基桩大吨位静载试验加载时压重反力平台产生的地基变形试验研究

崔 伟

（1.安徽省建筑科学研究设计院，安徽 合肥 230031；2.绿色建筑与装配式建造安徽省重点实验室，安徽 合肥 230031）

1 概述

随着我国经济的快速发展，对城市建设愈发重视，桩基础作为一种可以有效减少建筑物沉降和提高地基基础承载力的基础形式，其应用也越来越多。准确的预估单桩竖向抗压承载力一直是桩基础设计中的重点问题，目前确定单桩极限承载力的方法主要有静载试验方法、经验公式计算方法和动力测试方法等。而基桩静载试验法作为一种原位试验方法，一直被公认为是最直接可靠的方法。影响基桩静载荷试验数据的因素主要有初始预压加载值、加卸载速度、加卸载的分级以及加卸载过程中压重反力平台产生的地基变形等因素。

基桩静载荷试验时，量测基桩桩顶沉降量的常规方法：在试验桩的桩顶以下200mm的位置对称设置2个或4个百分表，百分表的位移量测端支承在试验桩上，另一端则固定于基准梁，基准梁支承于基准桩之上[1，2]。根据文献[3～5]，在基桩竖向抗压静载试验开始之前，如图1所示，所有堆重荷载一次性堆载于压重平台之上，此时堆载支墩墩基承受全部堆载平台的荷载，支墩对其周边地基土产生了最大的沉降值；随着静载荷试验不断分级加载，试验桩桩顶承受千斤顶加载值的不断增大，随着越来越多荷载分配与桩顶之上，支墩所受荷载随之不断减小。在这个分级加载过程中，随着试验桩受荷的增大，支墩受荷的减小，试验桩对其周边地基土产生的位移场影响范围和大小不断增大，反之支墩对3倍墩宽深度和宽度范围内的地基土内产生的位移场影响范围和大小应不断恢复，可见基准桩产生的竖向变形为这两个位移场在某点处的具体叠加。而基准梁支承于基准桩之上，基准桩的竖向位移同步传递到基准梁上，产生固定于基准梁上的百分表观测的竖向位移发生变化，造成同等荷载下，测得的桩顶沉降值偏大，从而可能影响基桩极限荷载的正确取值，并且对于基桩沉降控制要求较高的工程项目，容易引起较大误差。

图1 静载荷试验压重平台反力装置示意图

基桩大吨位静载试验时，经常受设备尺寸和能力的制约，同时想保持较小的支墩接地压力，试桩中心、基准桩和压重平台支墩边三者之间的距离往往很难满足规范中不小于4D的要求，加长基准桩又会受到刚度、运输和气候环境的影响，因此对加载中压重平台引起的地表位移进行分析和研究，确定静载试验加载过程中压重平台引起的试验误差大小以及影响范围，进而可对桩顶沉降值进行修正以得到更为准确的桩顶沉降值，十分具有工程实用价值。

2 现场试验

2.1 工程概况

工程地质条件概况为：①-1层为杂填土，褐色为主，以黏性土为主，局部夹少量淤泥质土,具有高压缩性和湿陷性,层厚1.50～4.80m。①-2层：淤泥质杂填土，褐灰、褐灰色，具有高压缩性和湿陷性，层厚4.00～4.30m；②层：黏土，褐黄、棕黄色，硬塑，层底标高6.18～13.68m。③层：黄褐、褐黄色，饱和，粉砂呈稍密～中密状态，层厚14.90～21.80m。④层:全风化泥质砂岩：棕黄、灰黄、灰白、棕红色，风化成砂土状，泥质胶结层厚8.10～10.70m。⑤层:强风化泥质砂岩：棕红色，碎块状为主，泥质胶结，层厚1.70～4.20m。⑥层:中风化泥质砂岩,棕红色，短柱状-长柱状，泥质胶结，胶结程度较好,岩石坚硬程度为极软岩，岩体完整程度为较破碎,揭露最大层厚5.30m。工程基础采用钻孔灌注桩，试验桩桩径 D为1100 mm，桩长40.0 m，承载力特征值为6000 kN。

2.2 试验方法

本次基桩静载试验的反力平台采用压重平台装置，按照慢速维持荷载法加载，预估单桩竖向抗压极限荷载值为12000 kN，加载分级值为单桩竖向抗压极限荷载值的1/10，第一级荷载按2倍荷载分级加载。压重平台支墩边距离基准桩和试桩中心的距离满足规范[2]要求，试验采用液压千斤顶分级自动加载。

为确定加载过程中压重反力平台对桩顶沉降测量值的影响，试验分别采用精密水准仪[7]和百分表基准梁两套相互独立的位移量测系统来量测桩顶位移量。百分表基准梁量测系统作为规范要求的基桩静载试验方法测量桩顶沉降，精密水准仪量测系统则用来量测支墩周边地基竖向变形量和桩顶沉降值。将沉降观测钉从侧面植入桩顶以下20cm的位置，作为精密水准仪量测系统的前视尺。在压重平台30D（其中D为试桩直径）处设置后视尺，以减少地基变形对量测结果的影响，精密水准仪也架设在压重反力平台对地基变形的影响范围之外。然后在压重反力平台的支墩中轴线上，且距试桩距离为1D、2D、4 D、6D、8D和10D处设置6个位移观测点，观测点埋置深度与百分表基准桩深度相同，其中4 D位置处也为基准桩埋设位置，各竖向位移观测点的平面位置如图2所示。

