自平衡桩基承载力检测法在地铁工程中的应用

田清彪

摘 要：结合北京地铁某工程对自平衡桩基检测法在盖挖逆做法车站中的桩基承载力进行测试，对试验数据进行整理，并与经验参数法计算结果进行对比分析，结果表明，测试取得较好的工程效果，可在地铁工程中推广应用。

关键词：自平衡桩基检测法 盖挖逆做 地铁车站

中图分类号：TU473 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）03（b）-0080-02

城市轨道交通线路大部分布置在城市主干道上，对地面交通影响很大，由此催生出许多施工方法以减少对周边环境的影响。盖挖逆做法由于其占用道路时间短、能尽快恢复交通、对周边环境影响较小等优点，在地铁车站建设中经常用到。盖挖逆做法的中间柱桩基础顶在基坑底，传统的堆载法、锚桩法等静载试验难以实施，特引入了自平衡法进行桩基静载试验。该法在地铁工程中应用不多，缺乏相关试验结论。本文旨在介绍自平衡桩基检测法，并详细介绍试验数据的处理方法，为类似工程积累经验。

1 检测原理

自平衡法的检测原理是将一种特制的加载装置——自平衡荷载箱，在混凝土浇注之前和钢筋笼一起埋入桩内相应的位置，将加载箱的加压管以及所需的其他测试装置（位移、应变等）从桩体引到地面，然后灌注成桩。由加压泵在地面向荷载箱加压加载，荷载箱产生上下两个方向的力，并传递到桩身。由于桩体自成反力，将得到相当于两个静载试验的数据：荷载箱以上部分获得反向加载时上部分桩体的相应反应系列参数；荷载箱以下部分获得正向加载时下部分桩体的相应反应参数。通过对加载力与这些参数（位移、应变等）之间关系的计算和分析，可以获得桩基承载力等一系列数据。这种方法可以用于为设计提供数据依据，也可用于工程桩承载力的检验。图1为试验示意图。

2 概况

2.1 工程概况

本工程为北京某地铁车站，采用盖挖逆做法施工，试验对象为中间柱桩基础，该桩为钻孔灌注桩，直径2.0 m，桩长25 m，根据勘察资料预估有效单桩竖向承载力特征值为10800 kN。由于桩的设计等级为甲级，根据《建筑桩基技术规范》（JGJ94），应通过静载试验确定单桩竖向极限承载力。由于桩顶标高在地面以下18.3 m处，传统的堆载法及锚桩法难以实施，固采用自平衡法进行静载试验。

2.2 工程地质概况

本工程场地勘探范围内的土层分为人工堆积层（Qml）、第四纪全新世冲洪基层（Q4al+pl）、第四纪晚更新世冲洪积层（Q3al+pl）三大类，并按地层岩性及其物理力学性质进一步细分，土层自上而下依次为：粉土填土层<1>、杂填土<1-1>、粉土<3>、粉质粘土<3-1>、粉细砂<4-3>、中粗砂<4-4>、圆砾<5>、中粗砂<5-1>、粉质粘土<6>、粉土<6-2>、细中砂<6-3>、圆砾卵石<7>、中粗砂<7-1>、粉细砂<7-2>、粉土<7-3>、粉质粘土<8>、粘土<8-1>、粉土<8-2>、细砂<8-3>、卵石圆砾<9>、中粗砂<9-1>、粉质粘土<10>、粉土<10-2>、粉细砂<10-3>。中间桩顶主要位于圆砾<5>、粉质粘土<6>两层，桩底位于中粗砂<9-1>层。

3 试验方案介绍

3.1 荷载箱位置确定

荷载箱位于平衡点处，将桩身分为上下两段，所谓的“平衡点”即上端桩的自重及桩侧摩阻力之和与下段桩的桩侧摩阻力及桩端阻力之和基本相等的位置。根据试验桩处的钻孔柱状图及土层参数，可按（式1）确定荷载箱的位置。

