自平衡法静载试验在桩基检测中的应用

聂树昱

(昆明市建设工程质量安全监督管理总站，云南 昆明 650000)

自平衡法静载试验是一种适用于多种地质条件下的钻孔灌注桩、人工挖孔桩、管桩的桩基单桩竖向抗压能力试验方法，该种试验方法具有经济安全等诸多优质特点，因此在各种类型的建设项目中得到普遍应用，随着各种建设项目工程规模的不断增大，桩基工程施工质量的重要性越来越突出，这就要求相关人员合理分析自平衡测试方法的原理和特点以及具体试验过程中的加卸载步骤与数据分析，以便为自平衡法静载在桩基检测中的合理应用奠定基础。

1 自平衡测试技术

1.1 核心原理

自平衡测试及核心原理是通过试桩其自身所携带的反应平衡特性，通过在试桩端头附近设置相应的载荷箱来实现不同区域所产生的相反方向的载荷数据。在进行该测试的过程中可以通过来自载荷相对上端桩身所产生的抬高作用使得装测摩阻力逐渐升高至极限状态，同时载荷箱还能够在相反的方向对下桩产生的下沉作用力所导致的装侧阻力和桩端阻力逐渐达到极限状态。具体的试验过程中通过利用高压油泵所产生的油压进行载荷增加流程，使得载荷箱能够产生上下两种不同的变位效应，这种效应所产生的上下两种推力实现了桩周土层的侧阻力和桩端的桩阻力逐渐产生应力，当这种应力逐渐增加的过程中，试桩所承受的外力逐渐达到极致最终遭到破坏，通过在这个过程中所产生的侧阻力以及侧摩阻力，桩端的端阻力进行有效的计算，便能够获得最终的桩有效承载极限数值。

为了能够实现桩体极限承载数值的精确性需，要通过数值换算的方法来进行转换，该方法获得的最终数值能够有效的帮助工程获得较好的效果以及要求。

自平衡试验过程需要利用液压千斤顶，这种千斤顶经过特殊结构的改造也就是本文前段提到的载荷箱，这种载荷箱在使用的过程中通常具备一次性使用特点，也有某些载荷箱在经过特殊改造后能够实现多次利用。这种重复利用的载荷箱通常应用在预制桩中。在完成载荷箱的平衡点设置之后，便可以将载荷箱进行放置。利用高压油泵对载荷箱施加外力，载荷箱便能够产生上下两种不同方向的应力，这种应力向上产生了一种推力，向下产生了压力。桩体和土体出现了不同方向的阻力，直到该阻力值达到极限最终遭到破坏。载荷箱其本身是一种较为简单的设备类型，针对工程中的测试流程应用较为简单，能够有效的对不同的桩体进行测试。测试设备如图1。

图1 测试设备现场作业图

自平衡试验对桩体产生的测试流程能够生成针对不同桩体的测试数据，完成数据测试后获得的数据便可以进行分析和处理，最终获得与上段桩和下段桩的不同数据，利用这些数据生成的曲线能够有效地对桩体所能够承受的摩阻力，承载力，抗拔力，极限承载力，塑性变形等多种不同角度的数据给出测试结果。

2 自平衡法与测试机制的区别

2.1 桩周土应力状态变化

地质土层所具备的泊松效应能够有效导致抗拔桩在受力时桩身发生变细的情况，同时桩周围的土层变得松弛，导致桩侧摩阻力出现降低的情况，此时桩体受到顶部产生的外力使得桩身逐渐变粗，周围土体则受到这种变化的影响导致密实度增加，从而使得桩侧摩阻力也得到相应的增长。自平衡测试法的核心原理是上段桩受到上拔力，下段受到压力，因此在具体的应用过程中，会导致土体松弛以及侧摩阻力的相应降低。受到桩体运动方向的差异影响，桩周边的土层也会产生相应的变化。

