打入桩基础设计与施工(第一课):静载荷试验基础知识

本文拆分至“第二册 第9章静载荷试验 9.1综述”

打入桩基础的设计与施工是我们的一个新系列，主要分享美国联邦公路局（FHWA）出版的《打入桩基础的设计与施工》手册（共三卷）。本手册的第二卷，FHWA-NHI-16-010，主要介绍静载荷试验，动载荷测试以及信号拟合，快速载荷试验，波动方程分析，动力公式，合同文件，打桩设备，桩附件，打桩标准，以及施工监控等内容。本期起，我们将逐步与大家分享手册中的主要内容。

注：《打入桩基础的设计与施工》手册中文版为英文翻译版本，由美国公路管理局授权欧美大地仪器设备中国有限公司进行翻译，如由于翻译原因存在错漏或歧义的情况，请以英文原版为准，敬请谅解！

静载荷试验

桩的静载荷试验是确定载荷能力最准确的方法。根据项目的大小和其他项目因素，可以在设计阶段或施工阶段进行静载荷试验。传统的载荷试验类型包括轴向抗压载荷试验、轴向抗拔载荷试验和水平载荷试验。

本节我们主要概述静载荷试验及其重要性，描述静载荷试验基本的测试方法和数据解读方法。在后续的文章中我们也将详细讲解轴向抗压载荷试验、轴向抗拔载荷试验和水平载荷试验。有关静载荷试验的更多细节，请参考包括最新版本的ASTM试验标准以及NYSDOT静桩载荷试验手册GCP-18(2007)等出版物。

静载荷试验项目的

原因和先决条件

静载荷试验为工程师验证试验桩或工程桩的标准阻力和变形提供了非常有价值的信息。执行静载荷试验的原因包括：,

1. 1，根据测得的载荷—位移或载荷—传输数据，提供设计验证或改进设计的信息，以及施工验证或改进施工程序的信息。
2. 2，确认地下岩土层能提供标准岩土阻力。
3. 3，为新的静力学设计方法，区域地质情况，动力或快速荷载试验分析方法或程序提供或者标定土阻力系数。
4. 4，确定水平载荷桩的p-y曲线。

应由经验丰富的工程师制定并监督静态载荷测试程序。静载荷测试结果经常被用做设计、测试和施工的对比基准参考线。静载荷试验的质量重要，在目前研究或更新当前LRFD阻力系数时更为重要。测试或分析若执行不当，可能会不安全或造成浪费。

为了充分计划和实施静载荷试验程序，应首先获得以下信息。

1. 1，在测试位置进行详细的地下勘探。载荷试验不能代替地下勘探。
2. 2，确认地下地层，包括地质材料的工程参数和地下水条件。
3. 3，静态分析选择适当的桩型和桩长度，选择合适的载荷试验位置。

静载荷试验程序的制定

明确静载荷试验方案的目标，同时应选择试验的类型和频率，提出静载荷试验的设计目的或准备施工时所需的知识。载荷试验的目标是确认标准岩土阻力还是提供详细的荷载传输信息以用于最终设计或提高设计效率，对人力和设备的需求有着很大的差别。在筹备测试期间应考虑以下项目，以便提供所需的信息。

明确装载设备(反力梁和千斤顶)的量程，保证在测试过程中能加载到土层的标准阻力。如果载荷测试设备的量程刚刚达到岩土标准阻力，在测试过程中是不足以使岩土层达到塑性破坏的。因此无法激发出岩土的真正阻力，也达不到提高设计效率的目的。千斤顶量程应达到预期加载量的120%和150%之间。

对于荷重传感器和球面承压板，以及线性位移传感器(LVDT’s)或千分表的规格应有具体要求，其行程应满足桩头荷载及位移测量的精度要求。严禁使用在测试期间因行程不足而必须使用垫片或者重置的线性位移传感器或者千分表。若可能，还应在桩底和中间进行位移测量，以便能够评估桩侧和桩端的阻力。荷重传感器的量程应达到预期施加的最大负载的120%和150%之间。

载荷测试项目应由此领域经验丰富的地基工程师监督。

测试桩的施工记录中应要求记录适当的施工细节。通常，施工日志只会记录锤型和打桩阻力。实际上还需要记录一些其他的信息，如冲程(特别是在最终入桩时)、燃料/能量设置、锤缓冲材料和锤尺寸、新的和更换的桩垫的厚度、精确的最终贯入度，还有一些辅助措施的详细信息，如预钻孔及其深度、打桩开始和结束的时间、停锤深度以及用于接桩和设备维护的持续时间等等。

推荐在载荷试验桩上使用动力学测试来评估打桩时的标准阻力，包括土壤阻力分布、打桩系统性能评估、打桩应力计算和细化波动方程输入参数。

静载荷试验的时间和地点

无论在设计阶段还是施工阶段执行静载荷试验都应达到一个预期目标。通常包括确定标准岩土阻力或典型场地的荷载传输信息。应根据场地确定载荷试验的次数和试验位置，通过在各场地执行一次静载荷试验来确定AASHTO(美国国家公路和运输协会标准)中标准阻力的阻力系数。