（式1）

式中：

u——桩身周长；

li——桩周第i 层土厚度：

qsik、qpk——分别为桩周第i土层初始极限侧阻力标准值、初始极限端阻力标准值；

βsi、βp——分别为后注浆侧阻力、端阻力增强系数；

Ap——桩端面积；

W——荷载箱上段桩的自重；

γ——荷载箱上段桩侧阻力修正系数，对于粘土、粉土γ取0.8，对于砂土取0.7。

3.2 终止加载条件和相应的极限加载值的取值

（1）总位移量大于或等于40 mm，且本级荷载的位移量大于或等于前一级荷载的位移量的5倍时，加载即可终止。取此终止时荷载小一级的荷载为极限加载值。（2）总位移量大于或等于40 mm，且本级荷载加上24 h后未达稳定，加载即可终止。取此终止时荷载小一级的荷载为极限加载值。（3）巨粒土、密实砂类土以及坚硬的黏质土中，总位移量小于40 mm，但荷载已大于或等于设计荷载乘以设计规定的安全系数，加载即可终止。取此时的荷载为极限加载值。（4）施工过程中的检验性试验，一般加载应继续到桩两倍的设计荷载为止。如果桩的总位移量不超过40 mm，以及最后一级加载引起的位移不超过前一级加载引起的位移的5倍，则该桩可予以检验。（5）极限荷载难以确定时，应绘制荷载-位移曲线（Q-S曲线）、位移-时间曲线（s-t曲线）确定，必要时还应绘制S-lgt曲线、S-lgtQ曲线（单对数法）、S-（1-Q/Qmax）曲线（百分率法）等综合比较，确定比较合理的极限荷载取值。

3.3 承载力的确定

（1）单桩竖向极限承载力

实测得到荷载箱上段桩的极限承载力Qu上和荷载箱下段桩的极限承载力Qu下，按照（式2）可得到单桩竖向抗压极限承载力：

（2）单桩竖向极限承载力标准值

4 试验结果

两根试验桩编号为SZ1、SZ2，根据试验结果，绘制出SZ1、SZ2的Q-S曲线如图2、图3所示。

按照自平衡试验等效转换法，讲试验获得的向上、向下两条Q-S曲线等效转换为相应传统静载试验的一条P-S曲线，以确定桩顶位移。转换法公式如式（6）所示。

（式6）

式中：Qu——基桩承载力；

G——上段桩身自重；

、——桩端阻力、桩侧阻力极限值。

经过等效转换后，SZ1号试验桩等效荷载为22595 kN，桩顶等效位移为22.60 mm；SZ1号试验桩等效荷载为23209 kN，桩顶等效位移为26.48 mm。等效转换后的P-S曲线如图4、图5所示。

6 结语

本文详细介绍了自平衡法桩基检测法在地铁盖挖逆做法车站工程中的应用，并介绍了自平衡法桩基检测法的原理及数据处理方法。由于静载试验是对桩基承载力的检测，未做破坏性试验，所以未得出桩基的极限承载力，但从静载试验P-S曲线可推测出，在满足设计文件要求的桩基承载力特征值10800 kN的前提下，桩基的承载力还有上升的空间。以后类似工程桩基的设计可参考本工程试验结果，适当减小桩径或桩长。

参考文献

[1] 基桩静载试验 自平衡法.（JT/T 738-2009）[S].

[2] 建筑桩基技术规范.（JGJ94-2008）[S].endprint

摘 要：结合北京地铁某工程对自平衡桩基检测法在盖挖逆做法车站中的桩基承载力进行测试，对试验数据进行整理，并与经验参数法计算结果进行对比分析，结果表明，测试取得较好的工程效果，可在地铁工程中推广应用。

关键词：自平衡桩基检测法 盖挖逆做 地铁车站

中图分类号：TU473 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）03（b）-0080-02

城市轨道交通线路大部分布置在城市主干道上，对地面交通影响很大，由此催生出许多施工方法以减少对周边环境的影响。盖挖逆做法由于其占用道路时间短、能尽快恢复交通、对周边环境影响较小等优点，在地铁车站建设中经常用到。盖挖逆做法的中间柱桩基础顶在基坑底，传统的堆载法、锚桩法等静载试验难以实施，特引入了自平衡法进行桩基静载试验。该法在地铁工程中应用不多，缺乏相关试验结论。本文旨在介绍自平衡桩基检测法，并详细介绍试验数据的处理方法，为类似工程积累经验。

