试元件的埋设
在轴向动静载试验中，钻孔灌注桩测试元件布置情况见“轴向动静载试桩测试元件布置图”（图号“软桩试-2”）。
（测试元件沿轴向的布置位置试验时可根据地质钻孔资料进行局部调整）
用于钻孔灌注桩的钢筋计（电阻应变式），在室内完成制作和标定。
等现场试桩的钢筋笼做好后，把要按放钢筋计处的主筋截掉一段（该段长度与钢筋计长度相等），然后将钢筋计对焊在主筋上。
对焊时，必须对钢筋计的钢筋局部用湿毛巾包裹并不断淋冷水来保护钢筋计。
同截面对称布置四支钢筋计。
钻孔桩桩底土压力盒的布置见图“软桩试-2”。
2.2轴向动静载试验预制桩测试元件的埋设
轴向动静载试验预制桩测试元件布置与安装见图“软桩试-2”。
预制桩的钢筋计在工厂制做桩时，在要埋设钢筋计的位置处，预埋一块小钢板，然后在现场利用小钢板制做成钢筋计。
小钢板设计尺寸与埋设详图见“软桩试-2”。
预制桩孔内要设置挂线杆，桩头（桩帽）中央要预留穿线孔（孔径为20cm）。
同截面对称布置四支钢筋计。
2.3钢筋计的信号线和其它要求
钢筋计的信号线（优质屏蔽线）长度应能保障从桩内引出地面不小于12m。
所有钢筋计和相连的导线端部应进行编号，并保障测试完成以后编号都准确可靠。
钢筋计与桩主筋对焊时，必须对钢筋计钢筋局部不断淋冷水来保护钢筋计。
所有钢筋计都要接静态电阻应变仪并对所有点进行测试。
动态测试同截面测两个钢筋计。
对于钻孔灌注桩钢筋笼下放前及预制桩下沉前必须仔细检查钢筋计的有效性，若钢筋计失效，应及时在现场补救或更换。
为了保障预制桩内部的测试元件在沉桩时不损坏，要求采用静压下沉。
先施工试桩，以便于万一试桩出现严重问题不能使用时，可以更换试验位置。
3、仪器与测试设备
纯静载试验中需要用到的测试元件、仪器、设备、规格及数量如下表所示。
编号
仪器名称
规格
精度
用途
数量
1
电阻应变式钢筋计
<1%FS
静载试验
桩身轴力
灌注桩（14+13）*4*3+2=326个
预制桩40×3+2=122个
2
静态应变仪与测试分析系统
60测点
<1%FS
测试钢筋计静应变
1台
3
钢弦式土压力盒
0.5Mpa
<2%FS
置于钻孔灌注桩桩底，测桩底压力
20个
4
钢弦频率测定仪
与钢弦式土压力盒配套使用
1台
5
球面铰
2个
6
屏蔽线
钢筋计和土压力盒的信号传输
15000m
8
便携式电脑
采集和处理数据用
1台
9
数码相机
1台
10
数码摄像机
1台
上表中未列者见相关测试内容之试验设备描述。
静动载试验中需要用到的测试元件、仪器、设备、规格及数量如下表所示。
编号
仪器名称
规格
精度
用途
数量
1
电阻应变式钢筋计
<1%FS
静动载试验
桩身轴力
灌注桩13*4*3+2=158个
预制桩40×3+2=122个
2
动应变
电阻补偿钢筋计
<1%FS
静动载试验
桩身轴力
灌注桩158个
预制桩122个
3
动态应变仪与测试分析系统
32测点
<1%FS
测试钢筋计动应变
1台
4
静态应变仪与测试分析系统
60测点
<1%FS
测试钢筋计静应变
1台
5
钢弦式土压力盒
0.5Mpa
<2%FS
置于钻孔灌注桩桩底，测桩底压力
20个
6
钢弦频率测定仪
与钢弦式土压力盒配套使用
1台
7
动力加载疲劳试验机
Q=500kN
<1%FS
加动载
1台
8
拾振器
941型
<1%FS
测桩顶动位移和加速度
3个
9
941型放大器
6通道
与941拾振器
配套使用
1台
10
INV306型智能信号数据采集分析仪
并采集和分析数据
1套
11
500t油压式千斤顶
5000kN
施加静荷载
2台
12
电动高压油泵
与千斤顶配套使用
2台
13
压力表
与千斤顶配套使用
2个
14
球面铰
2个
15
百分表及表架
大量程100mm
0.01mm
测桩顶沉降
各5个
16
屏蔽线
钢筋计和土压力盒的信号传输
22500m
17
便携式电脑
采集和处理数据用
2台
18
数码相机
1台
19
数码摄像机
1台
五、进度安排
（1）2003年2月完成应力、应变测试相关测试元器件的标定及埋设工作；
（2）2003年3-6月完成单桩轴向动静载试验；
（3）2003年6-10月完成数据的分析、报告的编写工作。
具体时间安排视现场施工进度等情况定。
六、现场数据测读处理要求
试验前制做好各种数据表格，复印充足的分数。
准备充足的电脑数据存储硬盘和移动硬盘。
试验时及时记录，对试验过程出现的异常现象要做专门记录和说明，所有记录要有观测和记录人签字。
自动采集于电脑和测试仪中的数据，要及时调出来查证，看是否记录在指定的目录中。
笔记的数据表当天必须复写一份备份，并且由专人签字保存。
存于电脑中的数据也要做双份，若现场有条件可通过网络及时传回，确保万无一失。
