Application of bi一directional static loading test to deep foundations

Guoliang Dail 2}, Weiming Gongl a

，Schaal of Civil6ngineering, Southeast University, Nanjing, 210096, China

- Key Laboratory, far RC and PRC Structures of the Ministry of 6ducatian, Southeast University, Nanjing, 210096, China

Received 16 June 2011; received in revised,farm 7August2011; accepted 5口ctaber 2011

Abstract: Bi-directional static loading test adopting load cells is widely used around the world at present, with increase in diameter and length of deep foundations. In this paper, a new simple conversion method to predict the equivalent pile head

load-settlement curve considering elastic shortening of deep foundation was put forward according to the load transfer mechanism. The proposed conversion method was applied to root caisson foundation in a bridge and to large diameter pipe piles in a sea wind power plant. Some new load cells, test procedure, and construction technology were adopted based on the applications to different deep foundations, which could enlarge the application scopes of bi-directional loading test. A new

type of bi-directional loading test for pipe pile was conducted, in which the load cell was installed and loaded after the pipe

pile with special connector has been set up. Unlike the conventional bi-directional loading test, the load cell can be reused

and shows an evident economic benefit.

Key words: deep foundations; bi-directional static loading test; root caisson foundation; large diameter pipe pile

1 Introduction

In China, a number of major construction projects,

such as high-rise buildings, river- or sea-crossing

expressway bridges, high-speed railways, wind power

plants, and harbors, are under construction or to be

built in urban and coastal regions. Deep foundations

are frequently observed in heavy-load and large-span

construction projects. For the large applied loads, the

bi-directional static loading test can be adopted

(Osterberg, 1984), and it is also called self-balanced

test in China (Gong et al., 2002).

The load cell in the bi-directional static loading test

is basically hydraulically driven. The high capacity

and one-off jack-like device is installed within the

foundation unit at the chosen location, where it is

typical half way down the 'capacity length' of the

foundation (Osterberg, 1984, 1989, 2001;England,

2000, 2003). The Osterberg-cell (O-cell) based

bi-directional loading test is now widely used around

the world (Castelli and Fan, 2002; Castelli and

Wilkins, 2004; Russo et al., 2003; Seol and Jeong,

2009; Fellenius and Ann, 2010). The bi-directional

loading test results are used to plot an equivalent

top-down load-settlement curve (Osterberg, 1998), and

multilevel load cell test is now employed frequently

(England, 2009). Generally, the pile head settlements

in bi-directional static loading tests are calculated by

(1) the side shear load-displacement curve, obtained

from the upward movement of the top of the load cell,

and (2) by the end bearing load-displacement curve,

obtained from the downward movement of the bottom

of the load cell. The original method proposed by

Osterberg (1998) assumes that (1) pile is a rigid body,

(2) the movements of the pile head and bottom are the

same, and (3) the upward skin friction is equal to the

downward skin friction. The equivalent pile head

settlement is obtained by adding the side friction to the

end bearing load at the same deflection. However, the

portion of the elastic shortening of the pile has

significant effect on settlement accuracy for long piles

(Lee and Park, 2008). The pile head settlement may be

underestimated by this method. In order to overcome

the limitations of the original method, Fellenius et al.

(1999) adopted a numerical method to obtain the

load-head settlement curves of rigid and non-rigid

equivalent piles. The bearing capacities and the factors

of safety decrease when elastic compressions of the

piles are considered.

Gong et al. (2002) proposed the precise and approximate conversion methods based on the theory

