滑动测微计在自平衡条件下的桩身内力测试

王 茂 桑

(山西省建筑科学研究院，山西 太原 030001)

滑动测微计在自平衡条件下的桩身内力测试

王 茂 桑

(山西省建筑科学研究院，山西 太原 030001)

在自平衡桩基静载荷试验的基础上，采用滑动测微计法作为内力测试手段进行桩身内力测试，得到了自平衡条件下的桩身轴力和桩侧摩阻力测试曲线，并对测试结果进行了对比与分析，提出了需要进一步研究的方向。

自平衡，滑动测微计，桩身内力

1 概述

1.1 自平衡法

桩基静载荷试验采用自平衡法是近年来东南大学发展起来的一种比较科学、简便的灌注桩静载荷试验方法。其最大的优点就在于静载荷试验现场不需要提供试验反力的装置，通过其内部加载箱上下两段的自身内力平衡，实现自己为自己提供试验反力，达到完成试验的目的。

区别于传统的静载荷试验方法，尤其是对于大吨位的静载荷试验，自平衡法具有很大优势。堆载法过于笨重，试验不仅需要很宽阔的现场场地，而且需要吊装大量的试验配重，增加了大量试验费用，而且试验过程又具有很高的风险性；锚桩法虽然能克服堆载法的缺点，但是试验至少需要另外的4根锚桩提供反力，如果这4根锚桩只作为试验锚桩而无法当做工程桩使用，必然造成了很大的浪费。自平衡法有效的克服了上述缺点，已经越来越广泛的应用到工程中来。

1.2 桩身内力测试

基桩的承载力是通过桩身的侧摩阻力及桩端的端阻力来共同提供的，在进行桩基工程设计前，能够了解桩身的侧阻力和端阻力发展变化情况，以及准确获得桩身的侧阻力和端阻力的数值大小显得尤为重要，可以为设计提供更加合理的设计参数，在保证工程安全的前提下，节约大量的工程成本。

桩身内力测试是通过在桩身不同断面位置及桩端处埋设内力传感器，通过数据线或测试通道，将传感器的内力变形反映给测试仪器，仪器通过读取、分析，计算出不同测试断面的内力，从而求得桩身沿深度的内力分布曲线，进而计算出桩身的侧摩阻力值及桩端阻力值。桩基内力测试必须与桩基静载荷试验同时进行，在各级荷载作用下，通过逐级读取各断面的内力，可以求得各级荷载作用下的桩身内力分布及桩身侧摩阻力值和桩端阻力值，通过分析其变化情况，了解桩身在各级荷载作用下的内力发展情况及侧阻力和端阻力发挥情况。如果桩基静载荷试验能够做到破坏试验，则可以求出桩身实际极限侧阻力值和极限端阻力值。

1.3 试验设计

本次桩身内力测试结合桩基静载荷试验同时进行，但由于施工现场条件限制，无法进行大吨位的地面堆载静载荷试验，也无法采用锚桩反力梁装置进行静载荷试验，故最后选择采用自平衡测试技术来进行桩基静载荷试验，同时配合内力测试。

该方法不同于传统的静载荷试验方法在桩顶施加荷载，而是在深埋于桩身内部某深度的加载箱处施加荷载。加载箱开始加载后，加载箱上部桩身通过加载箱的推动产生向上的相对运动，桩周土体产生相对向下的侧摩阻力；加载箱下部桩身通过加载箱的推力，产生向下的相对运动，桩端土体产生向上的反力。故对于桩端阻力部分，测试结果同传统静载荷试验方向相同，对于桩身侧阻力，测试结果正好与传统测试方向相反。

2 工程概况

2.1 试桩概况

某工程基础采用钢筋混凝土灌注桩基础，成孔工艺为人工挖孔摩擦端承桩。根据建设单位委托，本工程项目开始施工前，在场地范围内先进行3根试桩的施工，在试桩施工过程中，在桩身侧面埋设传感器，在进行静载荷试验的同时，测试桩身的内力情况，为场地内工程桩的设计提供设计参数和设计依据，本次试桩概况见表1。

表1 试桩概况表

2.2 地质情况

本工程场地地貌单元属轻微切割黄土丘陵区。在桩长深度范围内土层特征分述如下：

第②层，细中砂，中密状，颗粒较均匀，级配不良，地基土承载力特征值为160 kPa，平均厚度6.1 m；第③层，粉质粘土，局部夹有砂土、粉土砂镜体，呈硬塑状态，具低～中等压缩性，地基土承载力特征值为230 kPa，平均厚度14.8 m；第④层，粉土局部夹有粉质粘土透镜体，具低～中等压缩性，地基土承载力特征值为320 kPa，平均层顶埋深25.8 m。勘察报告提供灌注桩极限侧阻力及端阻力值见表2。

表2 灌注桩极限侧阻力及端阻力值 kPa

3 测试方法

3.1 试验方法

目前常用的桩身内力测试方法是应变式传感器和钢弦式传感器，应变式传感器常用的为压力盒，一般埋设于桩端，用于测试桩端受力情况；钢弦式传感器常用的为钢筋计，一般焊接于主筋上，用于测试桩身某一截面内力。该方法最大缺点是典型的点测方法，即只能获得有传感器截面观测点的数据，测试结果不是沿桩身连续的测试结果。同时由于传感器探头与桩身混凝土或桩周土体无法做到理想的变形匹配，以及无法避免的零点漂移和对实测结果的数据难以修正等缺点，都导致了测试结果难以做到准确客观。

桩身内力测试目前新的测试方法主要有滑动测微计法和光纤测试法，两种测试方法都是连续的线测方法，精度都较应变式传感器和钢弦式传感器有很大程度的提高，两种测试方法相比，光纤测试法其成本要较滑动测微计法高出很多倍，故目前常用的较先进的测试方法是滑动测微计法。该方法是20世纪80年代由瑞士联邦苏黎世综合科技大学K.Kovari教授等提出线法监测。国内目前主要从事该测试方法的单位是广东天信电力工程检测有限公司。