2.2 影响桩身侧摩阻力的原因

以往进行单桩竖向抗压静载试验时，桩身受到的外力主要来自顶部，这种来自顶部的外力会使得桩身向下移动，移动的过程中还会带动周边的土体出现明显的下沉现象，这种下沉现象使得土体出现了密实度增加的变化。当桩周土体密实度逐渐增加，其侧摩阻力也会逐渐增加，使得摩阻力得到了有效增强。而采用自平衡方法获得的平衡点上方的桩体与传统的单桩竖向产生的结果刚好相反，这说明了其总体摩阻力出现了降低的趋势。除此之外，传统单桩竖向实现过程中，桩顶受到来自向上的拔力使得桩周边土体出现纵向向上的位移，当土体逐渐上行，使得土体呈现出向上隆起的姿态，随着这种姿态的逐渐变化出现了明显的膨胀现象。然而在自平衡测试过程，当土体和桩身同时出现位移时，平衡点位置的上下桩周边土体会呈现出逐渐松散的趋势，这使得平衡点周边的摩阻力出现了降低的趋势，随着载荷的不断加强，这种摩阻力的变化趋势更加明显了。

2.3 桩端的不同破坏形式

传统载荷测试所使用的单桩竖向载荷试验中，桩顶的载荷力呈现逐渐增加的趋势，早期载荷力较小的状态下，桩身所受到的外部影响使得桩身受到了来自上方的压力，此时试验桩主要受到来自外力所产生的压缩作用出现了明显的变形，随着来自上部的载荷水平逐渐升高，桩周围土体的侧摩阻力逐渐增强，桩周边的土层受到的主要外力影响来自剪应力，这种应力在传递的过程中会随着桩的垂直方向逐渐降低。如果此时继续增加外部载荷，则桩身会产生进一步的位移，随着这种位移的进一步增加，桩身所承受的侧摩阻力逐渐升高，直至这种摩阻力达到了极限。此时桩端承受了全部载荷，这种载荷的不断增强使得桩端的持力层受到了明显的压缩作用，最终导致了塑性变形的发生。此时桩体的位移也逐渐增强。因为桩受到的位移逐渐增加，最终超过了固定标准，此时位移超出了工程应有的水平，最终到达某值后，直至完成静载试验流程。

3 自平衡法静载试验流程

自平衡法静载原理：采用自平衡阀进行静载试验的核心设备为荷载箱，通过将其与钢筋笼进行有效连线，同时将高压油管与载荷箱进行连接，并将位移棒与地面进行连接，载荷箱由千斤顶进行并联形成有效的载荷系统，载荷箱能够同时保证桩身两端收到均匀平等的受力水平。其中所包含的千斤顶与上下钢板进行有效连接。同时使用高压油泵来为千斤顶进行充油，位移棒的具体作用是对载荷箱产生受力后出现的位移进行有效测量，通过对载荷向上下部所能够提供的承载能力来确定桩的极限承载力。

试验相关设备如下：测试中所需要的各类仪器设备包含高压油泵，载荷箱，数据接收设备以及油压传感器等多种不同类型的设备。

3.1 设备应用

在进行加载设备的过程中，通常采用圆形载荷箱来对应至每一个不同的试桩，在确定载荷箱加载的数值时，需要相关计量部门进行最终的确定，载荷箱的设置方式通常要与测试桩的端阻力和侧阻力所形成的平衡点进行设置，这能够有效的保证载荷箱上下端所产生的应力得到有效的同步。其次是高压油泵的设置，例如高压油泵加压精度为0.2Mpa，加压值为65Mpa，同时还需要设置相应的油压传感器精度。同样压力表和油压传感器的标准值应该通过相关计量部门进行检定。

