灌注桩承载力自平衡法应用及试验特性研究

毛宗原，毛 刚，张 强

（中国建筑技术集团公司，北京 100013）

目前，对工程桩桩基检测的方法主要有堆载法、锚桩法和自平衡法等。与其他两种传统的方法相比，自平衡法作为一种较新的检测方法，以装置简单、占地面积小、无需反力架或堆载等特点，在大直径、大吨位的灌注桩极限承载力测试中得到广泛的应用。

自平衡法是接近于竖向抗压桩实际工作条件的试验方法，其主要的加载装置是一种特制的荷载箱，它与钢筋笼连接后安装在桩身的指定位置，并将高压油管和位移棒一起引到地面。荷载箱将完整桩分为两部分，位于荷载箱上部的为上部桩，位于荷载箱下部的为下部桩，荷载箱所处位置即为平衡点。试验时，通过地面的高压油泵向荷载箱充油加载，荷载箱将力传递到桩身，箱顶与箱底被推开，产生向上和向下的推力，从而调动桩周土的侧阻力与桩端土的端阻力，直至破坏[1-2]。其加载通过上部桩侧极限摩阻力和自重与下部桩侧极限摩阻力及桩端相平衡来维持。

自平衡法与传统方法相比并非直接测得基桩的极限承载力。上、下两部桩的工作机理与受力特性不同。下部桩受力为极限正摩阻力，而上部桩为极限负摩阻力，其值由上部桩的极限承载力减去上部桩桩身自重得到。将桩侧极限负摩阻力除以桩侧阻力折减系数γ得出上部桩的极限正摩阻力。上部桩的极限正摩阻力与下部桩的极限正摩阻力相加，得到桩竖向极限承载力。因此，影响自平衡法检测结果准确性的因素之一即为桩侧摩阻力折减系数γ的取值。国内学者对此展开了深入探讨。江苏省电力设计院[3]对南通地区的粉质黏土和粉土中灌注桩进行了抗拔试验得出，负摩阻力与正摩阻力的比值随着桩入土深度的增加而增大，通常小于1.0，直径为600mm的钻孔桩，L为9m和12m时，γ分别为0.78和0.98。龚维明[1-2]通过试验得出黏土、粉土的侧摩阻力折减系数为0.8，砂土为0.7。陈小强[4]利用模型试验得出，成层土中抗拔桩和抗压桩的侧摩阻力折减系数为0.62。张晓炜[5]通过锚桩法和自平衡法的对比试验，得出在中密卵石层中自平衡法侧摩阻力折减系数为0.84。以上研究结果表明，不同条件下桩侧摩阻力折减系数存在较大差别。

文章依托工程实例，对北京市海淀区某房建项目的6根试桩进行自平衡法的试验检测，得出其极限承载力的特性，获取了相关的工程数据，为类似工程提供参考。

1 工程概况

1.1 项目概况

北京市海淀区某项目位于北京地铁慈寿寺站地面，工程包括11#楼～16#楼6栋楼房和中央下沉广场，其中13#楼拟采用钻孔灌注桩桩基础，部分采用全回转工艺。

1.2 工程水文地质条件

在建场地范围内，土层自上而下的性质依次为如下4种。

（1）杂填土。褐黄色，松密～稍密，由砖渣、灰渣、植物根组成，层底标高48.00～52.46m。

（2）粉质黏土。褐黄色，可塑，高～中高压缩性，主要由云母、氧化铁组成。其下存在少许中粗砂、粉细砂。层底标高43.03～47.63m。

（3）卵石。杂色，密实，一般粒径为20～60mm，最大粒径160mm，主要成分为石英砂岩、辉绿岩、安山岩、硅质白云岩，中粗砂填充，层底标高34.61～39.97m。

（4）粉质黏土、砂质粉土。褐黄色、密实，层底标高32.35～37.47m。

依据勘察资料，该场地内主要存在2种地下水，为上层滞水和潜水。上层滞水稳定水位埋深为7.94m，主要赋存于黏质粉土、砂质粉土层，其主要受季节性降水的影响。潜水稳定埋深25.19～26.26m，主要赋存于卵石层和黏质粉土层、砂质粉土层。