of elasticity. Numerous project examples have

indicated that the precise method is appropriate for the

practical projects (Dai et al., 2005). Lee and Park

(2008) proposed a simplified elastic method for

constructing a realistic pile load-settlement curve. The

shape factor dependent on skin friction distribution is

considered for calculating the elastic shortening of the

piles. The results obtained from the simplified elastic

method are similar to those by static loading test, and

the development of approximate method is beneficial

to the performance study of pile tests. In pre-holed

foundation, the load cell can be embedded at the

chosen location with reinforced cage and then

concrete is placed through tremie pipe. However, in

the driven pipe piles, especially in open-ended piles,

the load cell is usually placed at the bottom of the pile,

because it is not practicable to place load cell in other

locations during installation of the pile. So it is not

suitable for pipe piles, in which the end bearing

capacity is less than the side friction. Therefore, a new

bi-directional loading test should be developed for

large-diameter steel pipe pile. Based on this, a

relatively simple method is proposed in this paper. The

engineering applications of bi-directional static

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应用于深基坑中的双向静载试验

摘要：在深基长度和直径都增加的今日，双向静载试验中所使用的负荷传感器目前在世界上广泛的使用着。在本文中，有一个新的简单转换方法来预测桩头负载沉降曲线是根据荷载传递机理而提出的。他提出的转换方法是用于根沉井深基在桥梁和大直径管桩和海上风力发电厂上。一些新的负荷传感器在测试程序和施工技术的基础上应用到不同的深基中，这可能扩大双向加载试验的应用范围。新的双向负荷试验管桩的类型被使用，其中，所述载荷传感器被安装和管后装入桩专用连接已经建立。不同于常规的双向负荷试验，测力传感器可以重复使用并且这个技术带来了明显的经济效益。

关键词：深基；双向静载试验；根式沉井基；大直径桩基

1 介绍

在中国，一批重大建设项目，如高层建筑，江河或跨海高速公路桥梁，高速铁路，风力发电植物和港口，正在建设或将要建在城市和沿海地区。深基础经常被仔细观测在高负荷和大跨度建设项目中。对于大型应用的负载可以采用双向静载试验（奥斯特伯格，1984），在中国它也被称为自平衡测试（Gong等人，2002）。

在双向静载荷试验的负载传感器基本上是液压驱动。高容量和一次性插口状装置内的安装在选择的位置，它是基础单元典型的半路上下来的“容量长度”基金会（奥斯特伯格，1984年，1989年，2001年，英格兰，2000年，2003年）。基于奥斯特伯格细胞（O-细胞）双向负荷试验现已广泛各地使用世界（卡斯泰利和风扇，2002;和卡斯泰利威尔金斯，2004;拉索等人，2003;薛琦铉和郑某，2009年; Fell和安，2010）。双向负荷试验结果被用来绘制一个等效自上而下负载沉降曲线（奥斯特伯格，1998），以及现在经常使用多级负荷电池测试（英格兰，2009）。一般来说，桩头沉降在双向静载试验是由计算（1）得到来自负荷传感器的顶部的向上运动来获取该侧的剪切载荷位移曲线（2）由最终轴承载荷位移曲线，从底部的向下运动得到的测力计。最初提议的方法奥斯特伯格（1998）假定（1）桩是一个刚体，（2）在桩头部和底部的运动是相同，以及（3）向上的表面摩擦等于向下的表面摩擦。等效桩头结算是通过将侧摩擦到所得结束在相同的偏转轴承的负载。然而，桩的弹性缩短部分具有关于结算的准确性长桩显著的影响（李和公园，2008年）。桩头沉降可能通过这种方法低估。为了克服原始方法的局限性，Fell（1999）采用数值方法来获取负载头沉降曲线僵化和非刚性的桩。桩的轴承能力和因素安全下降时的弹性压缩也被考虑进去。

Gong等人（2002）提出了一种基于理论的精确和近似的转换方法的弹性理论。众多工程实例有表明该精确的方法是可用于实际项目的（DAI等，2005）。李和公园（2008）提出了一个简化的弹性方法构建一个现实的桩荷载沉降曲线。该形状因子依赖于表面的摩擦分布考虑计算的弹性缩短桩。从简化的弹性所获得的结果方法类似于由静载试验，和近似方法的发展是有利到桩测中的性能研究。在预收缩的基础上，测力传感器可以嵌入在箍筋中，然后选定位置具体是通过混凝土导管放置。然而，在驱动管桩，特别是在开放式桩中负荷传感器通常被放置在堆的底部，因为这个位置是不可以在其他桩中安装的位置。因此，它是不适于管桩，其中，所述端轴承容量小于侧摩擦。因此，一个新的双向负荷试验必须针对大直径钢管桩。在此基础上，一比较简单的方法是本文提出。该双向静态试验试验也使用了根和沉箱管桩基在实际工程应用中。