3.2 量测装置的应用

在进行基准箱钢梁设置的过程中需要通过脚手架作为工作面来帮助完成搭建过程，基准箱钢梁跨度为9m，并保证将其安装在测试中可能受到的影响范围之外，使得基准钢梁能够帮助完成磁性表座的搭建和设置功能。测试过程中所选择合适量程的位移传感器，每一个测试桩所使用的传感器为5支，并通过磁性表座将这些传感器固定在基准钢梁中，其中两个测试传感器用来测试测试桩的向下位移情况，剩下的传感器用来测试测试桩向上位移的情况。

3.3 卸压步骤

1）进行加压卸载过程中要设定相应的分级水平，同时需要依据单桩承载力特征值与最大加载量相同的方法来进行最大加载量的计算，通常所设定的最大加载量的1/10为分级载荷数值。同时在进行第1级加载时依照2倍分级载荷进行加载，同时卸载分级设定为加载式分级载荷的2倍水平。

2）观测流程：观测过程中应当依据不同级别的载荷加载过程，并按照不同的时间周期和间隔来进行数据读取，完成一级载荷测试观测之后才能够开展下一级观测活动。观测过程中应当对基桩沉降的标准进行有效的规定，通常桩顶沉降量的最大值不应当超出0.1mm，观测周期为小时单位，在完成分级载荷加载30min后，可以通过每1.5h进行3次观测频率来计算沉降值，在进行下一载荷的应用之前首先应当保证桩顶沉降速率处于稳定状态。如果在加载的过程中出现了极限载荷，即前一级载荷向下的位移量超过了基桩位移量的5倍，或者集中的位移量是前一级载荷向下位移量的两倍，则属于极限载荷需要停止进行载荷的增加。

最后在对载荷进行卸压时应当设每个级别的恒定周期为1h，同时依照不同的时间周期来对桩顶沉降量进行测量，完成不同周期的测量流程之后才能进行下一级载荷的卸压过程，当载荷为零时，才能够对桩顶参与沉降情况进行测量，并设定相应的15min，30min时间的测量周期，并在之后保证每30min测量1次。

4 数据分析成果

针对桩的静载试验来进行静载试验数据分析，并绘制相应的载荷沉降曲线，该曲线表明，当载荷的水平不断增加时，桩的下位移情况也出现了明显的增加，同时下位移朝向负方向产生了明显的增加情况，同时表明斜率也出现了明显的增加。

当载荷沉降曲线出现了较为明显的陡变，可以将陡变的起点作为起始极限值，对于载荷沉降曲线较为缓变的曲线，则应当将曲线的位移值作为极限值，该极限值下的侧阻力来自上位移45～65mm之间的载荷数值，其极限端阻力则对应为下位移45～65之间的载荷数值。这两种判定方法能够决定基桩承载力处于非极限承载值的最大值。

通过对某一工程三根轴桩的载荷沉降值进行获取并分析可以发现，通过针对三根桩施加载荷再卸除后所产生的残余变形数值处于正常的数值范围中。该法通过桩自身阻力做反力，可以避免庞大的反力装置，装置简单，省时省力，并且可以节约大量费用，能在有限的空间内较好地开展试验检测工作。但也存在一些局限性，当使用工程桩进行检测时，其不能随机地进行抽样检测，在试验过程加载后形成断桩，不易处理，若桩底施工质量较差，沉渣过厚，在试验检测过程中也不易形成反力，在平衡的确定原则及摩擦力转换系数的取值方面也存在一定的经验性。

5 自平衡静载试验操作流程

自平衡试桩法其核心原理需要依赖在桩顶以及桩身施加装置产生作用，这使得该试桩方法的复杂度较高，常常受到外部因素的影响导致试桩结果不理想，为了能够在正式开展试桩的过程中避免出现类似问题，提高试桩效果，对常见问题进行如下总结。