1 检测原理

自平衡法的检测原理是将一种特制的加载装置——自平衡荷载箱，在混凝土浇注之前和钢筋笼一起埋入桩内相应的位置，将加载箱的加压管以及所需的其他测试装置（位移、应变等）从桩体引到地面，然后灌注成桩。由加压泵在地面向荷载箱加压加载，荷载箱产生上下两个方向的力，并传递到桩身。由于桩体自成反力，将得到相当于两个静载试验的数据：荷载箱以上部分获得反向加载时上部分桩体的相应反应系列参数；荷载箱以下部分获得正向加载时下部分桩体的相应反应参数。通过对加载力与这些参数（位移、应变等）之间关系的计算和分析，可以获得桩基承载力等一系列数据。这种方法可以用于为设计提供数据依据，也可用于工程桩承载力的检验。图1为试验示意图。

2 概况

2.1 工程概况

本工程为北京某地铁车站，采用盖挖逆做法施工，试验对象为中间柱桩基础，该桩为钻孔灌注桩，直径2.0 m，桩长25 m，根据勘察资料预估有效单桩竖向承载力特征值为10800 kN。由于桩的设计等级为甲级，根据《建筑桩基技术规范》（JGJ94），应通过静载试验确定单桩竖向极限承载力。由于桩顶标高在地面以下18.3 m处，传统的堆载法及锚桩法难以实施，固采用自平衡法进行静载试验。

2.2 工程地质概况

本工程场地勘探范围内的土层分为人工堆积层（Qml）、第四纪全新世冲洪基层（Q4al+pl）、第四纪晚更新世冲洪积层（Q3al+pl）三大类，并按地层岩性及其物理力学性质进一步细分，土层自上而下依次为：粉土填土层<1>、杂填土<1-1>、粉土<3>、粉质粘土<3-1>、粉细砂<4-3>、中粗砂<4-4>、圆砾<5>、中粗砂<5-1>、粉质粘土<6>、粉土<6-2>、细中砂<6-3>、圆砾卵石<7>、中粗砂<7-1>、粉细砂<7-2>、粉土<7-3>、粉质粘土<8>、粘土<8-1>、粉土<8-2>、细砂<8-3>、卵石圆砾<9>、中粗砂<9-1>、粉质粘土<10>、粉土<10-2>、粉细砂<10-3>。中间桩顶主要位于圆砾<5>、粉质粘土<6>两层，桩底位于中粗砂<9-1>层。

3 试验方案介绍

3.1 荷载箱位置确定

荷载箱位于平衡点处，将桩身分为上下两段，所谓的“平衡点”即上端桩的自重及桩侧摩阻力之和与下段桩的桩侧摩阻力及桩端阻力之和基本相等的位置。根据试验桩处的钻孔柱状图及土层参数，可按（式1）确定荷载箱的位置。

（式1）

式中：

u——桩身周长；

li——桩周第i 层土厚度：

qsik、qpk——分别为桩周第i土层初始极限侧阻力标准值、初始极限端阻力标准值；

βsi、βp——分别为后注浆侧阻力、端阻力增强系数；

Ap——桩端面积；

W——荷载箱上段桩的自重；

γ——荷载箱上段桩侧阻力修正系数，对于粘土、粉土γ取0.8，对于砂土取0.7。

3.2 终止加载条件和相应的极限加载值的取值

（1）总位移量大于或等于40 mm，且本级荷载的位移量大于或等于前一级荷载的位移量的5倍时，加载即可终止。取此终止时荷载小一级的荷载为极限加载值。（2）总位移量大于或等于40 mm，且本级荷载加上24 h后未达稳定，加载即可终止。取此终止时荷载小一级的荷载为极限加载值。（3）巨粒土、密实砂类土以及坚硬的黏质土中，总位移量小于40 mm，但荷载已大于或等于设计荷载乘以设计规定的安全系数，加载即可终止。取此时的荷载为极限加载值。（4）施工过程中的检验性试验，一般加载应继续到桩两倍的设计荷载为止。如果桩的总位移量不超过40 mm，以及最后一级加载引起的位移不超过前一级加载引起的位移的5倍，则该桩可予以检验。（5）极限荷载难以确定时，应绘制荷载-位移曲线（Q-S曲线）、位移-时间曲线（s-t曲线）确定，必要时还应绘制S-lgt曲线、S-lgtQ曲线（单对数法）、S-（1-Q/Qmax）曲线（百分率法）等综合比较，确定比较合理的极限荷载取值。