2 双向荷载试验的等效转换方法

在双向负荷试验，测试桩是由嵌入式负载传感器在向上加载并向下的方向。根据关系结算S和所施加的负载Q，之间向上和向下-Q-S曲线可以得到。从两个Q-S曲线和相应的S-LGT（这是装载时间）和S-曲线，轴承两个上的能力和的下段桩基检测可确定。所使用的设备用于现场浇注原位桩试验示于图1（Gong等人，2002）。

当负载通过负载单元施加，它工作在两个方向上。堆的下段通过平衡端轴承负荷施加的负荷，侧摩擦，而经由侧的上段摩擦。有两个阶段的双向转换荷载 - 沉降曲线相当于桩头负载沉降曲线，即决定当量加载并获得桩头的解决。

图1

在桩的顶部的等效负载可以是从双向载荷试验结果确定（Gong等人，2002）：

其中和，并且相对于所选择的位移在向上和向下的荷载 - 位移曲线的选择或内插的负载，分别;是上部桩段的自重;是在双向负荷试验向下摩擦在双向荷载试验中，这是取决于土壤性质从向上摩擦上部桩段的转换系数。

如果所选择的位移比任何其它电阻元件都未监测到的最终值的大，则需要使用外推法。外推法以获得所施加的负荷。桩的荷载-沉降曲线可以用双曲线曲线拟合，可以用双曲线曲线拟合桩的荷载沉降曲线。 桩头沉降是弹性压缩的总和上堆段受向下的载荷，经受桩侧摩擦上段的弹性压缩，和上桩的净沉降。上部桩的净沉降是下桩的顶部的总的运动。注意，单位表面摩擦被假定为在每个段（上和下侧剪）恒定。图2显示了在静载试验中桩顶沉降的组成部分。

图2：桩顶的沉降量计算示意图

图2中的静载试验中的桩头沉降的组成部分可以表示为

其中是桩的截面面积，代表杨氏模量，代表桩的长度。

桩头沉降和等效荷载通过公式（1）-（4）来计算在不同的负荷等级。图3显示了桩头从双向载荷沉降曲线等效加载试验结果。

（a）桩荷载-沉降曲线 （b）等效荷载沉降曲线

图3：得到的桩头等效荷载并且双向加载试验结果沉降曲线

3 应用于深基中的双向静载试验

3.1 无根沉箱

根式沉井基础是一种广泛用于悬索桥的基础。和预制钉打入土层中通过预留在已安装的沉箱孔（图4），小尺寸根式沉箱桩可以给予比典型的沉箱桩或者长桩更好的荷载位移性能。

（a）第五号沉箱桩 （b）F号沉箱桩

（c）沉箱示意图（单位：厘米）

与具有典型的沉箱地基相比，小型根沉箱有它的好处，包括避免桩基础不均匀沉降和节约工程成本。详细的根沉井施工工艺介绍如下。首先，沉箱被安装到一个设计深度为典型沉箱，除了聚乙烯板匹配的根的大小的位置在预安装位置。在沉箱安装中，板必须抵抗侧向土压力，防止水渗入沉箱。当驱动根，板材必须易于被砸切成小块企且没有离开根尖;否则，开始安装的过程中会更因为放大根尖而更加困难。其次，经过沉箱安装后，所有预制的根必须被打入从沉井内液压千斤顶的土壤，从沉箱顶端的底部开始。根渗透后，根端焊接到沉箱和内圈混凝土浇铸而形成整个沉箱。使用传统的结合大型沉箱长桩，部分根改变沿沉箱的负荷传递机理并显示出了良好的整体刚度。

探讨的竖向承载力根沉井地基，四个维度双向静载试验已进行在两根沉箱基础（第5号沉箱用6M在直径39米的身高和根的14层;F号沉箱，直径为6米，47米的高度和17层的根）在马鞍山长江大桥。沉箱的参数列在表1中，列出负载单元被示于图5.中国，根之间的距离相邻层为200厘米，和六个桩安装在每一层。使用所提出的等效转换方法，沉箱5号的等效转换曲线和没有根的F号沉箱等效转换曲线被示于图6。结果表明，根沉箱基础具有较大的竖向承载力，比普通沉箱有52％的改善幅度且基础5号和沉箱楼分别为44％沉箱。该根沉井基础可以很好的选择来作为悬索桥南锚碇基础。

