单桩竖向抗压静载试验方法分析及应用

詹俊宇

（东莞市建设工程检测中心）

1 静载试验的作用

1.1 为结构设计工作提供依据

工程项目建设前，根据现场实际条件选取具有代表性的区域，试打试验桩，并对其组织静载试验，从而确定施工质量达到最佳状态时的设计参数，作为基础设计施工的参照基准。必要时，可以安装传感器，将其埋设至桩身处，以便根据需求完成对桩身应力、位移等关键参数的测定工作，进而对试验结果做出更为科学的判断，为后续设计工作提供依据。

1.2 为竣工验收提供依据

静载试验的结果能够作为验收环节的关键依据。在实际试验中，可以根据设计要求确定最大加载量，据此组织加载作业，待实际值达到预定最大试验荷载后，结束试验。考虑到试验数据的可靠性要求，应当精准控制最大加载量，即该值一般常取单桩竖向承载力特征值的2.0 倍，在此条件下试验。

1.3 为桩基质量检测提供保障

在工程项目中，诸如声波透射法、低应变法等均为桩基质量检测首批检测方法，可用于判断桩身完整性。若出现异常曲线，可进一步组织静载试验进行验证，以便对实际情况做出准确判定，可判断基桩承载力的真实大小。

2 单桩竖向抗压静载试验内容

2.1 反力装置搭设

以现场作业条件为立足点，选择具有可行性的加载反力装置，需着重考虑装置可提供的最大反力，要求该值至少达到最大试验荷载的1.2 倍，同时在整个加载过程中，反力装置均可维持稳定状态（不发生变形）。换言之，装置应有足够的安全储备。为满足装置的稳定性要求，需要从强度和变形两个角度切入，针对装置各构件加以验算。

2.2 荷载计量

静载试验的千斤顶与油泵相连，试验过程中启用千斤顶，根据要求逐级加载。现阶段，一系列自动化静载试验设备相继面市，其普遍适配的是电子传感器，由该装置完成油压压强的测量工作。根据测定的压强和压力，经转换后得到千斤顶的压力值，整个加载过程的自动化水平较高，数据的精确性得到保证，可有效减轻人工工作强度，同时也可以减小人为因素对测试数据准确性的不良影响。

2.3 加载方式

静载试验期间应以合理的方式有效控制桩基绝对沉降。在静载试验中，应用较为广泛的当属慢速维持荷载法，但在部分工程中采用到快速维持荷载法。根据相关规定可知，若采用的是慢速维持荷载法，则应当保证桩顶沉降⊿S≤0.1mm/h；若采用的是快速维持荷载法，则应当优先选用等时距加载的方式，每完成一级加载作业后，持荷1h，若无误则进入下一级加载环节，按此顺序有序推进加载进程。卸载环节，慢速维持荷载法、快速维持荷载法的每级荷载维持时间分别为1h、15min。对比发现，相比于慢速维持荷载法而言，快速法具有更为突出的应用优势，一方面可缩短试验周期，为后续工作的开展提供更充足的时间；另一方面可以减小昼夜温差等外部因素的影响，使沉降观测结果具有更高的准确性。

2.4 沉降观测

基准梁和基准桩是沉降观测中的关键装置，但也是工作中易忽视的部位。若未打设基准桩、将基准桩设置在沙袋上、基准桩打设深度或长度等基础指标不合理、基准桩的刚度偏低或是其它原因，均容易出现较明显的变形现象；而在防护措施不当时，也容易导致基准梁出现质量问题。在实际工作中，需要以合理的方式设置基准梁，将其一端固定在基准桩上，将另一端简支于基准桩上，此时可以有效提高基准梁对温度变化的抵御水平，以免出现挠曲变形现象。静载试验期间，试桩、锚桩及压重平台支墩均会在不同程度上对基准桩带来影响，具体又与两者间的距离、荷载关系、现场地质条件有关，此类因素的差异化将导致影响程度的差异化。