3.2 试验设备

本次试验的主要设备是瑞士Sloexperts AG公司生产的滑动测微计，主体为标距长1 m，两端带有球状测头的位移探头，内装一个线性电感位移计和一个NTC测度计。为了测定线上的应变和温度分布，测线上每隔1 m安置一个具有特殊定位功能的环形标，期间用硬塑料(HPVC)管相连，滑动测微计可依次测量两个环形标之间的相对位移。在加载前自上而下及自下而上两次测定每条试管中的初始读数，以保证测试精度，每级荷载稳定后测定相应的读数，其差值即为各级荷载作用下每一测段的应变值，见图1。

3.3 测试原理

根据各级荷载下的桩顶应变或回归处理后的零点应变可计算弹性模量随应变量级的变化规律，一般可以用一元一次方程表达，如Ei=a-b×εi(GPa)，计算轴向力和摩阻力时采用不同的弹模值，如式(1)，式(2)所示。

桩身轴向力(kN)：

Qi=A×Ei×εi

(1)

单位摩阻力(kPa)：

fi=(Qi-Qi+1)/π/D

(2)

其中，Qi为任意断面处的轴向力，kN；εi为任意断面处回归应变；Ei为相应应变时的弹性模量，GPa；A为平均桩身面积，m2；D为平均桩径，m。

4 测试结果

4.1 桩身轴力

本次桩身内力测试，根据滑动测微计测管实测应变曲线，各级荷载作用下桩身轴力见图2～图4。

本次测试桩身轴力由于加载箱上下两部分轴力相等，且滑动测微计只能埋设于加载箱上部，故只能体现加载箱上部桩身轴力图，加载箱下部紧邻桩端扩大头，桩身轴力其实等于桩端阻力。通过3条曲线可知，桩身轴力最大值出现在加载箱上部即桩身等截面段的底部，桩身轴力随着桩的埋深向上逐渐衰减，桩身轴力最小值出现在桩顶部分，曲线形式与传统的桩顶加载条件的桩身轴力曲线正好相反；随着加载量的增大，桩身轴力也同时呈非线性增大，且最大轴力和最小轴力出现的位置保持不变，这同传统的桩顶加载条件的变化规律相同。

4.2 桩侧摩阻力

本次内力测试所测桩侧摩阻力见图5～图7。

通过上述3条曲线可知，桩身的侧摩阻力最大值均出现在最大荷载作用下的桩身等截面段的底端，也就是加载箱上部，说明该处由于所受的桩身轴力最大，桩侧摩阻力得到了最大程度的发挥，向上随着桩身轴力的减小，桩侧摩阻力逐渐减小。这一点也可以从不同荷载作用的各级曲线的斜率得知，随着加载量的逐级增大，曲线的斜率是逐渐增大的，也就是说，随着加载量的增大，越是靠近加载箱，其桩身侧摩阻力越发挥明显，分担的比例越大。

同时比较3条曲线可知，3号试桩和26号试桩曲线形式基本相同，曲线呈内凹型，而16号试桩曲线形式则不同，呈外凸形。16号试桩桩顶部分的侧摩阻力也不同于另外2根试桩，随着加载量的增大，其桩顶附近的侧摩阻力增大效果并不是很明显。分析原因可能是由于其桩身某段地层情况不同于其余2根试桩，桩顶部分的侧摩阻力没有得到充分的发挥；或者是由于最大加载量或加载箱位置预估有误，桩身已经发生相对位移所致，这一点通过与26号试桩相比可知，2根桩桩长、桩径、扩大头均相同，但16号试桩最大加载量超出了26号试桩的20%，但2根桩加载箱位置埋设深度相同，故结果有了较大的差异。

5 结语

1)自平衡静载荷试验条件下采用滑动测微计法测试桩身内力是切实可行的，但其只能测试加载箱上部的桩身轴力。

2)自平衡静载荷试验条件下所测得桩身内力与传统测试方法所测得桩身内力曲线图正好相反。最大轴力位置为加载箱上部，最小轴力位置为桩顶部分。

3)自平衡静载荷试验方法加载箱位置的埋设至关重要，可能直接决定着静载荷试验的成败，加载箱位置过高，可能导致桩身上部反力不足而破坏，位置过低可能导致下部反力不足而桩端过早破坏。

4)自平衡静载荷试验条件下所得的桩身侧摩阻力其实为向上的负摩阻力，与传统意义的桩身向下的正摩阻力意义不同，两者之间如何换算及应用，还有待于进一步的研究。

[1] 邹艳丽.滑动测微计在某发电厂桩基内力测试中的应用[J].山西建筑,2006，32(19):108-109.

[2] 王可怡，王遇国.滑动测微计在桩基内力测试中的应用[J].建筑技术,2009(4)：42.

[3] 罗云华，陆云龙，李 志.桩基内力测试成果在实际工程中的应用与分析[J].广东土木与建筑,2008(21):11.

On internal stress test of piles of sliding micrometer under self-equilibrium condition

WANG Mao-sang

(ShanxiAcademyofArchitecture,Taiyuan030001,China)

Based on the static loading test of the self-equilibium pile foundation, the paper adopts the sliding micrometer method to undertake the pile internal stress test as the internal stress measurement, concludes the pile axial stress and friction test curve along piles, undertakes the comparison and analysis of the test results, and points out further orientation of the research.

self-equilibrium, sliding micrometer, internal stress of piles

1009-6825(2014)35-0066-03

2014-10-12

王茂桑(1963- )，男，高级工程师

TU473.16

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