用数码相机或数字摄像机把现场重要机器和设备的安装请况、仪器系统、测试元件、重要试验过程和关键环节进行照相和摄录下来，并存于计算机硬盘，并可通过网络及时传回。
事先编制数据处理程序，对重要数据在现场及时进行初步处理，发现有错，及时纠正。
七、试验人员分工
1）纯静载试验人员分工
序号
试验单位
姓名
职称
年龄
分工
全时率
1
铁四院
蔡华炳
工程师
31
项目负责人，负责全面工作
100%
2
铁四院
潘茂盛
高级工程师
36
指导课题研究
20%
3
铁四院
文望青
高级工程师
36
数据分析
20%
4
铁四院
王德志
高级工程师
33
数据分析
50%
5
铁四院
吴斌
助工
25
现场测试、数据分析
100%
6
铁四院
陈英贵
工程师
26
现场测试、数据分析
100%
7
铁四院
余泽宽
工程师
28
现场测试、数据分析
100%
8
中科院武研所
吴文
副研究员
36
测试技术负责人
30%
9
中科院武研所
郭启军
副研究员
36
现场试验负责人
100%
10
中科院武研所
盛建豪
副研究员
38
现场测试、数据分析、编写报告
100%
11
中科院武研所
李九思
高级工程师
40
现场测试负责人
100%
12
中科院武研所
闽虹
副研究员
39
现场测试、数据分析
100%
13
中科院武研所
徐松林
博士后
32
现场测试、数据分析
100%
14
中科院武研所
朱家桥
高级工程师
60
现场测试
100%
15
中铁二十局
杨启维
工程师
34
配合现场试验
100%
16
中铁二十局
徐庆升
助工
27
配合现场试验
100%
2）静动载试验人员分工
序号
试验单位
姓名
职称
年龄
分工
全时率
1
铁四院
蔡华炳
工程师
31
项目负责人，负责全面工作
100%
2
铁四院
潘茂盛
高级工程师
36
指导课题研究
20%
3
铁四院
文望青
高级工程师
36
数据分析
20%
4
铁四院
王德志
高级工程师
33
数据分析
50%
5
铁四院
吴斌
助工
25
现场测试、数据分析
100%
6
铁四院
陈英贵
工程师
26
现场测试、数据分析
100%
7
铁四院
余泽宽
工程师
28
现场测试、数据分析
100%
8
中南大学
冷伍明
教授
38
试验组织、试验方法与细则、现场试验,研究报告
75%
9
中南大学
方理刚
教授
42
试验方法与试验细则，研究报告
30%
10
中南大学
刘宝琛
院士
70
审阅研究报告
10%
11
中南大学
何群
讲师
33
现场试验负责人：
现场试验，数据整理，研究报告
100%
12
中南大学
肖武权
副教授
39
现场试验、数据整理，研究报告
100%
13
中南大学
律文田
讲师
24
现场试验、数据整理
100%
14
中南大学
试验员
3人
现场试验
100%
15
中铁二十局
杨启维
工程师
34
配合现场试验
100%
16
中铁二十局
徐庆升
助工
27
配合现场试验
100%
由于动力循环试验要求昼夜进行不能中断，要求试验采取24小时轮班制。
现场试验人员保持6人。
八、预期目标及成果
（1）《软土地基单桩轴向纯静载试验研究报告》
（2）《软土地基单桩轴向静动载试验研究报告》
（3）《软土地基单桩轴向动静载试验研究总报告》
（4）现场试验原始资料、图片及录象
附件一、各种试桩平面布置图
附件二、试桩桩帽加固图
附件三、各种原始数据记录表格形式
附件四、轴向动静载试验加载装置图（图号“软桩试-1”）
附件五、轴向动静载试桩测试元件布置图（图号“软桩试-2”）
附件六、轴向动静载试桩钢筋计埋设位置图（图号“软桩试-2-1”）
附件一
7、单桩动载试验桩取定参照该图办理。
附件二
单桩轴向静载试验概况记录表表J-1（）
工程名称
地点
试验单位
试桩编号
桩型
试验起止时间
成桩工艺
桩断面尺寸
桩长
混凝土
标号
设计
灌注桩虚土厚度
配筋
规格
配筋率
实际
灌注充盈系数
长度
综合柱状图
试桩平面布置示意图
层次
土层名称
描述
地质符号
相对标高
相对标高
桩身剖面
1
2
3
4
5
6
土的物理力学指标
层次
深度
（m）
（kN/m3）
（%）
e
Sr
p
（%）
Ip
IL
a1-2
（a2-3）
Es
（MPa）
（）
fk
（kPa）
1
2
3
4
5
附件三
单桩轴向抗压静载试验记录表表J-2（）
试桩编号：
荷载
观测时间日/月时分
间隔时间（min）
读数
沉降（mm）
备注
表1
表2
表3
表4
平均
本次
累计
试验：
记录：
校核：
单桩轴向静载试验记录表表J-3（）
试桩编号：
序号
荷载
（kN）
历时（min）
沉降（mm）
本级
累计
本级
累计
升级会员 