3 试验数据整理与分析

静载荷试验后，生成典型P-S 曲线，即陡降型和缓变型。各自所传达的信息不尽相同，具体如图1 所示。在陡降型曲线中，着重考虑的是单桩竖向抗压承载力出现明显下降处，取该部分对应的荷载值；而对于缓变型曲线，则着重考虑沉降量情况，据此确定，较为合适的是S=40mm 的荷载值。桩体尺寸也是重点考虑内容，若其长度达到40m 以上，则需密切关注桩身弹性压缩量；若桩径≥800mm，较为合适的是取S=0.05D 时的荷载值。视实际情况灵活确定极限承载力的具体值，但需要同时满足两项基本要求，一是尽可能地发掘桩的极限承载力（在许可的前提下增加），二是留有足够的安全储备。

图1 两种典型的P-S 曲线

4 静载试验的影响因素

4.1 试验刚度所带来的影响

经静载试验后可确定沉降量，但该指标的指导意义不足，仅指桩身或桩身的某点沉降值，而无法作为桩端沉降的反映依据。针对此局限性，需对沉降值加以修正，具体又需根据桩体的类型作相应的分析。例如，对于摩擦桩，桩身轴力按三角形分布计算，此时假定桩端无轴力（为零）；对于端承桩，则按矩形分布计算，此时假定桩端存在轴力且与桩顶轴力保持一致。

4.2 反力装置所带来的影响

在堆载反力装置的应用过程中，压重平台的支墩所产生的重力作用会改变地基土的状态，如图2 所示，并且此现象在大吨位的桩基静载试验中体现得尤为明显。在上部荷载的作用下，将明显加大地基的附加应力，导致桩基负摩擦力和附加摩擦力均偏大，最终取得的试验结果缺乏准确性。为解决此问题，可适当扩大承压区的面积。

图2 堆载布置示意图

⑴加载全流程中，因负载而产生的负摩擦力具有持续减小直至消除的变化特点，尽管加载初期其对沉降的影响较为显著，但桩的极限承载力可以维持相对稳定的状态（仅存在微弱的影响）。

⑵附加应力将形成侧壁摩阻力，其在初期会对桩体带来影响，但在荷载量逐步增加之下，该影响程度逐步减小。

5 静载试验的常见问题

5.1 桩结构受损

主要考虑如下两种情况：

⑴桩帽压坏：在桩顶质量缺陷（平整性不足、缺乏足够的强度）、桩帽与桩身连接部位缺乏稳定性时，加载易产生不良影响，例如桩帽受损。

⑵桩身倾斜、破坏：桩身强度不足、预制桩接头未得到有效的处理时，在静载试验期间均容易出现桩身倾斜、折断等异常状况，而此时地基土的承载力优势并未得到有效的发挥，导致静载试验结果缺乏指导意义，即难以呈现桩土体系的实际情况。

5.2 加载系统故障

⑴千斤顶量程不足：千斤顶是静载试验中的关键装置，在使用前未将量程回零，此条件下千斤顶在尚未达到最大试验荷载时便已经处于完全顶出的状态，难以有效参与到下一级荷载的加载作业中。因此，在试验前需对千斤顶做详细的检查，确保量程回零。

⑵装置提供的反力荷载不足：堆载量较小或较大时，堆载中心有偏位的情况，随之显现出偏心问题，此情况下试验被迫中止。因此，在大吨位试桩作业前，需从实际情况出发，编制具有可行性的方案，作为后续工作的参考依据。

⑶主梁、次梁变形过大：在尚未完成试验时，因刚梁强度不足而出现较为明显的挠曲变形现象，若未随即暂停试验，则易诱发安全事故；并且，刚梁存在挠曲变形时，将随之影响千斤顶的正常使用，例如其量程不足，此时也将中断试验。因此，需要切实提高刚梁的力学性能。

