基桩自平衡法静载试验中桩身内力测试研究

李 彬，黎春燕

（1.昆明市建设工程质量检测中心，云南 昆明 650000；2.云南省公路科学技术研究院，云南 昆明 650000）

0 引言

城市高层建筑对基桩承载力的要求越来越高，为了提高检测结果的可靠性，在测试桩的承载力时，需要在桩身中安装应变传感器，进行桩身内力测试。而以往的桩身内力测试是针对传统静载试验，因此，对自平衡法静载试验的桩身内力测试研究就很有必要。本文以某工程基桩自平衡法静载试验项目为依托，对自平衡法静载试验中桩身内力测试进行研究。

1 工程概况

本工程拟建场地原为城中村，现经拆除，场地条件受限，不能采用传统静载试验。为了掌握桩的竖向抗压承载力和各土层的摩阻力情况，本次测试采用自平衡法静载试验，并进行桩身内力测试。

本工程采用泥浆护壁钻孔灌注桩，3 栋 2# 桩设计桩长 50.35 m，桩径 800 mm，桩身混凝土强度等级为 C 50，钢筋笼主筋为 12 根直径 16 mm；地质概况如表 1 所示，桩端持力层为 ⑥ 层黏土或 ⑥2层粉土。

表1 2#桩地质概况

2 现场测试

参考 JGJ 106－2014《建筑基桩检测技术规范》传统静载试验中转身内力测试方法，测试用应变传感器为振弦式钢筋应力计。根据 2# 桩地质概况（见表 1），将钢筋应力计埋设在不同性质土层的界面处，钢筋应力计两端的连接拉杆与钢筋笼主筋焊接，焊接时，要保证钢筋应力计与主筋的轴线一致［1］，焊接安装示意图如图 1 所示。荷载箱及钢筋应力计安装位置如表 2 所示，表中截面一～截面九处分别对称安装 2 个钢筋应力计。

图1 钢筋应力计焊接安装示意图

表2 钢筋应力计安装位置

荷载箱最大单向加载值为 6 500 kN，现场测试采用慢速维持荷载法，分九级进行加载，第一级加载量为总加载值的 20 %，即 1 300 kN；第二级至第九级加载量为总加载值得 10 %，即 650 kN。加载至 6 500 kN 时，已达到试验最大加载值，终止加载，此时桩土体系尚未破坏。

测试时，使用钢筋计读数仪测读钢筋应力计频率模数，分别测试初始读数和每级荷载施加后的读数。

3 测试数据分析及计算结果

3.1 桩身受力分析

传统静载试验在桩顶施加荷载，而自平衡法静载试验在桩身中向两端施加荷载，因加载方式不同，导致桩身受力情况发生变化，桩身轴力、桩侧摩阻力和桩端阻力随荷载的变化关系也会产生变化。

3.1.1 传统静载试验桩身受力

传统静载试验桩身内力测试是在竖向静载荷试验时，随着在桩顶施加荷载，测量桩身不同部位应力计的应变，从而计算桩身侧各土层抗压摩阻力和桩端支承力。荷载向下压力等于桩侧摩阻力加上桩端阻力之和，桩身受力情况如图 2 所示。桩身轴力随荷载增加而增大，在同级荷载作用下自上而下逐渐减小；桩侧摩阻力发挥随荷载增大而增大［2］，直至达到土层极限摩阻力；桩端阻力发挥随荷载增加而增大。

图2 传统静载试验桩身受力

3.1.2 自平衡法静载试验桩身受力

自平衡法静载试验由荷载箱在桩身中部施加荷载，桩身受力情况如图3所示。下段桩（荷载箱以下桩身）受荷载箱向下压力等于桩侧摩阻力加上桩端阻力之和，受力情况与传统静载试验相同，所以分析桩身轴力随荷载增加而增大，在同级荷载作用下自上而下逐渐减小；桩侧摩阻力发挥随荷载增大而增大，直至达到土层极限摩阻力；桩端阻力发挥随荷载增加而增大。

图3 自平衡法桩身受力

上段桩（荷载箱以上桩身）受荷载箱向上压力等于桩侧摩阻力加上桩身自重之和，桩侧摩阻力方向向下，与传统静载试验方向相反，故分析桩身轴力随荷载增加而增大，在同级荷载作用下自上而下逐渐增大；桩侧摩阻力发挥随荷载增大而增大，直至达到土层极限摩阻力。

综合上、下段桩受力分析结果，桩身轴力随荷载增加而增大，荷载箱位置处桩身轴力最大，向桩身两端逐渐减小；桩侧摩阻力发挥随荷载增大而增大，直至达到土层极限摩阻力；桩端阻力发挥随荷载增加而增大。

3.2 桩身轴力计算

本次测试使用 FYGJ17 型振弦式钢筋应力计，根据设备质量检验合格证上提供的轴力计算公式［见式（1）］和出厂参数K值、B值可计算出钢筋应力计轴力。由于测试时将钢筋应力计焊接在钢筋笼主筋上，则此轴力即为主筋轴力P钢。