3.2大直径钢管桩

东海大桥附近的海上风力发电厂是中国第一个海上风力发电厂并且目前有102兆瓦的装机容量。它包括34海上风力发电机组并且每有3兆瓦的容量设置。每个地基是由混凝土桩直径为1.7米的8个倾斜钢管桩组成的。这个钢管桩采用Q345C钢。上钢管桩管壁厚为30毫米，下壁厚度为25毫米的上部钢管桩，桩头小于30米，是填充混凝土C30。钢管桩PZ1的参数和PZ2示如表2所示，站点特定的土壤列于表3。

双向静载试验中使用preholed基础。然而在驱动或静压管桩，负荷传感器无法安装在钢管桩焊接设计的位置，特别是在开放式管桩。因此，一个新的双向静载试验器件针对大口径管桩而逐步发展并且应用出来，如7所示。测试程序与传统的双向荷载试验是相同的。仪器的安装过程，包括负载单元被列出如下：

图5：测试沉箱的负荷传感器 （a）五号沉箱

(b)F号沉箱

表2：钢管桩PZ1和PZ2的参数。

表3：具体地点的土壤参数

（a）测试样图

（b）特殊的交界处 （c）可伸缩的负载传感器

图7：测试草图和钢管桩的负载传感器

（1）施工人员切割钢管桩在所选择的位置分成两部分与45度的一个斜坡。

（2）载荷传感器的特殊结被焊接到两部分，连接处与钢管外的直径结是一样的外径桩。

（3）应变计被焊接的钢外管桩角钢的保护下。

（4）在特殊结的运输，应当保持水平，和重加压和崩溃，应避免以防止扭曲管桩。

（5）在钢管桩在内的土壤结应被清除，确保没有特殊结的底部上方馅料留。

（6）桩头应覆盖以防止其它从清理泥土后，里面掉落的杂物。

（7）称重传感器和相关的位移仪器被安装在特殊结。该特殊结应顺利安装并慢慢地避免旋转。试验后，负载传感器通可重复使用可伸缩的吊爪。

他在2008年8月7日期间进行双向负载测试。使用等效转换方法的曲线如图8所示，。表4显示了桩承载力。在2008年7月7日左右测试桩高应变动力试验通过PDA打桩分析仪d-220柴油锤。测试桩的试验结果在表5。这是非常接近双向加载试验的结果。

（a）PZ1桩 （b）PZ2桩

图8：管桩PZ1和PZ2等效转换曲线

表4：PZ1和PZ2钢管桩的轴承力

表5：管桩PZ1动态测试结果

4.结论

双向静载试验被广泛使用在世界上。双向的发展桩的承载力高负荷测试给工程师来评估新的和强大的工具承载桩的特性。双向负荷试验结果可能以相同的方式进行分析作为使用相当于传统的测试结果转换曲线。下列结论可归纳为以下几个方面：

（1）新的转换方法，提出了这可以考虑转换系数的影响和和弹性缩短的承载能力和聚落。等效桩顶荷载 - 沉降曲线可以从双向负荷来计算试验，虽然这些负荷传递的差异是从常规载荷试验机理观察到的。

（2）为了确定根的承载能力沉井基础，双向载荷试验是执行。专用组合负荷传感器的设计

使其应用范围扩大了非常的多并且用于双向静载试验。

（3）双向静态的新技术负荷试验已发展为大直径钢管桩与传统管桩相比较而得。在测试中，特殊的结合点和负载有可伸缩的爪子细胞进行了设计。新的双向负荷试验，可以广泛应用于海上平台大直径钢管桩。虽然双向静载荷试验已经成为比深基础的普遍做法更大的承载能力，也有一定的差别在双向静载试验之间的负载传递规则是自上而下载荷试验，进一步

构建合理的自上而下的研究负载沉降曲线是非常有必要的。

5.致谢

笔者要感谢那些在桥梁双向静载试验的建设项目中对他带来帮助的人，以及老师课题小组在书写论文以及理论研究上给予的帮助，最后谢谢学校给予的机会。

6.参考文献

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