基桩上延段的无阻力载荷试验装置及其试验方法

摘要

一种基桩上延段的无阻力载荷试验装置及其试验方法，涉及工程桩基础技术领域，所解决的是现有技术的试验结果真实性低的技术问题。该装置包括内管和外管，所述内管同轴插设于外管内，且内、外管的上端齐平，内管的下部套设有与其同轴的保护套管，保护套管的上端与外管的下端以法兰方式连接；所述内管的下端伸出外管及保护套管的下端；所述保护套管的下端与内管的外壁面之间设有一竖向防水密封垫；所述外管的下端设有外管水平环板，所述内管的下部设有内管水平环板，所述内、外管水平环板之间用一平面密封垫防水密封；所述内、外管之间沿轴向设有多组限位板，用于内管的居中限位。本发明提供的装置，能提高试验结果数据的真实性。

说明书

技术领域

本发明涉及工程桩基础的技术，特别是涉及一种能测读出灌注桩试桩设计桩顶以下桩身实际竖向极限阻力的灌注桩桩顶加长段(即基桩上延段)的无阻力载荷试验装置及其试验方法的技术。

背景技术

目前，桩基础的基桩静载荷试验由于其技术成熟、结果直观、测试值的可靠性程度高，因此在测试中被普遍采用，但该测试值包含了试桩桩顶上延段的侧阻力，使测试值高于其实际值，随着桩顶设计深度的加大(桩顶设计深度与建筑物的基坑深度基本一致)，这种传统静载荷试验试方法所测得的实际竖向极限阻力与其实际极限阻力的偏离程度也明显增大，以这样的测试结果值作为工程桩设计的依据，就存在依据不真实问题或竖向极限阻力测试参数冒进的不可靠性。

随着地下空间开发的需要，建筑物基坑深度越来越大，10m左右深度的基坑已是常见的深度，20m乃至30m左右深度的深基坑也越来越多，桩顶设计深度也随之加深。基桩竖向承载力载荷试验测试结果作为桩基设计的重要依据，需遵循先测试、后设计的规程，因此不可能具备在基坑、尤其深基坑开挖后到坑底做载荷试验的条件。唯一的方法就是把桩基初步设计方案所定的试桩的桩顶位置，从几米、几十米深的地下延伸到地面，这样就可在地面方便地进行载荷试验。但是，试桩载荷试验的测试值(竖向极限阻力和沉降量)必然受到该上延桩段与其周围土体接触面之间所产生的侧壁摩阻力的干扰，使测得的极限阻力偏大，桩身沉降量则偏小；于是设计人员将桩顶上延段桩身所产生的侧壁阻力和由此对沉降的减量影响因素，以估算值把它从测试结果值中销除，但这样的估算结果仍然不能反映试桩的实际竖向极限阻力，把这样的结果作为桩基设计依据是存在一定偏差的。因此，需要一种能在试桩桩顶上延段创造无阻力的环境条件的试验装置。

现有的能在试桩桩顶上延段创造无阻力的环境条件的一种试验装置由两根直径相异的圆形钢管组成，其中一根为内管，另一根为外管，内管同轴插设于外管内，在内、外钢管之间沿钢管的轴向间隔设置多个O型橡胶密封圈，O型橡密封圈一方面能使内管保持居中，另一方面(据介绍)能防止在钻进成孔阶段和桩身混凝土灌注阶段孔内泥浆和水泥砂浆进入内、外两管之间的环状空间；但是这种装置存在以下缺陷：

1)受内、外管卷制直径偏差的影响，管径正圆度往往达不到所需精度，使得O型橡胶密封圈在其不同方位的局部会产生松弛或过度挤压的不均匀状态(即局部会存在空隙)，由于O型橡胶密封圈不具备足以弥补空隙的能力，使得泥浆或混凝土中的砂浆易从这些薄弱环节进入内、外两管之间的环状空间，一旦水泥砂浆进入该环状空间并固化，就会造成载荷试验时内管外壁的阻力增大，从而影响测试结果的真实性，这种隐患状况随着试桩桩径的增大而愈加明显(试桩桩径的增大即意味着内、外管管径的增大和环状空间径向间隙偏差的不可控程度的加大)；

2)多个O型橡胶密封圈的设置(设置间距小、密度大)不仅费用较大，而且在内管插入外管过程中还会增加阻力；同时，O型橡胶密封圈在内管插入外管的组装过程中，存在被挤压偏离安装位置乃至被挤压破损甚或断裂的较高几率，使密封效果存在一定的不确定性；