3.3 承载力的确定

（1）单桩竖向极限承载力

实测得到荷载箱上段桩的极限承载力Qu上和荷载箱下段桩的极限承载力Qu下，按照（式2）可得到单桩竖向抗压极限承载力：

（2）单桩竖向极限承载力标准值

4 试验结果

两根试验桩编号为SZ1、SZ2，根据试验结果，绘制出SZ1、SZ2的Q-S曲线如图2、图3所示。

按照自平衡试验等效转换法，讲试验获得的向上、向下两条Q-S曲线等效转换为相应传统静载试验的一条P-S曲线，以确定桩顶位移。转换法公式如式（6）所示。

（式6）

式中：Qu——基桩承载力；

G——上段桩身自重；

、——桩端阻力、桩侧阻力极限值。

经过等效转换后，SZ1号试验桩等效荷载为22595 kN，桩顶等效位移为22.60 mm；SZ1号试验桩等效荷载为23209 kN，桩顶等效位移为26.48 mm。等效转换后的P-S曲线如图4、图5所示。

6 结语

本文详细介绍了自平衡法桩基检测法在地铁盖挖逆做法车站工程中的应用，并介绍了自平衡法桩基检测法的原理及数据处理方法。由于静载试验是对桩基承载力的检测，未做破坏性试验，所以未得出桩基的极限承载力，但从静载试验P-S曲线可推测出，在满足设计文件要求的桩基承载力特征值10800 kN的前提下，桩基的承载力还有上升的空间。以后类似工程桩基的设计可参考本工程试验结果，适当减小桩径或桩长。

参考文献

[1] 基桩静载试验 自平衡法.（JT/T 738-2009）[S].

[2] 建筑桩基技术规范.（JGJ94-2008）[S].endprint

摘 要：结合北京地铁某工程对自平衡桩基检测法在盖挖逆做法车站中的桩基承载力进行测试，对试验数据进行整理，并与经验参数法计算结果进行对比分析，结果表明，测试取得较好的工程效果，可在地铁工程中推广应用。

关键词：自平衡桩基检测法 盖挖逆做 地铁车站

中图分类号：TU473 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）03（b）-0080-02

城市轨道交通线路大部分布置在城市主干道上，对地面交通影响很大，由此催生出许多施工方法以减少对周边环境的影响。盖挖逆做法由于其占用道路时间短、能尽快恢复交通、对周边环境影响较小等优点，在地铁车站建设中经常用到。盖挖逆做法的中间柱桩基础顶在基坑底，传统的堆载法、锚桩法等静载试验难以实施，特引入了自平衡法进行桩基静载试验。该法在地铁工程中应用不多，缺乏相关试验结论。本文旨在介绍自平衡桩基检测法，并详细介绍试验数据的处理方法，为类似工程积累经验。

1 检测原理

自平衡法的检测原理是将一种特制的加载装置——自平衡荷载箱，在混凝土浇注之前和钢筋笼一起埋入桩内相应的位置，将加载箱的加压管以及所需的其他测试装置（位移、应变等）从桩体引到地面，然后灌注成桩。由加压泵在地面向荷载箱加压加载，荷载箱产生上下两个方向的力，并传递到桩身。由于桩体自成反力，将得到相当于两个静载试验的数据：荷载箱以上部分获得反向加载时上部分桩体的相应反应系列参数；荷载箱以下部分获得正向加载时下部分桩体的相应反应参数。通过对加载力与这些参数（位移、应变等）之间关系的计算和分析，可以获得桩基承载力等一系列数据。这种方法可以用于为设计提供数据依据，也可用于工程桩承载力的检验。图1为试验示意图。

2 概况

2.1 工程概况

本工程为北京某地铁车站，采用盖挖逆做法施工，试验对象为中间柱桩基础，该桩为钻孔灌注桩，直径2.0 m，桩长25 m，根据勘察资料预估有效单桩竖向承载力特征值为10800 kN。由于桩的设计等级为甲级，根据《建筑桩基技术规范》（JGJ94），应通过静载试验确定单桩竖向极限承载力。由于桩顶标高在地面以下18.3 m处，传统的堆载法及锚桩法难以实施，固采用自平衡法进行静载试验。