1）平衡点概念是自平衡试桩法的核心要素，因此在进行具体的试桩模型测试过程中，如何有效的找准平衡点是重要的难题，所以为了解决该难题，应当首先进行平衡点的预估工作，通常会将试验流程中的平衡点位置设置于假设或预估平衡点上方一定距离。采用这种方式设置的平衡点在开展试验的过程中会使得上段桩首先承受极限载荷，当上段桩承受的载荷达到极限位置时，下段桩便因为载荷问题无法移动，此时应当通过设置支架来为上段桩提供避免位移的外力，完成该流程后既可以保证上段桩和下段桩同时承受极限载荷。在设置支架的过程中，如果条件不允许可以采用废气梁或者混凝土块来承担支架的作用。

2）自平衡静载试验过程需要将模型中的土体进行压实操作，在压实的过程中，通常采用重锤夯实的方法进行施工，重锤在击打土体的过程中所产生的振动会直接导致上段桩的垂直度发生变化，随着夯实操作的不断进行，上段桩的位移逐渐和下段桩产生了较大的偏移或者错位，这可能导致上段桩出现倾斜现象，最终影响实验结果的准确性。考虑到相关传感器和千斤顶基本不存在抵抗偏载的能力，所以随着上段桩的位移倾斜会使得千斤顶和压力传感器承受更多载荷直至最终损坏。这是在某些自平衡静载试验的过程中，会出现压力传感器的数值突然归零的问题，随着数据采集设备在读取数值的过程中，油泵的压力传感器会出现静止不动的问题，这可能会被认为是千斤顶出现了故障，因为千斤顶受到了偏载上端桩的载荷压力导致其无法实现油液归位的问题。

3）自平衡试验过程中，需要在上段和下段桩各自设置千斤顶，在进行千斤顶的选择过程中，考虑到常规千斤顶的最小平面尺寸和量程重量以及行程距离无法满足自平衡试验的要求，通过对于自平衡试验千斤顶要求较为接近的10t千斤顶进行定制，保证其最大行程不低于14mm（标准行程为10mm），同时为了保证实验过程对锚索以及位移杆的要求，要保证模型桩直径不得低于8cm。

4）自平衡试验的过程中，为了实验的需要要准备粘贴应变片，同时考虑到应变片较低的存活率，需要在数量上给予更多的保证，同时对于与金属相关的应变片应对其端子先进行绝缘处理，混凝土浇筑流程可能会对光纤造成破坏作用，所以应当保证光纤具有更长的预留长度。

5）要事先对模型桩和模型箱进行预留孔设置，这样做的目的是后续对模型桩进行垂直方向的支撑作用，有时会采用吊起模型箱的方式展开实验，为了避免受力不均匀发生摆动就需要在预留孔的设置过程中保证其方向和位置的统一性。

6）上段桩和下段桩的千斤顶在加载的过程中应当严格依照加载顺序开展试验，如果加载顺序出现错误，就可能导致桩体所承受的外力不一致，同时要保证桩身和桩顶在加载过程中设置正确的千斤顶加载顺序，以及保持二者千斤顶总伸长量的正确关系，避免在填土的过程中出现位移和偏斜。

7）若试验加载过程未达到破坏土体的情况下，桩端阻力以及方向的摩阻力能够得到有效发挥，在最大加载值状态下，以端桩阻力和侧摩阻力作为土层的对应阻力，最终的试验结果存就会存在在明显的误差。

8）试验设备保护措施。在完成载荷箱的埋设工作之后，应当对桩顶的位移杆及其护管封头以及高压油管进行有效的保护。具体的保护措施应当包含在进行开挖过程中，应当通过人工清理的方式来开展施工禁止采用机械设备进行开挖，完成开发之后需要设定相应的警示牌或围栏来对其进行保护。

6 结语

自平衡法静载试验作为一种新型桩基检测方法，越来越多的被应用到各种建设项目的桩基检测中，为了充分发挥自平衡法静载试验的应用效果，从而实现该种试验方法的最大应用价值，相关人员还需要针对自平衡法静载试验进行更加全面细致的分析研究，参考和借鉴自平衡法静载试验在建筑桩基检测中的应用实例，以便有效掌握该种检测方法具体实施中的加卸载步骤和数据分析。