浅谈静荷载试验中的自平衡测试方法

王启渊

摘 要：简述了自平衡法的发展与实验原理及要点，从实验原理、现场试验方法、荷载转换以及试验中荷载箱布置情况进行了总结。自平衡法作为一种新发展的测试方法具有操作方便，实验设备简单的特点，非常具有发展潜力。

关键词：河道治理；河流生态修复；修复技术

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.03.243

1 引言

随着经济发展和工程建设的需要，大直径大吨位桩基的应用越来越普遍，确定桩基础承载力通常采用静荷载试验。静载荷试验法测试桩基承载力，其结果简洁、可信，普遍作为是一种标准试验方法。作为一种近年来新发展的静载测试技术，自平衡测试技术在国内外得到广泛认可和应用。自平衡法具有操作简单，设备使用方便的优点，弥补了传统堆载竖向抗压试验的不足，在大吨位试验桩、高深基坑桩和由于场地空间受到限制的试桩等情况中相比传统静载试验更加實用。

2 试验方法原理及要点

2.1 实验原理

根据试桩的自身反力平衡的力学原理，自平衡测试法主要是靠预先在桩身的截面处埋设单层（或多层）荷载箱，当进行试验时，试验人员从桩顶通过荷载箱对荷载箱的上、下段桩身施加荷载，从而上段桩体会由于压力而向上抬，此时桩侧会产生摩阻力，并且摩阻力会慢慢的发挥作用，与此同时下段桩体也同样由于压力而慢慢下沉，在此过程中下段桩会产生桩侧阻力和桩端阻力，并随着试验的进行慢慢的发挥作用，所以试桩会由于自身的反力而达到平衡加载。

2.2 现场试验方法

顶板、底板、活塞以及箱壁四者组成的荷载箱是自平衡测试法的主要测试装置。在荷载箱的顶盖和底盖上设置位移棒，并将荷载箱和预制的钢筋笼焊接在一起将其放入桩孔，然后进行浇捣便可制成测试桩。荷载箱中的压力可由地面上与荷载箱相连的压力表测出，荷载箱的向上、向下位移可由顶板和地板的位移由地面上的位移传感器测出。通过不断增加荷载箱中的压力，记录下不同压力下的位移值，便可在计算机中绘出相应的向上向下的力与位移的力—位移图，即两条Q-S曲线。

2.3 等效荷载转换方法

在得到两条Q-S后，利用荷载相等原则和位移相等原则进行转换便可得到整个桩的Q-S曲线，假定测试桩为弹性体且分为上、下段桩，分界面为桩的平衡点同时下段桩与等效受压桩下段的位移相等，即Sa=S下 。在自平衡测试法中，桩端的承载力—沉降量关系及不同深度的桩侧摩阻力—变位量关系与传统静载荷试验法是相同的，受压桩上段的桩身压缩量S为桩端及桩侧荷载两部分引起的弹性压缩变形之和， 即：。

式中： S1—受压桩上段在荷载箱下段力作用下产生的弹性压缩变形量；

S2—受压桩上段在荷载箱上段力作用下产生的弹性压缩变形量；

Q下—某一位移对应的荷载箱向下加载值；

Q上—某一位移对应的荷载箱向上加载值；

L—上段桩长度；

γ—修正系数；

Ep—桩身弹性模量；

Ap —桩身截面积；

Gp—荷载箱上部桩自重。

桩顶等效荷载： （4）

等效桩顶荷载对应的桩顶位移： （5）

由（4）、（5）可得等效桩顶Q-S曲线。

2.4 荷载箱埋设位置设置

不同的地质环境会导致荷载箱的埋设位置不同，所以在自平衡测试中，对荷载箱的埋置位置的研究是很有必要的。根据前人经验以及在试验中检测桩实例，归纳了在不同情形下，荷载箱的位置布置，如图1所示。

如图1（a）所示，适用于当桩极限侧摩阻力大于或小于极限端阻力两者的值大致相同时，测定极限侧摩阻力此法也适用。

如图1（b）所示，适用于荷载箱下方的桩体的端阻力与侧摩阻力之和达到极限时，并且与此同时荷载箱上半部分的桩侧阻力也达到极限。

如图1（c）所示，适用于桩基持力层较软弱，此时桩体需要测出的极限侧摩阻力是整个桩身而不仅仅只是其中的一部分，但是又由于此桩体的桩端处无法提供需要的反力，采用深钻的方法可以增加其极限侧摩阻力。

如图1（d）所示，适用于测试挖孔扩底桩的抗拔情况，如图所示形状为荷载箱应该设置在底部的扩大头的区域。

如图1（e）所示，仅适用于大头桩，或当要求测定桩的极限侧摩阻力时，桩极限侧摩阻力要比预估桩极限端阻力大的情形。此时的荷载箱正确的设置做法是将荷载箱设置到扩大柱底上。

如图1（f）所示，存在镶嵌岩石的地层，适合测定有嵌岩地层的极限侧摩阻力和极限端阻力之和。如还需检测岩层上面土层的极限侧摩阻力，需要在镶嵌岩层的侧阻力与端阻力测试完毕后在重新进行测定上层土层的极限侧摩阻力，即将桩体的上半部分进行混凝土浇灌，带混凝土冷却后再进行检测。

如图1（g）所示，适用于有效桩顶标高位于地面以下有一定距离时，试验所需要的输压管以及位移杆可以直接牵引到地面以上，方便进行实验。

如图1（h）所示，可测得多个（2个及2个以上）土层的极限侧摩阻力。需要进行分层测试，先将下层土用混凝土浇灌之后，在对其顶面进行试验的测定，记录下层土的数据之后，再往上层一层一层的测定，测定与第一层的测定一致，即浇灌混凝土之后再进行测定，依次往上类堆，整个桩身全长不同土层情况下的极限侧摩阻力便可测得。

3 自平衡法与传统静荷载方法比较

3.1 相同点

试验对象：自平衡法与传统静荷载实验一样，都是对桩体直接施加荷载的方法。

试验原理：自平衡测试法是利用桩基内部反力的加载方法，经过等效荷载转换方法得到与传统静荷载试验相同的结果。可以将自平衡法视为对桩基上、下部同时进行传统静荷载方法加载，加载设备、荷载分级方法、加载速度、稳定判别条件等，与传统静荷载实验方法基本相似，在实验中可以按照传统静荷载试验规范执行。

3.2 不同点

反力方式：自平衡法加载时，反力来自于桩基内部，这是自平衡法的主要特点。而传统静荷载方法加载时，反力来自于桩基外部，比如锚桩反力、堆载配重反力等。加载方向：传统静荷载方法试验时，桩基整体承受载荷，且加载方向与试验规范中的定义方向相同，得到的Q-S曲线不需经过处理，可直接使用。自平衡法加载完成后，得到的两条Q-S曲线要经过等效荷载转换法处理后，参照静荷载试验规范得出结论。加载位置：传统静荷载试验法的加载点通常设置在桩顶；自平衡法的加载点，通常设置在桩基内部，传力点-桩头的概念发生了变化，无法采用传统方式桩头加固方式，一般采用桩体强度局部加强、降低桩截面载荷集中程度、采用中低压荷载箱等方式来保证加载处局部桩体完整性。

4 总语

自平衡法测试方法作为一种新发展的技术，同传统静荷载试验相比，试验装置省时、省力、安全，且检测数据能够满足实际工程的需求，在桩基检测工程中的应用会有更广泛的前景和发展。

参考文献：

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