3)若要实现内、外管正圆度的高精度加工，需要在专业厂家定制，而且内外管壁厚和密封圈直径也要有所增大，以在有限程度上弥补仍不可避免的内外管间隙不均匀性所引起的上述弊端，如此，试验装置的材料和加工成本很高，还需要增加运费等成本支出。

发明内容

针对上述现有技术中存在的缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种能在试桩桩顶上延段创造无阻力的环境条件，而且防漏密封效果好、拼装难度低、制作成本低廉的基桩上延段的无阻力载荷试验装置及其试验方法。

为了解决上述技术问题，本发明所提供的一种基桩上延段的无阻力载荷试验装置，包括两根直径相异的圆形钢管，两根钢管中的一根为内管，另一根为外管，所述内管同轴插设于外管内，其特征在于：所述内、外管的上端齐平，内管的下部套设有与其同轴的保护套管，所述保护套管的直径、壁厚与外管的直径、壁厚一致，其上端与外管的下端以法兰方式连接；所述内管的下端伸出外管及保护套管的下端；所述保护套管的下端与内管的外壁面之间用一竖向密封垫防水密封，并设有用于固定竖向密封垫的竖向环板；

所述外管的下端设有外管水平环板，所述内管的下部设有内管水平环板，而且所述内管水平环板位于外管水平环板和竖向密封垫之间，所述内、外管水平环板的板面均垂直于内管的轴线，而且内、外管水平环板之间用一平面密封垫防水密封；

所述内、外管之间沿轴向设有多组限位板，每组限位板由多个均布的内管居中限位板组成，所述内管居中限位板的外侧缘与外管内壁面焊接固定，其内侧缘与内管外壁面之间留有间隙；

所述外管的上端轴对称设有多个门形连接器，并设有用于控制内、外管之间间距和相对位置的多个均布的垫块，每个门形连接器的两个脚柱分别与内管内壁和外管外壁固接。

进一步的，所述内管居中限位板的下端内侧设有坡口，而且其坡口的坡面与外管的径向截面之间的夹角为70°。

进一步的，所述垫块的下端内侧设有坡角，而且其坡角的坡面与外管的径向截面之间的夹角为70°。

进一步的，所述内管壁厚小于等于外管的壁厚。

进一步的，所述竖向密封垫的上缘与竖向环板的上缘齐平，其下缘伸出竖向环板的下缘。

进一步的，所述平面密封垫的内侧边沿内管的外壁面向上弯折，并伸出外管水平环板的上端面。

本发明所提供的基桩上延段的无阻力载荷试验装置的试验方法，其特征在于，具体步骤如下：

1)确定试桩的设计深度及环筒状素砼墙体的高度，然后根据试桩的规格尺寸及试验地点的岩土强度特性计算试验装置中各部件的规格尺寸，并根据计算结果在地面钻设用于安放试验装置的预成孔；

2)根据工程桩的基桩规格和桩顶埋深确定试验装置中的各部件的规格和安装深度，并根据所确定的试验装置中的各部件的规格和安装深度制作、组装及安放试验装置，其制作及组装的步骤如下：

①根据内管的内径、壁厚和总长确定内管水平环板的安装位置，并在该安装位置安装内管水平环板，在外管的下端安装外管水平环板，并在外管顶部轴对称焊置四块承重水平撑板，在保护套管的下端安装竖向环板，并在竖向环板上安装竖向密封垫；

②将内管与外管水平放置，内管的上端对准外管的下端，并使两者的轴线重合；

③先将外管的上端设锚固定，再通过牵引或顶推方式使内管从外管的下端开口进入外管，并在外管水平环板上安装防水平面密封垫；

④继续牵引或顶推内管，当内管水平环板贴近平面密封垫时，均匀向内管下端施加轴向压力，使整圈平面密封垫处于适度压紧状态；

⑤在平面密封垫保持压紧状态下，在内、外管的上端焊接门形连接器；

⑥将保护套管套进内管下部，并将保护套管上端的法兰面与外管下端的法兰面用螺栓对称、逐步拧紧；

其中，在保护套管套进内管前，先在内管下端临时焊置具有圆锥面的导向环，并在外管下端的法兰面安放法兰橡胶垫圈，再将保护套管呈水平吊起并套入内管下端，然后在保护套管下端施加推力，并借助导向环使竖向密封垫紧紧套住内管外壁面，继续施加推力至保护套管的法兰面与法兰橡胶垫圈面接触；

3)利用各门形连接器作为吊耳，将试验装置吊放入预成孔中，使试验装置居于孔位中心，并通过对试验装置顶端施加水平力来调整试验装置的垂直精度，垂直精度调整完毕后即将外管顶部框定，以防止管顶水平位移；