以下标准改编自Kyfor等人主编的FHWA-SA-91-042(1992)，总结了可以有效利用静桩载荷试验的情况或者场合：

1. 1，节约大量成本。在涉及摩擦桩(确定设计桩长是否可以减少)或端承桩(确定是否可以使用更高的标准阻力)的大型项目中很常见。
2. 2，由于工程师经验不足，场地结构独特或工程条件限制而无法确定标准准岩土阻力。
3. 3，项目的地下条件差异很大，可以划分成条件相似的区域。然后可以在划分的有代表性的区域内执行静力学试验，并据此对地基进行区域划分。
4. 4，使用的标准岩土阻力值明显高于实际典型值。
5. 5，预期标准土阻力因土壤恢复或松弛会发生显著变化的情况。
6. 6，当轴向抗拔阻力或水平位移的可靠评估很重要时。
7. 7，验证新设计或试验方法时。
8. 8，当使用新桩型、大直径开口管桩，和/或打桩程序时。
9. 9，当重复使用现有桩支撑新的更重的载荷结构时。
10. 10，在施工期间，用动力学公式或动力学分析方法估算的标准阻力与静力学分析测量该深度处的阻力估算明显不同时。例如，将H型桩打入松散或者中密砂和砾石中出现溜桩。
11. 11，根据局部和区域地质条件完善LRFD(荷载抗力系数设计法)校准时。

有效利用载荷试验信息

1设计阶段

在设计阶段组织并开展的载荷试验的结果可以为桩基础设计提供最佳信息。静载荷试验的次数、试验的桩型、打桩方法和试验载荷要求应由负责设计的岩土工程师和结构工程师确定，双方通力合作是必不可少的。以下是在设计阶段进行载荷试验的优点。

1. 可进行几种不同桩型、桩段和桩长的载荷试验，设计选择最经济的桩基方案。
2. 确定达到最小入土深度的可打性，以及评估在预计入土深度时标准岩土阻力的适用性。
3. 为工程桩建立初步的打桩准则。
4. 向施工项目投标人提供打桩信息以减少投标“意外”。
5. 尽可能避免与打桩有关的合同纠纷。
6. 载荷试验项目结果可以反映在最终的设计和规范中。

2施工阶段

在施工开始时的载荷试验可能是测试一些无法在设计阶段确定成本项目的最佳时间。施工阶段的静载荷试验对于确认设计载荷是否合适、确定工程桩的最终设计长度以及打桩程序是否令人满意极其重要。也许最重要的是，这些结果可用于改进设计桩长估算并确定一个最低入土深度要求。

3载荷试验数据库

正如Paikowsky(2004)和Abu-Hejleh(2015)所提到的，校准设计方法的可靠度以及改进实际桩基础的岩土设计都需要用到载荷试验数据库。有了高质量、完整的载荷试验数据，我们就可以将设计和施工验证方法与满负荷载荷试验结果进行对比。有了这些信息，设计人员可能在某一特定的设计方法中增加阻力系数，或者在场地相似的条件下向设计师提供优选的地基替代方案和施工方法。

在2010年，俄勒冈交通部(DOT)进行过此类研究，他们根据波动方程分析(史密斯等人2011)评估了打入桩的阻力系数。当时，AASHTO建议波动方程分析阻力系数φdyn为0.40。该阻力系数导致LRFD框架内的桩基成本增加。因此，俄勒冈交通部进行校准研究来评价波动方程分析的高阻力系数的可靠性。在审查了几个数据库之后，研究建议波动方程分析初始打入桩的阻力系数为0.55，复打时系数为0.40。由于该项研究和其他人努力的结果，AASHTO(2010)设计规范建议的波动方程分析阻力系数从φdyn = 0.40改为φdyn = 0.50。

FHWA(美国联邦公路局)深基础载荷测试数据库(DFLTD)包含多个州的公路机构、FHWA办事处和来自国际的数据。数据虽然不再更新，但可联系FHWA获得DFLTD数据，数据库包含从1985年到2003年所做的大约1300次载荷试验结果。一些州 交通局也建立了一些载荷试验数据库。

建议将载荷试验结果和附带的地质资料及打桩过程信息一同存储在数据库中。在ASTM标准关于报告的部分，针对轴向抗压载荷试验、轴向抗拔载荷试验和水平载荷试验明确了数据库中应包括的完整场地信息、打桩资料和载荷试验详细资料。收集此类数据信息可提高制定和校准新的设计或施工控制方法的效率。

静载荷试验阻力系数

表1提供了由静载荷试验得出的的适用于标准轴向岩土阻力系数。载荷试验是轴向抗压还是轴向抗拔以及是否进行动力学测试，都会影响阻力系数的选择。这里没有规定水平载荷试验的阻力系数，因为水平载荷试验通常由极限状态下的变形准则控制，而不是由强度极限状态控制。