自平衡法静载试验在旋挖桩检测中的应用

申进，黄岽岽

（1重庆市涪陵区教育基建后勤中心，重庆 408000；2重庆建筑工程职业学院，重庆 400020）

0 引言

自平衡法静载试验是一种新型的极限承载力检测方法，该方法利用基桩的侧阻力和端阻力可作为一对平衡力的原理，在大吨位桩承载力检测时不受承载力和现场条件的制约，并能够得到多方面的基本数据，使得该试验的应用范围得到拓展,且降低了成本,提高了安全性。

目前国内外学者对基桩的自平衡法静载试验及应用进行了大量的研究，张自安等[1]对硃山湖北路西延伸段桥梁水下大桩径桩基工程进行自平衡静载试验，研究成果为今后在水上试桩、坡地试桩、基坑底试桩、狭窄场地试桩积累了经验。韩庆祝等[2]探讨了自平衡试验检测法的试验原理和方法。徐国翔等[3]认为在一定的条件下，自平衡试桩法在工程桩基的静载检测方面有其优越性，可检测桩底注浆前后的承载力，为设计提供依据。王树兵等[4]对自平衡法抗压试验与静载法试验数据进行对比分析得出了该工程的自平衡法转换系数K值。分析结果表明，两种试验方法均取得了较好的效果，试验数据为设计提供了重要资料，自平衡法也体现出一定的优越性。魏亮等[5]介绍自平衡静载试验和自平衡深层平板载荷试验的原理和方法。结合工程实例，对应用自平衡法试验检测大直径大吨位桩基承载力进行分析与探讨。刘斌等[6]对桥梁工程中桩基静载试验自平衡检测法展开了分析与探讨。张舒畅等[7]研究了孔灌注桩的承载特性，认为南岸试桩桩侧摩阻力地勘报告值与实测值基本一致，南岸锚定区试桩桩侧摩阻力地勘报告值与实测值存在一定差异。鲍育明等[8]介绍了一种新的静力试桩法——自平衡法，提出了用荷载相等的原则，将该法测试结果转化为常规静载试验结果的处理方法，该处理方法使桩极限承载力的确定更加容易，而且得到的桩极限承载力数值偏于安全，使自平衡法更具有实用性。徐勇[9]采用自平衡试桩技术对大直径、大吨位、超长灌注试桩进行了系统而深入的研究。赵芳琴[10]采用自平衡法静载试验对佛山市和北公路主干线平胜大桥北引桥工程的某单桩进行试验，检测了试验桩基的承载力。黄质宏等[11]介绍了基桩承载力自平衡测试法在基桩（自平衡法）静载试验中的应用，并对测试数据进行整理和分析。应用结果表明，该法在基桩静载试验中是一种有效、方便的测试方法，可在类似工程中推广使用。马远刚[12]建立了自平衡测试和群桩基础计算模型。

本文详细阐述了自平衡法的测试机理、试桩施工要求及试验程序，对重庆某中学学生生活用房工程的E/2轴、B/3轴、C/3轴试验桩进行单轴竖向静载荷试验，以确定基桩的承载力特征值是否满足设计要求。

1 工程概况

该工程房屋建筑面积3004m2，结构层数为六层，结构形式为框架结构。基础采用旋挖桩，试验桩桩身混凝土设计强度等级为C25，施工方提高至C30。场地地质构造位于羊角背斜东翼，西北侧三公里处为接龙场断层，岩层呈单斜状产出，其产状112°∠12°。根据场地周边出露基岩进行调查和钻探揭露表明，岩体中见两组裂隙：第Ⅰ组裂隙：34°∠68°，裂面较平直，延伸长度4.0～8.0m，间距1.5～3.0m，闭合～微张，无充填，结合程度一般，未充水，属硬性结构面；第Ⅱ组裂隙：86°∠65°，裂面较平直，延伸长度3.0～5.0m，间距1.0～2.5m，闭合，未见充填，结合程度一般，未充水，属硬性结构面。