其中，若试桩设计桩顶的埋深过大，使得试验装置不能一次吊入预成孔内，则将装置分成上下两个管段分别吊装，每个管段均包括内管和外管，并在装置下段的外管顶部轴对称焊置四块临时承重水平撑板，每个管段的内、外管之间用临时垫块焊接成一个整体，并在装置下段的外管上对各临时垫块焊接位置进行标记，在装置上、下段的外管对接口均安装连接法兰；装置上段的外管的底端高于装置上段的内管的底端，吊放时，先将装置的下段居中吊放入预成孔中并调整其垂直精度，并将四块临时承重水平撑板定位固定；然后将装置的上段吊至下端的正上方，并在垂直对位后先用焊接方式将装置上、下段的内管对接，再在装置上、下段的外管对接口的连接法兰间垫置防水平面橡胶垫圈，并在装置上段的外管吊紧状态下割除装置上段的临时垫块，使装置上段的外管下落，然后连接装置上、下段的外管对接口的连接法兰；在连接法兰拧紧和装置上、下段的外管连接垂直度符合要求后，重新在装置上段顶部的内、外管之间焊上垫块和门形连接器，使内、外管位置相对固定，然后在装置下段的外管上的每个临时垫块焊接位置标记处割开形如垫块的矩形小口，然后再将装置下段的各临时垫块一一割除，然后再用钢片将装置下段的外管上所割开的各矩形小口焊补密封；然后将装置上、下段整体吊起，然后再割除装置下段的外管顶部的四块临时承重水平撑板，然后将装置下放到预成孔的孔底；

4)待试验装置以其自重下沉至装置顶部的四块承重水平撑板接触到预成孔孔口砼地坪或孔口地梁后，向预成孔内均匀围填细石骨料直至孔口；

5)根据计算的所需安全侧壁摩阻力值所对应的环筒状素砼墙体的竖向总长度，向围填细石骨料中自下而上注入水泥浆液，确保水泥浆液的充盈顶面不低于计算的环筒状素砼墙体的顶端标高，并待其固化后形成环筒状素砼墙体，从而将试验装置的外管和保护套管与其周围的土体固定为一个整体；

6)在试验装置顶部的孔口安装钻机，从内管下入钻具并钻进成孔至试桩的设计深度，安装下放钢筋笼并完成桩身混凝土水下灌注，待桩身混凝土到达载荷试验规定养护期后，将试验装置顶部的门形连接器和内外管之间的垫块割除，然后安装载荷试验加荷装置和量测仪表与设备，即可开始测试试桩竖向极限阻力的静载荷试验。

本发明提供的基桩上延段的无阻力载荷试验装置及其试验方法，由于空间位置固定的外管为内管所包裹的载荷试验上延桩段形成无侧壁摩阻条件发挥了作用，使载荷试验所测得的基桩极限阻力值不再包含上延桩段的侧壁阻力，为直接测得试桩极限承载力创造了条件，加载压力通过内管包裹的上延桩段的传递，能直接作用于试桩桩周和桩端的土体，使测试值能直接反映单桩实际极阻力，突破了在地面进行试桩静载荷试验条件下，竖向极限阻力测试值受到专为测试而在试桩桩顶上方延长的桩段引起的侧壁摩阻力及沉降量干扰的难题，解决了常规测试方法由于所获结果必须减去上延桩段估算的侧壁阻力，而导致的单桩极限阻力成为估算值的问题，提高了作为设计依据的测试值的真实性和可靠性，而且内、外管可在试桩现场加工、制作、组装，其拼装难度及加工制作费用较低，更为重要的是，防漏密封的可靠性在内、外管拼装阶段就能得到直观的检验、确定和保证。

附图说明

图1是本发明实施例的基桩上延段的无阻力载荷试验装置的剖切主视图；

图2是图1中的A部分的放大图；

图3是本发明实施例的基桩上延段的无阻力载荷试验装置的俯视图；

图4是本发明实施例的基桩上延段的无阻力载荷试验装置进行试验的示意图。

具体实施方式

以下结合附图说明对本发明的实施例作进一步详细描述，但本实施例并不用于限制本发明，凡是采用本发明的相似结构及其相似变化，均应列入本发明的保护范围。

如图1-图3所示，本发明实施例所提供的一种基桩上延段的无阻力载荷试验装置，包括两根直径相异的圆形钢管，两根钢管中的一根为内管1，另一根为外管2，所述内管1同轴插设于外管2内，其特征在于：所述内、外管的上端齐平，内管1的下部套设有与其同轴的保护套管3，所述保护套管3的直径、壁厚与外管2的直径、壁厚一致，其上端与外管2的下端以法兰方式连接；所述内管1的下端伸出外管2的下端50cm，伸出保护套管3的下端10cm，其壁厚小于等于外管的壁厚；所述保护套管3的下端与内管1的外壁面之间用一竖向密封垫4防水密封，并设有用于固定竖向密封垫4的竖向环板5；

