海上大吨位锚桩横梁钢结构反力装置单桩竖向抗压静载试验技术

海上大吨位锚桩横梁钢结构反力装置单桩竖向抗压静载试验技术

赵志辉

中交第三航务工程局有限公司厦门分公司      福建厦门     361006

摘要：海上大吨位单桩竖向抗压静载试验受潮水、风浪、场地条件的特殊影响，试验难度往往大很多。本文结合了福州港某泊位扩能改造工程试验桩的海上大吨位锚桩横梁钢结构反力装置单桩竖向抗压静载试验应用，对试验中钢梁规格尺寸、反力装置布置方法及安装要求、基准桩施打要求、锚桩反力值计算、混凝土横梁和钢结构反力装置受力分析、焊缝强度计算、试验过程监控等关键问题进行了分析，为类似工程的单桩竖向抗压静载试验提供一些有益的参考。

关键词：海上大吨位静载试验   锚桩横梁钢结构反力装置设计安装   反力值计算   横梁受力计算   迈达斯建模受力分析  沉降变形监测

1前言

近年来，我国水运需求持续增长，港口码头建设也是持续增加中，高桩码头建筑物作为一种常用的码头结构形式，运用较为广泛。由于该类建筑物对承载力要求比较高，基桩承载力设计值也在不断的提高，而单桩竖向抗压静载试验是测试单桩竖向抗压极限承载力的主要方法，如何在保障安全的情况下利用单桩竖向抗压静载试验方法准确可靠的测试出基桩承载力成为一门很重要的课题。本文结合具体的工程试验桩检测实例，通过对海上大吨位锚桩横梁钢结构反力装置单桩竖向抗压静载试验进行分析和总结，为以后相关工程的海上大吨位静载试验提供一些思路和操作经验。 

2 工程概况

拟建工程为福州港某泊位扩能改造工程水工主体建设长121m高桩梁板式结构码头平台，后方设置高桩梁板式“L形”栈桥，栈桥拐角处设置高桩墩台。本工程灌注桩合计121根，其中栈桥及墩台因与电厂工程深排结构存在部分重叠区段，11根灌注桩与深排工程共用，由其他单位施工。共用11根桩基分别为栈桥3根，墩台8根，均为直径1900mm灌注桩。根据现场已实施情况，共用桩基2-1、2-2、2-3、2-4、3-12已完成桩基及上部结构施工，桩基持力层为粘土混碎石层，桩基承载力无法满足作为栈桥或墩台的基础使用要求，上述5根桩须采用桩端后注浆工艺进行加固。5根桩基后注浆已完成施工，因上部结构（纵横梁）均已施工完成，无法对加固后的桩基进行承载力检测，因此在深排结构处重新施工一根试验桩，试验桩桩基及后注浆施工参数均与这5根桩基保持基本一致。。

3 工程地质情况及设计参数

根据勘察报告，试验桩区域地质从上至下分别为①淤泥、④粘性土混碎石、⑦(A)散体状强风化凝灰熔岩、⑦(B)碎裂状强风化凝灰熔岩等土层，桩底标高为-51m时，持力层为④粘性土混碎石。

试验桩桩基直径1.9m，桩长61.5m，桩底标高-51m，混凝土强度等级C40。钢护筒直径2m，护筒长度60m，壁厚14mm。

4 单桩竖向抗压静载试验方法及本试验存在的重难点分析和采取的相应措施

4.1 单桩竖向抗压静载试验方法

本次试验检测方法主要依据《水运工程基桩试验检测技术规程》JTS 240-2020，试验最大加载量为15000kN，为目前福建省内较大吨位的海上单桩竖向抗压承载力测试试验，结合现场实际情况，拟采用锚桩横梁钢结构反力装置单桩竖向抗压静载。在很多规范中，单桩竖向抗压静载荷试验作为确定或检验单桩竖向抗压极限承载力的首选方法，而锚桩横梁反力装置也是较为常见的反力方式，本试验在锚桩横梁的基础上通过钢结构拉杆将锚桩混凝土横梁与主梁连接在一起，共同作为反力系统。

