自平衡法在岩溶地区基桩检测中的应用

魏伟琼杨文超徐永旺

（1.中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司，贵州 贵阳 550081；2.贵州省岩土力学与工程安全重点实验室，贵州 贵阳 550014）

0 引言

近年，桩基础的应用向着载荷大、长度深、用量多、范围广的方向发展，采用传统的静载荷（堆载法、锚桩法）来对桩基进行承载力检测具有检测成本高、周期长、安全风险高等缺点。20世纪80年代中期，美国学者Osterberg提出了一种新的静载荷桩基承载力测试法——Osterberg法[1]（自平衡法），该方法对检测场地要求低，加载简便，免去了搭建大型反力装置的繁琐，测试所需时间短，可多根桩同时检测，还能同时测出桩的端阻力和侧阻力，自该方法提出后，在国内外桩基检测领域得到了广泛应用[2]。

结合贵州省溶岩地区的甲、乙2个类似工程，分析中风化白云岩桩径尺寸选取的合理性及自平衡测桩法在贵州岩溶地区的可行性。

1 自平衡法测桩原理

自平衡法静载试验核心装置是荷载箱，该种荷载箱是根据工程勘察、设计文件委托专业厂家专门订制，并通过计量单位检验出厂的。把生产的荷载箱在平衡点与钢筋笼焊接相连，使之形成一体后放入桩孔内，同时将荷载箱上的高压油管和位移杆（丝）均引到地面，再进行混凝土浇捣即可形成一根试验桩。达到养护时间后，使用油泵加压使荷载箱产生压力，上下两段桩分别向上向下产生位移，促使桩侧阻力、桩端阻力的发挥，从而测出整个桩身的抗压或抗拔承载力。自平衡法测桩原理及安装示意图如图1所示[3]。

图1 自平衡法测桩原理及安装示意图

2 场地工程地质

甲乙工程均位于贵州省溶岩地区，建筑基础均采用嵌岩桩基础，持力层岩性均为中风化白云岩，场区均存在不同程度的溶槽、溶沟、石芽等不良地质作用发育。甲、乙工程岩层物理力学参数推荐值见表1。

表1 甲、乙工程岩层物理力学参数推荐值

3 平衡点计算选择

3.1 一般嵌岩桩的平衡点计算

甲工程所在区域为溶岩地区，桩型为嵌岩桩，桩端置于中风化白云岩中，嵌岩段长度为0.5m，竖向极限承载力由桩周土总极限侧阻力和嵌岩段总极限阻力组成[4-5]。公式为：

式中：Quk——单桩竖向极限承载力标准值；

Qsk、Qrk——分别为土的总极限侧阻力标准值、嵌岩段总极限阻力标准值；

qsik——桩周第i层土的极限侧阻力；

u——桩身周长；

li——桩周第i层土的厚度；

ζr——嵌岩段侧阻和端阻综合系数；

frk——岩石饱和单轴抗压强度标准值；

Ap——桩端面积；

Qrs、Qrp——分别为嵌岩段侧、端阻力标准值。

一般情况下，平衡点计算应遵循的原则是：上段桩的反向摩阻力+上段桩的自重=下段桩的端阻力+下段桩的摩阻力。平衡点的计算原理不复杂，但在工程实践中，要精确地计算出平衡点却不容易，根据地勘资料结合规范计算出来的平衡点误差难以避免。一般情况下，平衡点满足在测试过程中上下段桩达到反力平衡即可。针对4种不同工况，根据公式（1）的基本原理可推导出4个不同的平衡点计算公式：

（1）平衡点位于桩底时

式中：W——桩身自重。

（2）平衡点位于桩身嵌岩段内时

式中：Qrk上——平衡点以上嵌岩段侧阻力标准值；Qrk下——平衡点以下嵌岩段侧阻力标准值。

（3）平衡点位于桩身嵌岩段顶部时

（4）平衡点位于桩身非嵌岩段时

式中：Qsk上——平衡点以上嵌岩段侧阻力标准值；

Qsk下——平衡点以下嵌岩段侧阻力标准值；

Qsk、Qrk——分别为土的总极限侧阻力标准值、嵌岩段总极限阻力标准值；

Qrs、Qrp——分别为嵌岩段侧、端阻力标准值。工程上前2个工况比较常见，后2个工况少见。

基桩静载试验的主要目的有：测试出桩的极限承载力，为设计提供依据；验证工程桩是否满足设计承载力要求，为验收提供依据。前者的试桩目的应使基桩端阻力和侧阻力均能充分发挥，荷载箱的上下段桩能基本同时达到极限状态，对平衡点计算选择精度要求更高。