2.2 工程地质概况

本工程场地勘探范围内的土层分为人工堆积层（Qml）、第四纪全新世冲洪基层（Q4al+pl）、第四纪晚更新世冲洪积层（Q3al+pl）三大类，并按地层岩性及其物理力学性质进一步细分，土层自上而下依次为：粉土填土层<1>、杂填土<1-1>、粉土<3>、粉质粘土<3-1>、粉细砂<4-3>、中粗砂<4-4>、圆砾<5>、中粗砂<5-1>、粉质粘土<6>、粉土<6-2>、细中砂<6-3>、圆砾卵石<7>、中粗砂<7-1>、粉细砂<7-2>、粉土<7-3>、粉质粘土<8>、粘土<8-1>、粉土<8-2>、细砂<8-3>、卵石圆砾<9>、中粗砂<9-1>、粉质粘土<10>、粉土<10-2>、粉细砂<10-3>。中间桩顶主要位于圆砾<5>、粉质粘土<6>两层，桩底位于中粗砂<9-1>层。

3 试验方案介绍

3.1 荷载箱位置确定

荷载箱位于平衡点处，将桩身分为上下两段，所谓的“平衡点”即上端桩的自重及桩侧摩阻力之和与下段桩的桩侧摩阻力及桩端阻力之和基本相等的位置。根据试验桩处的钻孔柱状图及土层参数，可按（式1）确定荷载箱的位置。

（式1）

式中：

u——桩身周长；

li——桩周第i 层土厚度：

qsik、qpk——分别为桩周第i土层初始极限侧阻力标准值、初始极限端阻力标准值；

βsi、βp——分别为后注浆侧阻力、端阻力增强系数；

Ap——桩端面积；

W——荷载箱上段桩的自重；

γ——荷载箱上段桩侧阻力修正系数，对于粘土、粉土γ取0.8，对于砂土取0.7。

3.2 终止加载条件和相应的极限加载值的取值

（1）总位移量大于或等于40 mm，且本级荷载的位移量大于或等于前一级荷载的位移量的5倍时，加载即可终止。取此终止时荷载小一级的荷载为极限加载值。（2）总位移量大于或等于40 mm，且本级荷载加上24 h后未达稳定，加载即可终止。取此终止时荷载小一级的荷载为极限加载值。（3）巨粒土、密实砂类土以及坚硬的黏质土中，总位移量小于40 mm，但荷载已大于或等于设计荷载乘以设计规定的安全系数，加载即可终止。取此时的荷载为极限加载值。（4）施工过程中的检验性试验，一般加载应继续到桩两倍的设计荷载为止。如果桩的总位移量不超过40 mm，以及最后一级加载引起的位移不超过前一级加载引起的位移的5倍，则该桩可予以检验。（5）极限荷载难以确定时，应绘制荷载-位移曲线（Q-S曲线）、位移-时间曲线（s-t曲线）确定，必要时还应绘制S-lgt曲线、S-lgtQ曲线（单对数法）、S-（1-Q/Qmax）曲线（百分率法）等综合比较，确定比较合理的极限荷载取值。

3.3 承载力的确定

（1）单桩竖向极限承载力

实测得到荷载箱上段桩的极限承载力Qu上和荷载箱下段桩的极限承载力Qu下，按照（式2）可得到单桩竖向抗压极限承载力：

（2）单桩竖向极限承载力标准值

4 试验结果

两根试验桩编号为SZ1、SZ2，根据试验结果，绘制出SZ1、SZ2的Q-S曲线如图2、图3所示。

按照自平衡试验等效转换法，讲试验获得的向上、向下两条Q-S曲线等效转换为相应传统静载试验的一条P-S曲线，以确定桩顶位移。转换法公式如式（6）所示。

（式6）

式中：Qu——基桩承载力；

G——上段桩身自重；

、——桩端阻力、桩侧阻力极限值。

经过等效转换后，SZ1号试验桩等效荷载为22595 kN，桩顶等效位移为22.60 mm；SZ1号试验桩等效荷载为23209 kN，桩顶等效位移为26.48 mm。等效转换后的P-S曲线如图4、图5所示。

6 结语

本文详细介绍了自平衡法桩基检测法在地铁盖挖逆做法车站工程中的应用，并介绍了自平衡法桩基检测法的原理及数据处理方法。由于静载试验是对桩基承载力的检测，未做破坏性试验，所以未得出桩基的极限承载力，但从静载试验P-S曲线可推测出，在满足设计文件要求的桩基承载力特征值10800 kN的前提下，桩基的承载力还有上升的空间。以后类似工程桩基的设计可参考本工程试验结果，适当减小桩径或桩长。

参考文献

[1] 基桩静载试验 自平衡法.（JT/T 738-2009）[S].

[2] 建筑桩基技术规范.（JGJ94-2008）[S].endprint