4.2 本试验存在的重难点分析

为完成好本次试验，我们进行了前期现场踏勘和仔细的研究分析，认为本次试验主要重难点在于要解决如下的问题：①钢梁如何设计才能真正满足试验要求；②试验桩桩头如何进行处理；③锚桩反力值是否满足试验要求；④受场地因素影响，无法采用压重反力装置，采用锚桩横梁钢结构反力装置应如何进行设计、验算及安装；⑤海上大吨位静载试验，如何降低风力和潮水的不利影响；⑥混凝土横梁受力是否满足试验要求；⑦基准桩的施打要求等。

4.3 本试验采取的相应措施

4.3.1 钢梁规格尺寸

本次反力装置主梁采用长12m，高1.5m，宽0.68m的钢箱梁，单根梁重量：约24.1吨，共2根。钢板及型钢为Q345钢，焊条为E50XX系列焊条，钢梁的顶板和底板及腹板均采用等强对接，CO2保护焊，焊缝质量不低于二级，钢结构表面除锈后用两道红丹打底。

4.3.2 试验桩桩头制作要求

将试桩超灌至灌注桩施工平台之上，然后对桩头进行加固处理，处理后的试桩桩顶标高控制为+8.6m，加固混凝土应比桩身混凝土强度提高2个等级。桩顶上部设置双向钢筋网片5层，钢筋网片采用直径为10mm的圆钢，钢筋之间间距为100m，网片之间间距100mm。

4.3.3 反力装置布置方法

本工程反力装置形式采用锚桩横梁钢结构反力装置法，锚桩反力由试桩相邻的已经浇筑完成2根混凝土横梁及底部连接4根φ1900mm的工程灌注桩及提供。反力装置由2根并排焊接的12.0米主梁与试桩相邻的两侧横梁通过钢结构拉杆连接组成，利用φ1900mm的工程灌注桩的施工平台作为主次梁吊装、安装及抗压试验的工作平台，平台不得与试验桩和基准桩相连接，平台设置防风护栏、安全警示标志和安全信号灯等。具体桩位及反力装置布置图见图4-1。

图4-1 试验桩桩位及反力装置布置图

4.3.4 反力装置安装要求

反力装置安装步骤如下：①将3cm厚铁板置于试桩中心，并将4个630t千斤顶放置于铁板之上，千斤顶与主梁之间设置10cm厚的铁板，铁板与主梁间预留5cm工作行程；②将两根12米的主梁并排置于试桩桩中心正上方的两个试桩相邻的横梁上；③主梁与相邻的两根横梁采用4组钢结构拉杆进行连接，在两根横梁底部与钢结构拉杆连接处各设置3cm厚的橡胶垫，预防横梁混凝土在接触受力时产生局部破坏。试验装置示意图见图4-2,单侧横梁与主梁连接示意图见图4-3。考虑到海上受潮水影响，立柱钢结构拉杆安装时应提前查询潮汐表，选择在白天的低潮期间进行，立柱钢结构拉杆与主梁连接步骤按照外侧钢结构拉杆先连接，然后再连接内侧L型钢结构拉杆，最后再用钢板进行贴焊。剩余的3组钢结构拉杆按照同样的连接方式将主梁和混凝土横梁进行连接。

图4-2 试验装置示意图

                                                             注：图中单位：mm

图4-3 单侧混凝土横梁与主梁连接示意图

4.3.5锚桩反力值计算

根据试验检测最大加载量(15000kN)的要求和现场检测条件的具体情况，本工程反力装置形式采用锚桩法，锚桩反力主要由试桩相邻的4根φ1900mm的工程灌注桩和2根横梁、2根纵梁提供。锚桩采用的是工程桩，桩径为1900mm,设计桩长为51m，设计桩顶标高为4.30m，本工程设计高水位+6.96m，试验桩附近的地层从上到下依次为：①淤泥23.3m厚、④混碎石粉质粘土10.6m厚。根据地勘察报告中桩基础设计参数表所示：①淤泥极限桩侧摩阻力为20kPa、④混碎石粉质粘土极限桩侧摩阻力为80kPa。锚桩反力值计算结果见表4.1：