经工程钻探和收集资料，场地岩土层自上而下的工程地质特征分布为：1）素填土：呈灰黑色、灰褐色，由粉质粘土、页岩碎块石、煤渣及少量建筑垃圾组成硬质物粒径8～170mm，含量占10%～25%，稍湿，结构松散～稍密，松散层为上部1.0～3.0m，为新近回填，下部呈稍密状，回填时间超过10年，为机械抛填形成。2）块石土：灰色，主要由灰岩块石、碎石及少量砂岩碎石、岩石碎屑、粘性土组成，块石多为棱形状，块径一般0.50～1.20m，最大者达5.0m以上，含量占总质量的35%～55%，稍湿，均匀性差，呈中密～密实状，该层分布于整个场地，该层揭露厚度约52.60m，土体整体稳定。3）页岩：黑色，由粘土矿物组成，泥质结构，页理状构造。本次钻探未揭露该层，而勘察最近点（LYZK1）为拟建学生宿舍南侧公路位置，揭露该层。该工程桩基采用摩擦端承桩，基础持力层为中密～密实块石土层，桩的极限侧阻力标准值取150kPa，桩的极限端阻力标准值取4000kPa。

2 基桩自平衡法静载试验测试原理及设备

2.1 自平衡法静载试验测试原理

自平衡法静载试验是将一种特别设计的加载设备——荷载箱，与钢筋笼连接。将荷载箱的高压油管和位移棒同时引到地面，荷载内设置一个或多个千斤顶并联而成，为使荷载箱两端的桩身受力均匀，便于和钢筋笼焊接，在千斤顶上、下分别用适当厚度的钢板连接。高压油泵向液压千斤顶充油进行加载。位移丝（棒）测量在荷载箱加载力下桩体的位移，测量荷载箱上、下部各自的承载能力，从而确定单桩竖向抗压（拔）极限承载力。基桩自平衡测试法见图1。

图1 基桩自平衡测试法示意图

2.2 测试设备

基桩试验的测试设备：数据采集仪、荷载箱、位移传感器、高压油泵、油压传感器等。

2.2.1 加载设备

a）每根试桩采用一个圆形荷载箱，其加载值的率定曲线由计量部门标定。荷载箱原则上是尽量埋入桩的侧阻力和端阻力平衡点位置，确保荷载箱上、下段桩承载力尽量同步发挥。试验桩参数见表1，荷载箱安装图片见图2。

表1 试验桩参数一览表

图2 加载用荷载箱及数据采集系统

b）高压油泵：最大加压值为60MPa，加压精度为0.1MPa，油压传感器精度为1kN，其压力表及油压传感器由计量部门标定。

c）电脑及数据采集仪，采集系统如图2所示。

2.2.2 位移量测装置

a）基准钢梁采用脚手架管搭建，跨度为8m，安置在试桩的影响范围之外，用于固定磁性表座。

b）量程50mm位移传感器，单桩4只，采用磁性表座将其固定在基准梁上，2个位移传感器用于测量桩身向下位移，2个位移传感器用于测量桩身向上位移。

2.3 加卸载步骤

1）加、卸载分级，最大加载量：最大加载量=单桩承载力特征值；加载分级：分级荷载为最大加载量的1/10，第一级按2倍分级荷载加载；卸载分级：每级卸载量取加载时分级荷载的2倍。

2）观测程序

a） 每 级 荷 载 加 载 完 成 后 按 恒 定 5min、15min、30min、45min、60min时间间隔进行读数，然后施加下一级荷载。

b）基桩沉降稳定标准：桩顶沉降量每小时不超过0.1mm，并连续出现两次（分级荷载加载完成后30min开始，按1.5h连续三次每次30min的沉降测量值计算）。

c）桩顶沉降速率达到稳定时，施加下一级荷载。

d）加载终止：出现下列情况之一，可终止施加荷载。

达到极限荷载：某级载荷作用下，基桩的位移量为前一级荷载下位移量的5倍；基桩的位移量为前一级荷载下位移量的2倍，且24h未达到稳定；累计上拨量超过100mm。

e） 荷载卸压时，每级恒定1h，按15min、30min、60min时间点进行测量桩顶沉降量后，进行下一级荷载卸载。卸载至0后，测量桩顶残余沉降量，恒定3h，测量时间为15min、30min，以后每隔30min测读一次。