3.2 试桩平衡点的确定

甲工程基桩嵌入中风化白云岩深度为0.5m，从表2可以看出，甲工程设计者是按桩端承载力来设计桩径和桩长的，仅桩端承载力已能满足单桩的设计极限承载力。乙工程基桩嵌入中风化白云岩深度为2.5～3.0m。甲乙两工程的测桩目的在于验证桩基能否满足设计承载力，并不需要测试出桩基的单桩极限承载力。试桩所用的荷载箱最大出力为桩基设计承载力的1.2倍。在计算选择平衡点时，考虑到桩底的桩端承载力均能满足设计承载力的一半以上，故将荷载箱均安置于桩底。

表2 甲乙工程试桩平衡点

分析表2可知，甲3与乙1、乙2的承载力相当，但甲3的桩径是乙1和乙2的1.3倍，桩身截面积约为乙1和乙2的1.8倍，由此可知，合理加大嵌岩桩的入岩深度可以有效提高整个基桩的竖直承载力。在能够满足工程上部荷载的条件下，可适当缩小桩径，从而有效节约工程成本。

4 试验及结果

对甲工程5根不同直径的预埋荷载箱的基桩（ZK1、ZK24、ZK148、ZK359、ZK398）进行自平衡法静载荷试验，测试按《建筑基桩检测技术规范》（JGJ 106-2014）以及贵州省工程建设标准《基桩承载力自平衡检测技术规程》（DBJ 52/T079-2016）进行。甲、乙工程试验现场分别见图2、图3，甲、乙工程试桩1的试验结果曲线图分别见图4、图5，甲、乙工程自平衡静载试验结果见表3。

表3 甲、乙工程自平衡静载试验结果

图2 甲工程自平衡静载试验现场

图3 乙工程自平衡静载试验现场

图4 甲工程试桩1的试验结果曲线图

图5 乙工程试桩1的试验结果曲线图

甲乙两工程均位于贵州省溶岩地区，地层岩性类似，桩底持力层均为中风化白云岩，具有对比分析和总结的价值。对比分析认为，甲工程5根试桩位移均很小，位移曲线均处于弹性位移阶段，说明上段桩的侧阻力和下段桩的端阻力均远远还未发挥出来，承载力潜力还很大。乙工程与甲工程同桩径的桩进行对比，乙工程的设计承载力几乎是甲工程的2倍。乙工程试桩的上下位移相对适中，但乙1、乙3上下位移差较大，经分析是由于荷载箱平衡点选取误差较大造成的。乙工程桩基承载力尚有一定的潜力，而甲工程设计偏于保守，可考虑适当缩小桩径，节省工程成本。

5 自平衡检测法存在的不足

5.1 对桩本身施工的影响

若采用自平衡法试桩，桩身浇筑前荷载箱与钢筋笼焊接为一体后一起放入桩孔，荷载箱的存在会对桩身混凝土浇筑时桩底沉渣和浮浆的排出产生一定的阻碍作用，使得部分沉渣和浮浆滞留在荷载箱的下部，这对桩身质量带来负面影响。因此，该处对荷载箱形体改进及桩身施工提出了更高的要求。

5.2 桩身受力机理不足

采用自平衡法试桩，荷载箱在油压的作用下，将桩身分为上下两段，上段桩所受的力实际是向下的抗拔摩阻力，这与实际工程上段桩受压摩阻力是有差异的；另一方面，上段桩上拔的过程会带起周围的土体，使桩侧土体围压降低。

5.3 试桩代表性不足

抽选的试桩在浇筑前已确定，施工时会有针对性地提高试桩的质量，使得试桩代表性不足。

6 结束语

（1）甲乙工程桩基经自平衡法检测，其竖向抗压承载力满足设计要求，实践说明自平衡法在岩溶地区可以广泛推广应用。

（2）岩溶地区桩基多采用嵌岩桩，持力层承载力通常较好，采用自平衡法测试单桩承载力时，平衡点（荷载箱安装点）多设置于桩底。

（3）岩溶地区勘探时若存在溶沟溶洞，桩身应穿越溶洞（沟），将桩底嵌于溶洞（沟）下部的岩层，桩基多为端承类桩。存在高、大溶洞时应采取块石、混凝土充填或设置护筒等措施，若采用充填方式，桩身侧阻力易因扩径而增大，若采用设置护筒的方式则其溶洞段侧阻力可以忽略不计。

（4）实践发现，自平衡检测法操作过程对桩身受力机理存在认知不足，试桩代表性不足等问题，在这方面值得继续探究。