表4.1 锚桩反力值计算结果

本次验算按最大试验荷载的1.3倍计算，试验时应提供不小于19500kN的反力，根据锚桩即单根锚桩应提供不小于3841.75kN的反力。依据《码头结构设计规范》(JTS167-2018)，该工程锚桩单桩抗拔承载力设计值为：=1/1.65*（4931.50+2167.9）=4302.67kN。

故该工程锚桩单桩抗拔承载力设计值大于3841.75kN，因此锚桩反力值满足试验要求。

4.3.6 混凝土锚桩横梁受力分析

按预估试验检测最大加载量(15000kN)的要求和现场检测条件的具体情况，一根横梁的受力7500kN，受力面积0.68×2.19㎡，转换成均布荷载11029kN/m施加到横梁上。计算采用midas civil梁格法进行建模计算，共有节点87个，单元86个。提取弯矩内力包络图如图4-4，最大弯矩内力为10612kN·m，混凝土最大应变为33.8με，能满足受力要求。

图4-4 弯矩内力包络图

4.3.7 钢结构反力装置受力分析

（1）钢结构反力装置建模分析计算

采用迈达斯对该试验的钢结构反力装置进行建模受力分析，建模模型见图4-5。

图4-5  反力装置模型图

通过千斤顶对主梁施加15000kN的荷载，按1.3倍安全系数去考虑，计算得到钢结构立柱拉杆各杆件应力见下图4-6～图4-8。

图4-6 主梁应力图

图4-7 钢结构下横梁应力图

图4-8  钢结构立柱拉杆应力图

通过计算结果可知：

（2）反力装置拉杆焊缝强度计算

拉杆1受拉力400吨，拉杆1两头分别是A点和C点，拉杆2受拉力100吨，拉杆2两头分别是B点和D点。拉杆上部与主梁焊接，焊脚高度16mm，拉杆与主梁之间增加筋板，筋板焊脚高度16mm。拉杆下部与梁对接，在贴焊16mm厚度钢板，钢板焊脚高度16mm。筋板为Q345B材质钢板。拉杆细部构造图见图4-9～图4-10。

①受力计算参数：

焊缝连接的抗拉强度计算参数：

σ－焊缝由拉力Q所产生的拉应力；

F －拉杆所受的拉力，FA=FC=400t，FB=FD=100t

L －焊缝的长度

－贴角焊缝的高度，=16mm，筋板厚度t=16mm；

S －焊缝有效截面积

②A点焊缝抗剪强度计算如下：

S1=（750×2+600）×20=42000mm2

S2=200×10×2×16=64000mm

2

SA=S1+S2=42000+64000=106000mm2

故A点焊缝抗剪强度满足要求。

参见《焊接手册:焊接结构(第3版)》P371～P372，T型接头未焊透第1条拉应力计算。

参见《焊接手册:焊接结构(第3版)》P347，角焊缝抗拉和剪切应力强度设计值为。

③B点、C点、D点焊缝抗剪强度计算：

B点、C点、D点焊缝抗剪强度计算同A点计算方法一致，其抗剪强度计算值均满足要求。

4.3.8 基准桩规格及沉桩要求

基准桩施工包括管桩后场加工运输，前场“钓鱼法”沉桩施工。采用直径为600mm钢管桩作为基准桩，进入全风化花岗岩不小于3.5米，基准桩桩顶标高不低于+12.0m，施打钢管桩用振动锤,拟采用75T履带吊车配合振桩锤采用悬打法进行施工，施打钢管桩至强风化花岗岩层。

本次管桩施工中采用的震动锤型号功率为60kW，根据震动锤功率和地质情况综合考虑，根据地质资料，需要将管桩沉入强风化花岗岩层，即激振频率为60-70w/s，当激振频率为60-70w/s且进尺小于2cm/30击时即可停锤。

5 试验加载方法

试验采用慢速维持荷载法，荷载由油泵通过千斤顶施加于桩顶,试桩采用4个千斤顶控制荷载的施加，千斤顶的中心点应与桩轴线重合。桩顶沉降量由4个位移传感器测得，最后根据原始记录进行室内资料整理。试验最大加载值按设计单桩承载力极限值15000kN控制，采用逐级等量分级，分十级进行加载，每级加载量为1500kN，第一级加载量为3000kN。其余变形观测和加卸载要求等参照《水运工程基桩试验检测技术规程》JTS 240-2020相关规定执行。