所述外管2的下端设有外管水平环板6，所述内管1的下部设有内管水平环板7，而且所述内管水平环板7位于外管水平环板6和竖向密封垫4之间，所述内、外管水平环板的板面均垂直于内管1的轴线，而且内、外管水平环板之间用一平面密封垫8防水密封，所述平面密封垫8的径向宽度不小于其厚度的2.5倍；

所述内、外管之间沿轴向设有多组限位板，每组限位板由多个均布的内管居中限位板9组成，所述内管居中限位板9的外侧缘与外管内壁面焊接固定，其内侧缘与内管外壁面之间留有间隙；

所述内管居中限位板9的下端内侧设有坡口，而且其坡口的坡面与外管2的径向截面之间的夹角为70°，坡口内、外两端之间的径向间距是内管居中限位板9内、外缘径向间距的二分之一；

所述外管2的上端轴对称设有多个门形连接器10，并设有用于控制内、外管之间间距和相对位置的多个均布的垫块11，每个门形连接器10的两个脚柱分别与内管内壁和外管外壁固接；

所述垫块11的下端内侧设有坡角，而且其坡角的坡面与外管2的径向截面之间的夹角为70°，坡角内、外两端之间的径向间距是垫块11内、外缘径向间距的三分之一；

所述竖向密封垫4的上缘与竖向环板5的上缘齐平，其下缘伸出竖向环板5的下缘；

如图1-图4所示，本发明实施例所提供的基桩上延段的无阻力载荷试验装置的试验方法，其特征在于，具体步骤如下：

1)确定试桩的设计深度及环筒状素砼墙体的高度，然后根据试桩的规格尺寸及试验地点的岩土强度特性计算试验装置中各部件的规格尺寸，并根据计算结果在地面钻设用于安放试验装置的预成孔12(参见图3)；

2)根据工程桩的基桩规格和桩顶埋深确定试验装置中的各部件的规格和安装深度，并根据所确定的试验装置中的各部件的规格和安装深度制作、组装及安放试验装置，其制作及组装的步骤如下：

①根据内管1的内径、壁厚和总长确定内管水平环板7的安装位置，并在该安装位置安装内管水平环板7，在外管2的下端安装外管水平环板6，并在外管2顶部轴对称焊置四块承重水平撑板13，在保护套管3的下端安装竖向环板5，并在竖向环板5上安装竖向密封垫4；

②将内管与外管水平放置，内管的上端对准外管的下端，并使两者的轴线重合；

③先将外管的上端设锚固定，再通过牵引或顶推方式使内管从外管的下端开口进入外管，并在外管水平环板6上安装防水平面密封垫8；

④继续牵引或顶推内管，当内管水平环板贴近平面密封垫时，用千斤顶反力架装置均匀向内管下端施加轴向压力，使整圈平面密封垫处于适度压紧状态；

⑤在平面密封垫保持压紧状态下，在内、外管的上端焊接门形连接器10；

⑥将保护套管3套进内管1下部，并将保护套管上端的法兰面与外管下端的法兰面(本实施例中，外管水平环板兼作保护套管与外管之间的连接法兰)用螺栓对称、逐步的拧紧；

其中，在保护套管套进内管前，先在内管下端临时焊置具有圆锥面的导向环，并在外管下端的法兰面安放法兰橡胶垫圈，再用吊机或其他起吊装置将保护套管呈水平吊起并套入内管下端，然后在保护套管下端施加推力，并借助导向环使竖向密封垫紧紧套住内管外壁面，继续施加推力至保护套管的法兰面与法兰橡胶垫圈面接触；

3)利用各门形连接器10作为吊耳，将试验装置吊放入预成孔12中，使试验装置居于孔位中心，并通过对试验装置顶端施加水平力来调整试验装置的垂直精度，垂直精度调整完毕后即将外管顶部框定，以防止管顶水平位移；