图3为静载试验现场。

图3 静载试验现场照片

3 数据分析

通过对重庆某中学学生生活用房 （一期）工程E/2轴、B/3轴、C/3轴桩的现场静载试验检测，对所有检测数据进行分析，绘制竖向荷载-沉降（Q-s）曲线，如图4所示。

由图4可知，随着荷载的施加，各试桩的向下位移向正方向逐渐增大，各试桩的向下位移向负方向逐渐增大，但向下位移增大的斜率较大。当荷载施加至2400kN时，B/3轴桩的向下位移为4.4mm，累计变形为18.31mm。向上位移为-0.4mm，累计变形为-1.52mm。C/3轴桩的向下位移为5.36mm，累计变形为36.35mm。向上位移为-0.25mm，累计变形为-1.33mm。当荷载施加至2700kN时，E/2轴桩的向下位移为4.68mm，累计变形为28.64mm。向上位移为-0.31mm，累计变形为-1.83mm。当荷载卸载至零时，E/2轴桩的向下位移为-3.64mm，累计变形为21.46mm。向上位移为0.47mm，累计变形为-0.88 mm；B/3轴桩的向下位移为-2.15mm，累计变形为13.53mm。向上位移为0.46mm，累计变形为-0.65mm。C/3轴桩的向下位移为-4.61mm，累计变形为27.16mm。向上位移为0.42mm，累计变形为-0.53mm。

图4 静载荷载试验Q-s曲线

依据《建筑地基基础设计规范》（DBJ 50-047-2006），其单桩竖向极限承载力标准值计算如式（1）：

式中，Qu上为上段承载力，Qu下为下段承载力；W为载荷箱体上部基桩自重力；r为系数，岩石r取1.0，粘土、粉土r取0.8，砂土r取0.7。

依据《建筑地基基础设计规范》，上、下段的极限承载力按以下方法确定：

（1）对于陡变型Q-s曲线，按该曲线发生明显陡变的起始点确定极限值；

（2）对于缓变型Q-s曲线，按该曲线的位移值确定极限值，极限侧阻力取对应于向上位移S上=40～60mm对应的荷载；极限端阻力取对应于向下位移S下=40～60mm对应的荷载，或大直径桩的S下=0.03～0.06D（D为桩端直径，大直径取低值，小直径取高值）对应的荷载。

（3）若按上述两种方法判定基桩的承载力未达到极限承载力时，则该值应取最大值。

依据规范对E/2轴、B/3轴、C/3轴试验桩的Q-s曲线分析可知，该3根试验桩在规定的荷载施加完毕，然后全部卸除后的残余变形均满足规范要求。

根据Q-s曲线结果，3根试桩的相似位移均未达到40mm，因此根据现场的实测数据，由桩的静载试验曲线可见E/2轴在最大加载量2700kN，B/3轴、C/3轴试验桩在最大加载量2400kN时，桩端阻力和桩侧阻力均未出现破坏。由此可判断E/2轴试验桩的单桩竖向极限承载力值为2700kN×2=5400kN，B/3轴、C/3轴试验桩的单桩竖向极限承载力值为2400kN×2=4800kN。根据《建筑地基基础设计规范》规定取单桩极限承载力试验值的一半作为承载力特征值，即E/2轴试验桩单桩竖向承载力特征值为2700kN，B/3轴、C/3轴试验桩单桩竖向承载力特征值为2400kN。

4 结论

本文详细阐述了自平衡法的测试机理、试桩施工要求及试验程序，并对重庆某中学学生生活用房工程的E/2轴、B/3轴、C/3轴试验桩进行了单桩竖向静载荷检测，得到了Q-s曲线分布，通过分析表明E/2轴桩单桩竖向极限承载力标准值为5400kN，单桩竖向承载力特征值为2700kN；B/3轴、C/3轴桩单桩竖向极限承载力标准值为4800kN，单桩竖向承载力特征值为2400kN。三根试验桩均未破坏，承载力特征值均满足设计要求。