大直径钢管复合桩试桩试验研究

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摘要：钢管复合桩具有竖向承载力高、水平承载力大、延性和塑性好等优点，其设计与施工是成桩质量的关键。以港珠澳大桥（HZMB）主体工程为背景，进行钢管复合桩试桩实践，采用自平衡法静载试验以获取设计参数，并研究了海洋深基础施工工艺。

关键词：钢管复合桩；试桩；自平衡法；施工工艺

作者简介：罗永传（1974-），男，高级工程师，主要从事桥梁工程研究。

1 引言

桩基础常作为深水港码头、跨海大桥等大型工程的首选基础形式，钢管桩、钻孔灌注桩在国内外诸多桥梁工程中已得到广泛应用，钢管桩、钢护筒施工技术已基本成熟；钢管复合桩在国外（尤其是日本）应用较为广泛，在国内的苏通大桥主塔基础中也得到初步应用。大直径钢管复合桩的设计计算理论尚无规范可用，其施工工艺亦无类似经验可循；港珠澳大桥工程地处伶仃洋海域，地质条件复杂，环境敏感度高；本文以港珠澳大桥为工程背景，进行大直径钢管复合桩试桩技术研究，为桥梁工程桩基础提供设计参数及施工经验。

2 桩基受力特性及钢管复合桩构造特点

桩基础的轴向荷载传递及水平荷载作用下的挠度、弯矩、剪力与水平抗力的受力特点如图1[1]所示。图中可以看出，桩基在轴向荷载和水平荷载作用下，其结构受力主要集中在桩基上节段。

（A）单桩轴向荷载传递 （B）单桩水平荷载作用

（a）微桩段（b）轴向受压（c）截面位移（d）摩阻力（e）轴力 （a） X图 （b） M图 （c） V图 （d）σx分布图

图1 单桩轴向荷载传递及水平荷载作用示意图

钢管复合桩是一种轻质、高强组合型桩基础，受力性能优于钢管桩和钻孔灌注桩，其结构特点表现在：（1）竖向承载力高：钢管复合桩上节段借助管内填芯混凝土对钢管壁的稳定性增强作用，削弱钢管桩局部缺陷的敏感度；同时，钢管对核心混凝土产生环向套箍作用，使核心混凝土处于三向受压的复杂应力状态，提高核心混凝土承载力。（2）水平承载力大，抗弯性能强：钢管的存在，除提高混凝土强度外，其塑性和韧性性能大为改善。钢管复合桩基础中，轴向荷载绝大部分由核心混凝土承担，弯矩则主要由钢管承担，故钢管复合桩上节段选用钢管与混凝土的组合结构，有效地改善了桩基础的受力状态，符合桩基础的整体受力特性，既结构稳定，又经济节能。

3 试桩工程概况

图2 钢管复合桩一般构造图

港珠澳大桥主体工程桥梁试桩工程是港珠澳大桥建设前期桩基础试验论证的关键性研究工程，钢管复合桩试桩共2根，编号为SZ3、SZ4，桩顶标高均为+4.15m，SZ3桩底标高为-65.9m，SZ4桩底标高为-68.1m，均按嵌岩桩设计。其构造如图2所示[2]。

4 钢管复合桩施工技术

4.1 地层概况

在桩位进行两个补充地质钻孔，其中SZ4桩位揭示地质简况如表1。

表1 SZ4桩位地质简况表

SZ4

地

质

分

层

情

况 地层编号 层底标高/m 土层类型

-5.20 海床面

①1 -10.80 淤泥

①1 -15.80 淤泥

①3 -27.80 淤泥质粘土

①5 -33.30 粘土

①5 -35.00 粘土

②4 -41.00 中砂

③1 -49.30 粘土

③3 -52.30 粉质粘土

④5 -54.10 粗砂

④5 -55.00 粗砂

④5 -55.70 砾砂

⑥2 -56.20 强风化花岗岩

⑥2 -63.10 强风化花岗岩

⑥3 -64.60 中风化花岗岩

⑥4 -72.40 微风化花岗岩

4.2 沉桩成孔工艺

采用带有GPS定位系统的打桩船进行定位。“海洋工程远距离GPS打桩定位系统”由三台固定在打桩船上的GPS流动站以实时动态（RTK模式）控制船置、方向和姿态，同时配合固定在船上的免棱镜测距仪等算出桩身实际位置，实时监测。