1.3 自平衡试桩参数

根据国家的标准规范，对该项目中的6根灌注桩采用自平衡法进行静载荷试验，桩径1.2m，其中S1～S3试桩桩长33m，采用全回转工艺；S4～S6试桩桩长46m，采用旋挖工艺。

2 试验过程及结果分析

2.1 试验过程

试验按《建筑基桩检测技术规范》（JGJ 106—2003）、《建筑桩基技术规范》（JGJ 94—2008）进行，采用囊式荷载箱慢速维荷法逐级加载。试验时，每级荷载达到相对稳定后加下一级荷载，直至试桩破坏或达到试验要求，然后分级卸载至0。通过高压油泵施加荷载，设计加载第一级荷载为3400kN，随后每级加载量取1700kN，S1～S3加载至17000kN时终止加载，S4～S5加载至18700kN时终止加载，S6加载至17000kN时终止加载。

2.2 试验数据分析

采用自平衡法对场地内的6根试桩进行静载荷试验，通过数据采集系统得到每根试桩逐级加载下，荷载箱上、下部的位移变化情况，并制成Q-S曲线，如图1～图6所示。

S1、S2、S3三根试桩的有效桩长均为33m，设计荷载箱埋置于距桩底7m处，处于桩身偏下处。由图1可看出S1试桩Q-S曲线随着荷载的增加，位移变化较平缓，在加载初期，荷载箱上、下部位移很小，逐级加载后开始平稳增加；终止加载时，下部位移突增，桩体出现塑性变形。其上、下部最大位移分别为6.67mm和24.68mm。由图2和图3可看出S2、S3试桩的Q-S曲线变化规律与S1基本相同，终止加载时，其上、下部的最大位移值分别为7.48mm、35.74mm和6.83mm、36.61mm。

图2 S2桩Q-S曲线

图3 S3桩Q-S曲线

图4 S4桩Q-S曲线

图5 S5桩Q-S曲线

图6 S6桩Q-S曲线

S4、S5、S6试桩的有效桩长均为33m，设计荷载箱埋置于距桩底7.9m处，处于桩身偏下处。其Q-S曲线变化规律基本相同，终止加载时，荷载箱上部最大位移分别为6.21mm、7.55mm、8.12mm，下部最大位移分别为38.95mm、37.65mm、29.62mm。

通过试验发现，6根试桩的荷载-位移变化曲线均为陡变型曲线，承载力取发生突变的前一级荷载。加载初期，桩的变形很小，说明桩承载力依靠侧摩阻力来承担。

依据《桩承载力自平衡测试技术规程》（DB32T 291—1999），单桩竖向抗压极限承载力可按下式计算得到：

式中：Qu上为荷载箱上段桩的实测极限承载力，kN；Qu下为荷载箱下段桩的实测极限承载力，kN；W为荷载箱上段桩自重，kN；γ为荷载箱上段桩阻力修正系数，黏土、粉土取0.8，砂土取0.7。

通过计算可知，采用自平衡法对6根试桩做静载试验，通过计算得到每根桩的极限承载力值。其中S1、S2、S3单桩竖向抗压极限承载力值均为31480kN，S4、S5单桩竖向抗压极限承载力值均为34690kN，S6单桩竖向抗压极限承载力值为31100kN。

3 结论

（1）通过自平衡法桩基试验在灌注桩中的测试，得到6根试桩竖向抗压极限承载力均满足设计要求，证明了自平衡法的可靠性，且装置简单、不受场地限制，可在类似工程中推广应用。

（2）在测试中，试桩的Q-S曲线上、下部位移变化有所不同，上部曲线变化平缓，没有出现突变，而下部曲线出现突变，发生塑性变形，这说明测试中上、下部桩不能同时达到极限承载力。

（3）自平衡法是通过转换极限侧摩阻力得到极限承载力，不同土质转换系数不同。目前，转换系数只是通过工程实践经验获得，缺乏理论计算，有待进一步探索。