5.3 测量系统故障

⑴基准桩、基准梁移动：精确设置固定基准梁的桩，较为合适的是将其布设在被测试桩的影响范围外，且还需考虑到温度等因素所带来的影响。

⑵系统失灵：试验前对测试系统做详细的检查与调试，对传感器采取防水以及其它防护措施，确保传感器可稳定运行。

6 工程实例

受东莞中集创新产业园发展有限公司的委托，东莞市建设工程检测中心于2018 年2 月9 日至4 月1 日，对中集智谷八期49 号地下室(37-48 号办公楼)工程的基柱进行了单桩竖向抗压静载试验，目的是检测桩的竖向承载力是否满足设计要求。根据国家、省的有关规定，经委托单位与有关单位研究协商，确定本次检测19 根+2 根(扩大检测)工程桩。

6.1 检测仪器设备、方法和标准

6.1.1 试验装置

本次试验采用压重平台反力装置(详见图3)。压重平台反力装置作为荷载反力，将大于最大试验荷載的荷重在试验开始前一次性加上平台，试验检测过程由全自动静载测试仪控制，油压千斤顶分级加卸载。

图3 试验装置示意图

6.1.2 试验方法

⑴最大试验荷载：4600k；

⑵试验加载：采用快速维持荷载法，每级加载为要求最大试验荷载的1/10，第一级可按2 倍分级荷载加载，在每一级荷载作用下，当桩顶沉降速率达到相对收敛标准时，再施加下一级荷载；

⑶相对收敛标准：加载时每级荷载维持时间不小于一小时，最后15min 时间间隔的桩顶沉降增量小于相邻15min 时间间隔的桩顶沉降增量；

⑷试验卸载：卸载分级进行，逐级等量卸载，每级卸载量取分级荷载的2 倍。

6.1.3 沉降观测

在桩顶两边装设2 个位移传感器，按规定时间测定沉降量。加载时，每级荷载施加后按第5、15、30min 测读桩顶沉降量，以后每隔15min 测读一次；卸载时，每级荷载维持15min，按第5、15min 测读桩顶沉降量；卸载至零后，测读桩顶残余沉降量，维持时间为2h，测读时间为第5、15、30min，以后每隔30min 测读一次。

6.1.4 检测标准按广东省标准《建筑地基基础检测规范》（DBJ15-60-2008)中有关规定进行

6.2 检测结果

检测结果汇总表见表1。检测结论：

表1 试验结果汇总

⑴1811#工程桩(37 号办公楼)试验加载到4600kN时，总沉降量为10.60m，沉降量较小，且Q-S 曲线平缓，无明显陡降段，s-1gt 曲线呈平缓规则排列。综合分析，该桩极限承载力为Qu≥4600kN。

⑵1793#工程桩(37 号办公楼)试验加载到4600kN时，总沉降量为30.97m，沉降量较大，但Q-s 曲线平缓，无明显陡降段，s-1gt 曲线呈平缓规则排列。综合分析，该桩极限承载力为Qu≥4600kN。

⑶1759#工程桩(37 号办公楼试验加载到4600kN时，总沉降量为10.72m，沉降量较小，且Q-s 曲线平缓，无明显陡降段，s-1gt 曲线呈平缓规则排列。综合分析，该桩极限承载力为Qu≥4600kN。

⑷1460#工程桩(38 号办公楼）试验加载到4600kN时，总沉降量为8.49m，沉降量小，且Q-s 曲线平缓，无明显陡降段，s-1gt 曲线呈平缓规则排列。综合分析，该桩极限承载力为Qu≥4600kN。

⑸1391#工程桩(38 号办公楼)试验加载到4600kN时，总沉降量为13.67m，沉降量较小，且Q-S 曲线平缓，无明显陡降段，s-1gt 曲线呈平缓规则排列。综合分析，该桩极限承载力为Qu≥4600kN。

7 结语

单桩抗压静载试验是桩基施工质量管控的最后一道防火墙，能够给地上结构的顺利施工提供保障。由于静载试验的受扰因素较多，在多项因素的干扰下，易导致结果缺乏准确性，甚至难以继续开展试验工作。因此，工作人员需立足实际情况，综合考虑桩型、施工条件、技术可行性等因素，形成合理的规划，有序组织试验，确保所得的试验结果具有指导意义。