本次试桩采用KP3500型转盘式钻机钻进成孔，覆盖层使用四翼刮刀钻头，进入岩层后更换为球齿滚刀钻头；高质量泥浆研制是钻进成孔质量控制的关键要素，由于桩位有较厚粉质粘土和粘土覆盖层，故泥浆选用原状土配以适量抗盐粘土、纯碱和CMC制备而成。

5 钢管复合桩荷载试验

5.1 自平衡法荷载试验原理

自平衡法荷载试验是利用桩身预埋的荷载箱进行静载试验，荷载箱与钢筋笼连接置于桩身下部，通过液压泵对荷载箱内腔施加压力，推开箱盖与箱底，调动桩周土的摩阻力与端阻力，直至破坏。

本次试验采用Tomer荷载箱，最大加载量为70000kN。其中SZ4试桩荷载箱中心位置设置于-65.10m处，距桩底3.0m。试验采用逐级加载慢速维持荷载法，每级荷载达到某一规定的相对稳定标准后方可进行下一级加载，直至达到最大加载要求量或试桩破坏，停止加载，然后分级卸载至零[2]。

5.2 测试项目及方法

（1）位移测试[3]

利用位移杆测量荷载箱上、下位移；设置2组位移丝测量桩底、中风化花岗岩岩层顶面对应的桩身截面位移；利用位于基准梁上的电子位移计测量位移杆和位移丝的位移从而得到荷载箱上、下位移及桩身位移。

（2）桩身内力测试

桩身轴力采用弦式钢筋计进行测试。弦式钢筋计设置在土层界面处，每个测试断面交叉对称布置4个。将钢筋计位置处主筋截断，钢筋计两端与主筋焊接。

（3）桩端反力测试

在桩端对称埋设2只压力传感器以测量桩端反力。压力传感器的连接板与钢筋笼底端焊接，随钢筋笼一起下放。

5.3 试验结果

SZ4试桩每级试验荷载下荷载～位移测试、桩身轴力沿深度分布情况、桩身摩阻力沿深度分布情况及桩身不同断面轴力变化情况见图3～图6。

图3 荷载试验荷载～位移（Q～S）曲线图

图4 不同荷载级别下桩身轴力分布图

图5 不同荷载级别下桩身断面间摩阻力分布情况图（根据实测值绘制）

图6 不同荷载级别下桩身断面轴力变化情况

6 结果分析及结论

6.1 结果分析

（1）荷载箱以上桩段桩侧极限摩阻力分析

SZ4试桩试验荷载达到214960kN后，荷载箱以上桩段桩顶位移、岩土分界面桩身截面位移、荷载箱上位移的Q～s曲线均出现陡降，因此可认为SZ4试桩荷载箱以上桩段的加载极限值分别为14960kN。由于荷载箱处于中风化岩层，为透水层，扣除浮自重，SZ4试桩荷载箱以上桩段桩侧极限摩阻力分别为14634KN。

（2）试桩试验荷载与承载力要求对比分析

根据补充钻孔资料计算试桩容许承载力，考虑桩体自重后，当假设桩底位于荷载箱位置时， SZ4的单桩竖向容许承载力为42937kN，桩端抗力比例为87.8%，相应的桩侧抗力比例为12.2%，则桩侧土的容许承载力为5238kN，故SZ3试桩荷载箱以上桩段桩侧极限摩阻力14634KN为桩侧土的容许承载力5238kN的2.8倍。

6.2 结论

（1）由试验确定适量的抗盐粘土、原状土、纯碱及CMC等，经海水造浆，可制备出其泥浆性能和主要技术指标均达到规范要求，且均能满足港珠澳大桥桩基础施工需求的环保泥浆。

（2）借助海洋工程远距离GPS打桩定位系统，可实现大直径复合桩钢管的高精度插打，为港珠澳大桥预制墩台设计及后续装配施工提供技术支撑。

（3）自平衡法静载试验明确了桩侧摩阻力极限值与地质勘察报告提供的桩侧摩阻力标准值的差异，工程桩设计时提供可借鉴的参数。

参考文献：

[1]莫海鸿，杨小平.基础工程[M].北京：中国建筑工业出版社，2008.

[2]港珠澳大桥主体工程桥梁试桩工程施工及试验研究[R].广东省长大公路工程有限公司联合体，2011.

[3]张晓炜.试桩测试方法对桩基承载特性的影响研究[J].岩土力学，2005，26（11）：1819-1833.（ZHANG XiaoWei. Study on the influence of test methods on the bearing behaviors of piles[J]. Rock and Soil Mechanics，2005，26（11）：1819-1833. （In Chinese）