图2 位移观测点平面布置示意图

静载试验压重平台尺寸为12 m×10m，单侧压重反力平台支墩基底尺寸为3m×12 m，压重平台总重量14400 kN，支墩基底初始压力200kPa。

3 试验结果与分析

①本次试验采用两套位移量测系统得出的试验桩桩顶荷载Q—桩顶沉降s关系曲线如图3所示。

图3 桩顶荷载Q—沉降s曲线

本次试验可认为精密水准仪量测系统基本不受压重平台的影响，量测结果较为准确，由图3可知，当加载至最大荷载级别时，百分表基准桩量测的桩顶沉降值比精密水准仪量测的桩顶沉降大5.33 mm，以精密水准仪测量的桩顶沉降为准确值，误差占桩顶总沉降值的42.7%，误差较大，已经影响静载试验数据的可靠性，即百分表基准桩量测系统测得的桩顶沉降值偏大42.7%。

②精密水准仪量测系统量测的距离试桩中心1D、2D、4D、6D、8D和10D的地基竖向变形在加载过程的变化情况见图5，最大荷载下不同距离处的地基土体位移占精密水准仪测量的桩顶沉降值的比例见图4所示。

图4 最大荷载下各点地基土体位移占桩顶沉降的比例曲线

图5 距试桩中心不同距离处地基土体竖向位移值

图6 两量测系统测得桩顶沉降量差值与精密水准仪测得的基准桩处位移值对比曲线图

本次试验以地基土体竖向位移以向上（回弹）记为正值，向下（沉降）记为负值。距离试验桩中心1D处的地基竖向变形变化趋势由负值变为正值，表示该处土体首先发生向下沉降，最大沉降值为-1.21mm，随着桩顶千斤顶试验加载的分级增加，支墩基底压力逐渐减小，该处地基土体发生向上的回弹。由于液压千斤顶对试验桩施加分级集中荷载加载时，试验桩周边地基土体将随桩产生沉降位移场。随着试验桩受荷的增大，支墩受荷的减小，试验桩对其周边地基土产生的位移场影响范围和大小不断增大，反之支墩对3倍墩宽深度和宽度范围内的地基土内产生的位移场影响范围和大小应不断恢复和回弹，由于1 D处观测点与试验桩距离很近，试验桩对其周边地基土体产生的沉降值要远大于由于支墩基底受力减小而产生的地基回弹。试验桩桩顶加载沉降对地基土的影响，随着距离试验桩中心越远而随之减弱，同步反之支墩基底受力逐渐减小而产生的地基回弹量影响逐渐加强，因此该处出现了先沉降（向下）后变为回弹（向上）的变化规律，2D处沉降规律也与1D类似。至距试桩中心4D位置时，试验桩对该处地基土体产生的沉降效应已显著小于回弹效应，回弹（向上）的最大位移量已达5.45 mm，占桩顶总沉降量43.6%。在距试验桩中心6 D与8 D位置处，产生的竖向回弹位移值基本相同，最大回弹位移值分别为6.75 mm和6.37mm，占桩顶总沉降量的54.0%和51.0%，其位移值比4 D处要大，是因为这两处离试验桩中心的距离比离支墩边的距离要远，因此所受支墩基底压力影响较大。在距试验桩中心10 D位置处，最大竖向回弹位移值为2.48 mm，占桩顶总沉降值的19.9%，为本次试验量测的最小值，这说明10D位置处地基变形受压重反力平台的影响较小。

③精密水准仪和百分表基准梁两套系统测得的桩顶沉降量差值与4D处（即基准桩处）量测的位移曲线图如图6所示。

可见，4D基准桩处的位移值与两系统量测的数据差值基本相同，这说明百分表量测桩顶沉降量时的误差即为地基土体的竖向回弹位移而产生。由此可认为常规的百分表基桩桩量测出的数值为桩顶沉降值与基准桩处地基土体竖向回弹位移的叠加之和。基于此，提出两种方法位移修正法：可用每级荷载下精密水准仪量测系统测得4D处的地表变形量，对百分表测得的相应荷载级下的桩顶位移值进行修正，可得到更准确的Q-s曲线；仅在最大荷载下用精密水准仪量测系统量测4D处的地表变形一次，利用两量测系统差值对百分表测得的最大荷载级下的桩顶位移值进行修正，其余荷载级下的位移可采用线性插值修正，可得到较准确的Q-s曲线。

4 结语

①在场地表层地基土含较厚淤泥质土时，基桩采用大吨位堆载反力平台载荷试验时，压重平台将引起平台周边地基土体竖向位移。据本次试验可知，最大荷载下，百分表基准桩系统量测的桩顶沉降值比用精密水准仪量测系统测得的桩顶沉降值大5.33 mm，沉降值偏差较大；两套量测系统量测桩顶沉降量的差值与精密水准仪系统量测的基准桩处的竖向位移基本相等，说明百分表基准桩量测系统测读桩顶沉降量时的产生的误差主要由于该处地基土体的竖向回弹位移而产生的，因此在表层较厚软土场地，当用压重平台反力装置进行大吨位基桩荷载试验时，可额外引入一套精密水准仪对桩顶和基准桩处的竖向变形值进行监测，以减小试验加卸载时压重反力平台产生的地基竖向变形对试验结果带来的影响。

②可用每级荷载下精密水准仪量测系统测得百分表基准桩处即4D处的地表变形量，对百分表测得的相应荷载级下的桩顶位移值进行分级修正，可得到准确的Q-s曲线；或仅在最大荷载下用精密水准仪量测系统量测4D处的地表变形一次，利用两量测系统差值对百分表测得的最大荷载级下的桩顶位移值进行修正，其余荷载级下的位移可采用线性插值修正，可得到较准确的Q-s曲线。