其中，若试桩设计桩顶的埋深过大，使得试验装置不能一次吊入预成孔内，则将装置分成上下两个管段分别吊装，每个管段均包括内管和外管，并在装置下段的外管顶部轴对称焊置四块临时承重水平撑板，内管下段的上端伸出外管下段的上端几十厘米，内管上段的下端伸出外管上段的下端几十厘米，以暴露拼接位置，方便焊接；每个管段的内、外管之间用临时垫块焊接成一个整体，并在装置下段的外管上对各临时垫块焊接位置进行标记，在装置上、下段的外管对接口均安装连接法兰；装置上段的外管的底端高于装置上段的内管的底端，吊放时，先将装置的下段居中吊放入预成孔中并调整其垂直精度，并将四块临时承重水平撑板定位固定；然后将装置的上段吊至下端的正上方，并在垂直对位后先用焊接方式将装置上、下段的内管对接，再在装置上、下段的外管对接口的连接法兰间垫置防水平面橡胶垫圈，并在装置上段的外管吊紧状态下割除装置上段的临时垫块，使装置上段的外管下落，然后连接装置上、下段的外管对接口的连接法兰；在连接法兰拧紧和装置上、下段的外管连接垂直度符合要求后，重新在装置上段顶部的内、外管之间焊上垫块和门形连接器，使内、外管位置相对固定，然后在装置下段的外管上的每个临时垫块焊接位置标记处割开形如垫块的矩形小口，然后再将装置下段的各临时垫块一一割除，然后再用钢片将装置下段的外管上所割开的各矩形小口焊补密封；然后将装置上、下段整体吊起，然后再割除装置下段的外管顶部的四块临时承重水平撑板，然后将装置下放到预成孔的孔底；

4)待试验装置以其自重下沉至装置顶部的四块承重水平撑板13接触到预成孔12孔口砼地坪或孔口地梁后，向预成孔12内均匀围填细石骨料直至孔口；

5)根据计算的所需安全侧壁摩阻力值所对应的环筒状素砼墙体的竖向总长度，向围填细石骨料中自下而上注入水泥浆液，确保水泥浆液的充盈顶面不低于计算的环筒状素砼墙体的顶端标高，并待其固化后形成环筒状素砼墙体15，从而将试验装置的外管和保护套管与其周围的土体固定为一个整体，该环筒状素砼墙体15对于外管的侧壁摩阻力足以稳定外管，能可靠扼制外管在试桩载荷试验过程的下沉；

6)在试验装置顶部的孔口安装钻机，从内管下入钻具并钻进成孔至试桩的设计深度，安装下放钢筋笼并完成桩身混凝土14水下灌注，待桩身混凝土14到达载荷试验规定养护期后，将试验装置顶部的门形连接器和内外管之间的垫块割除，然后安装载荷试验加荷装置和量测仪表与设备，即可开始测试试桩竖向极限阻力的静载荷试验。

本发明实施例中，内、外管组装完成后，内、外管的径向截面的正圆度偏差不超过各自设计管径(内壁直径或外壁直径)的1.5％，且最大直径偏差在3mm内，内、外管的平直度允许偏差不超过各自管长的0.4％；

本发明实施例中，平面密封垫的外侧边用均布的多个螺丝固定在外管水平环板上，使平面密封垫在被内管推挤过程中不致被挤离安装位置，并能顺利嵌进外管水平环板与内管外壁之间的设计间隙，该设计间隙是平面密封垫厚度的0.8倍；在内、外管组装过程中，当平面密封垫内侧嵌进外管水平环板与内管外壁之间的设计间隙后，对内管底端施加推力，使内管水平环板在向外管水平环板移动过程中将平面密封垫充分压紧，并在平面密封垫保持充分压紧的状态下，完成各门形连接器与内、外管顶端的焊接，就此扼制平面密封垫的回弹，以达到可靠的密封效果；

本发明实施例中，内管水平环板和外管水平环板的内、外径的制作精度为±1mm，正圆度偏差为2mm；内管水平环板及外管水平环板的板面与内管的轴线垂直，允许偏差不超过内管管长的0.5％；内管水平环板和外管水平环板定位后，两环板之间平行间距的最大偏差不超过1.5mm；保护套管与外管水平环板的法兰面通过螺栓固定接合，接合后的最大间隙不超过1.2mm，而且在外管水平环板的法兰连接面上安设橡胶密封圈，橡胶密封圈的厚度为3±0.5mm；固定保护套管与外管水平环板的法兰面的螺栓通孔的中心偏差不超过0.5mm；

本发明实施例中，竖向环板的正圆度偏差及其内板面与内管外壁面平行间距的偏差均不超过2mm；竖向环板内板面与内管外壁面之间的径向间距是竖向密封垫厚度的0.8倍；竖向密封垫用均布的多个螺栓紧固在竖向环板上；

本发明实施例中，各连接法兰的厚度均相同。