式中：P钢为钢筋轴力，正值时钢筋受拉，负值时钢筋受压，单位 kN；F0为钢筋计读数仪初始读数，MPa；Fi为各级荷载下钢筋计读数仪读数，MPa；K、B为钢筋应力计出厂参数，每只钢筋应力计均有不同的K值、B值。

按式（2）可计算出钢筋在荷载作用下的应变量，同一截面两个测点取应变量平均值。由钢筋应力计截面处混凝土应变量与钢筋应变量相等，按式（3）可计算出钢筋应力计所在各截面桩身轴力。计算结果如表 3 所示，桩身轴力随荷载变化关系如图 4 所示。

式中：P截面为桩身截面轴力，kN；ε钢为钢筋应变量，无量纲；N为桩身钢筋主筋根数，无量纲；A混凝土、A钢分别为桩身混凝土、钢筋截面积，m2；E混凝土、E钢分别为桩身混凝土、钢筋弹性模量，MPa。

从表 3 中数据及图 4 可以看出，桩身轴力随荷载增加而增大，荷载箱位置处（截面四、截面五之间）桩身轴力最大，向桩身两端逐渐减小，测试结果与桩身受力分析结果相同。

图4 桩身轴力分布图

表3 2# 桩各级荷载下各截面桩身轴力值

3.3 桩侧摩阻力计算

根据牛顿第一定律，相邻截面间桩体合外力为零。上段桩桩身轴力测试结果显示在同级荷载作用自下而上逐渐减小，故桩侧摩阻力方向向下，与传统静载试验方向相反，与受力分析结果相同，计算时应考虑抗压桩侧摩阻力转换系数［3］。故两截面间桩体受力为：下截面轴力等于上截面轴力、截面间桩体自重和桩侧摩阻力之和，转化得出式（4）（5），相邻截面间轴力差为较大下截面轴力减去较小上截面轴力。由式（5）计算出各截面间桩体侧摩阻力。

式中：ΔP为相邻截面间的轴力差，kN；qs为桩侧摩阻力，kPa；W为相邻截面间的桩身自重，kN；s测为相邻截面间的桩侧面积，m2；γ为抗压桩摩阻力转换系数，宜根据实际情况通过相近条件的比对试验和地区经验确定，当无可靠比对试验资料和地区经验时，γ可取 0.8～1.0，长桩及黏性土取大值，短桩或砂土取小值，本文取值为 0.9。

下段桩桩身轴力测试结果显示在同级荷载作用自上而下逐渐减小，故桩侧摩阻力方向向上，与传统静载试验方向相同，这也与受力分析结果相同，桩身自重与施加荷载方向相同，桩侧摩阻力计算方法与传统静载试验相同。故两截面间桩体受力为：上截面轴力等于下截面轴力和桩侧摩阻力之和，转化得出式（6），相邻截面间轴力差为较大上截面轴力减去较小下截面轴力。由式（6）计算出各截面间桩体侧摩阻力，计算结果如表 4 所示。

表4 2# 桩各级荷载下桩侧摩阻力值

从表4中数据可以看出，桩侧摩阻力发挥随荷载增大而增大，测试结果与桩身受力分析结果相同。由于此次测试未加载至桩土体系破坏，取最大加载值 6 500 kN作用下桩侧摩阻力值作为各土层极限桩侧摩阻力。

3.4 桩端阻力计算

为准确测试出桩端阻力，现场测试时在截面八→桩底的桩侧土层中，增加截面九。根据截面八→截面九计算所得桩侧摩阻力，即为截面九→桩底桩侧土层的侧摩阻力。

根据牛顿第一定律，截面九→桩底部位桩体合外力为零。截面九轴力等于桩端阻力和桩侧摩阻力之和，转化得桩端阻力计算式（7），计算结果如表 5 所示，桩端阻力-加载力关系曲线图如图 5 所示。

表5 桩端阻力

图5 桩端阻力-加载力关系曲线图

式中，qp为桩端阻力，kPa；A0为桩端截面积，m2。

从表 5 中数据及图 5 可以看出，桩端阻力发挥随荷载增大而增大，测试结果与桩身受力分析结果相同。由于此次测试未加载至桩土体系破坏，取最大加载值6 500 kN 作用下桩端阻力值作为极限桩端阻力。

4 结语

1）桩身内力测试数据处理时应对桩身受力情况进行分析，自平衡法静载试验上段桩桩侧摩阻力方向向下，与传统静载试验方向相反，应考虑抗压桩侧摩阻力转换系数；下段桩受力与传统静载试验相同。

2）从测试数据分析结果得出，桩身轴力随荷载增加而增大，荷载箱位置处桩身轴力最大，向桩身两端逐渐减小；桩侧摩阻力和桩端阻力发挥随荷载增大而增大；测试数据分析结果与桩身受力分析结果相同。

3）本次测试未加载至桩土体系破坏，桩侧摩阻力、桩端阻力未充分发挥，取最大加载值作用下桩侧摩阻力值、桩端阻力值作为各土层极限桩侧摩阻力、极限桩端阻力，计算结果产生误差。Q