6 试验结果分析

6.1 试验桩检测结果

试验最终加载量为15000kN,桩顶总沉降量s为14.42mm，依据《水运工程基桩试验检测技术规程》JTS 240-2020第4.2.17条款的规定：所检试验桩在最大试验荷载作用下未达到极限状态，Q-s曲线呈缓变形，s-lgt曲线平直均匀，桩顶总沉降量s小于40mm，取最大加载值为桩的竖向抗压极限承载力，满足设计要求。Q-s曲线见图6-1，s-lgt曲线见图6-2。

6.2 试验过程中混凝土横梁沉降变形监测

在试桩加载前，仔细观察反力装置、锚桩、混凝土横梁及其连接处并通过拍照等方式做好记录，在2根混凝土横梁主要的受力节点上分别设置监测点位（共12个点），混凝土横梁监测点位布置图如图6-3。利用高精度全站仪对监测点位进行首次测量并做好记录，利用钢卷尺和裂缝宽度测量仪等设备对混凝土横梁前期存在的裂缝长度、宽度等做好标记和记录。

图6-3 混凝土横梁监测点位布置图

在试桩加载过程中，反力装置、锚桩、混凝土横梁未发现明显异常情况，前期的混凝土横梁裂缝也未进一步扩展，利用高精度全站仪对混凝土锚桩横梁的变形及变位情况进行过程监测，加载过程中各监测点位的沉降、位移情况具体见表6-1（表中试验过程中监测的控制点坐标系统和高程系统为独立假设坐标和假设高程）。

表6-1监测点位沉降、位移                   单位：m

由上表可知,加载过程中各监测点位沉降、位移相对还是比较稳定的，J3、J4、J9、J10监测点位于钢结构反力装置与混凝土横梁的接触受力点上 , 其沉降、位移量大于其他监测点，X轴坐标最大位移3mm，Y轴坐标最大位移3mm，Z轴高程最大沉降-2mm;其他监测点基本是越远离钢结构反力装置与混凝土横梁的接触点变形越小, 这也与通过迈达斯建模对钢结构反力装置的受力分析相吻合，说明该反力装置设计方案可靠。

7 结语

根据试验数据和试验结果可以看出，本次试验桩桩底沉降数据较为理想，试验结果满足设计极限承载力要求，试验基本达到了预期目标，对同类工程具有一定的参考意义。

通过本次试验桩试验，我们认为在以后类似的海上大吨位单桩竖向抗压静载试验中应重点关注和完善好以下几个方面：①海上静载试验，风力往往比较大，尤其是外海试验过程要做好防风措施（可对试验平台采用挡风板围挡等方式），减小风力对试验数据的影响；②钢结构反力装置安装和加载试验考虑潮汐作用，试验前对试验设备、钢结构反力装置和安装方案提前合理设计，尽量避免涨退潮影响安装进度和焊接质量，注重试验开始时间的把控，加载过程中，尽量考虑把最大几级的试验荷载控制在白天的低潮水位进行，以便对锚桩和锚桩混凝土横梁的观测；③基准桩的施打位置和沉桩过程要符合规范的相关要求，确保试验数据的可靠性；④试验前应进行主梁规格的选用设计、锚桩反力值的计算、反力装置受力分析与焊缝计算等，确保试验过程的安全性；⑤对试验中的关键受力点一定要进行沉降、位移监测以及裂缝观测，保障试验过程的安全性和试验数据的可靠性。

参考文献
[1]中华人民共和国交通运输部.JTS 240-2020《水运工程基桩试验检测技术规程》北京；人民交通出版社股份有限公司，2020
[2]中华人民共和国交通运输部.JTS 167-2018《码头结构设计规范》北京；人民交通出版社股份有限公司，2018

[3]中国机械工程学会焊接学会.《焊接手册:焊接结构(第3版)》第三版北京；机械工业出版社，2008

[4]中华人民共和国交通运输部.JTS 167-2018《码头结构设计规范》北京；人民交通出版社股份有限公司，2018 

[5]中华人民共和国交通运输部.JTS 133-2013《水运工程岩土勘察规范》北京；人民交通出版社，2013