静载荷试验与高应变法、自平衡法对比研究

金凯凯 JIN Kai-kai

（宁波冶金勘察设计研究股份有限公司，宁波 315000）

0 引言

桩基工程中承载力是否满足设计要求是桩基工程质量检测中的主要问题，目前检测单桩极限承载力所采用的方法主要有传统静载荷试验法、高应变法和自平衡法。静荷载试验作为目前检测承载力最直观的、最可靠的方法，可根据试验类型的不同，能够准确反映受检桩在实际使用过程中的抗压、抗拔和水平极限承载力，为设计提供依据，通过桩身应变、位移测试，还可以测定桩侧、桩端阻力。但传统静载法的适用范围受试桩吨位和场地条件的限制，随着我们各类城市轨道交通和高层建筑的发展，大直径大吨位桩越来越普及，轨道交通和桥梁工程桩基，由于场地限制一般不具备静载试验场地的条件，其承载力的检测一直难以准确表达。在宁波以往的轨道交通和市政工程，其主线高架桥基桩的承载力检测均采用了高应变法，而高应变case 法假定的前提是土阻力得到充分发挥，桩土间发生相对塑性位移，适用于摩擦型中、小直径桩或截面均匀的灌注桩，对于大直径大吨位的桩土阻力很难得到充分发挥，拟合检测值会存在较大的误差。宁波市机场快速路南延工程检测项目首次将自平衡法和单桩竖向抗压静载试验运用到轨道交通大直径大吨位桩的承载力检测，本文以该项目为研究对象，利用其静载荷试验数据和自平衡法、高应变法检测数据作对比分析，探究自平衡法和高应变法在检测承载力方面的适用性和可靠性。

1 工程概况

机场快速路南延工程全长18.8 公里，工程总投资约60.7 亿元，采用“主线高架+地面辅道”的建设形式，该工程主要建设内容包括桥梁工程、道路工程，轨道交通土建主体工程及其他附属工程等。桩型采用旋挖钻孔灌注桩，主线高架桩基础设计桩端持力层为中风化砂砾岩，设计单桩极限承载力10000～16000kN，辅道桥桩基础设计桩端持力层为圆砾，设计单桩极限承载力4200～6600kN，本次对主线高架抽取8 根桩进行单桩竖向抗压静载试验，抽取2 根桩进行自平衡法检测；辅道桥抽取3 根桩分别采用单桩竖向抗压静载试验和高应变法做动静对比。

2 单桩竖向静载试验

2.1 测试方法 单桩竖向抗压静载试验设备，由加载装置、荷载及沉降变形量测装置三部分组成。加载装置由千斤顶构成，通过控制仪器自动加载及卸载。荷重由油压传感器测读；沉降变形由4 只对称分布的量程50.00mm的位移传感器测读；荷重及沉降变形直接通过传感器显示仪显示和存储，所用测试设备的精度满足相关规范的要求。试验均采用慢速法。

2.2 检测结果 本次试验的基桩加载到最大值后均达到稳定，且Q～s 曲线无明显拐点，呈缓变型。其中的蒋SZH-1#桩Q～s、s～lgt、s～lgQ 试验曲线见图1。所有受检桩具体试验数据见表1、表2。

图1 蒋SZH-1# 桩Q～s、s～lgt、s～lgQ 曲线

表2 辅道桥试验桩静载试验成果表

3 自平衡法

3.1 测试方法 基桩承载力自平衡法，是通过在桩体内部预先埋设一种特制的加载装置——荷载箱，在混凝土浇注之前和钢筋笼一起埋入桩内相应的位置（位置根据地质概况计算确定），将荷载箱的加压管以及所需的其他测试装置（位移杆及护管、应力计等）从桩体引到地面，然后灌注成桩。到休止龄期后，由加压泵在地面通过预先埋设的管路，对荷载箱进行加压加载，使得荷载箱产生上、下两个方向的力，并传递到桩身。由于桩体自成反力，将得到相当于两个静载试验的数据：荷载箱以上部分，获得反向加载时上部桩体的相应反应参数；荷载箱以下部分，获得正向加载时下部桩体的相应反应参数。通过对加载力与参数（位移、应力等）之间关系的计算和分析，可以获得桩基承载力、桩端承载力、侧摩阻力、摩阻力转换系数等一系列数据。

3.2 检测结果 两根试桩经过计算荷载箱均埋置于桩端位置，试验分10 级加载，在加载至最大值后沉降量达到相对稳定，Q～s、s～lgt 曲线无明显拐点。其中的Pm257-5#桩Q～s、s～lgt、s～lgQ、Q～s 测试曲线如图2。两根受检桩的具体数据如表3。

图2 Pm257-5# 桩Q～s、s～lgt、s～lgQ、Q～s 等效曲线图

表3 主线高架自平衡法试验成果表

4 高应变法

4.1 测试方法

基桩高应变法检测法将桩视为一维连续线性杆件，用接近基桩极限承载力的冲击荷载取代静载荷考核桩土体系，在桩顶附近某一有代表性的截面实测桩顶截面的轴向应力和加速度的时程曲线，根据一维波动方程实测数据包含有桩身完整性和桩周土对桩的作用力波的信息。运用一维波动方程的数值解，对桩身阻抗和桩周土实行分层分段计算，从而判定单桩的极限承载力和桩身结构完整性。本工程共检测3 根辅道桥桩进行动静对比，设计单桩极限承载力4400～5000kN，均采用7 吨重锤进行锤击，通过CASE法和曲线拟合法对承载力进行估算。其中曲线拟合法模型计算有如下假定：①假定桩为一维均质弹性体，可包含有裂隙、阻抗变化和截面变化等缺陷，信号沿桩身传播可发生衰减；②土的静力学模型为理想的弹塑性体，各部分的静阻力与它们的变形有关；加载时由弹性转为塑性时对应的位移值称为最大弹限，同时考虑卸载及重加载对变形和阻力的影响，又引入卸载弹限、卸载系数、卸载水平、复载水平和线性硬化软化系数等概念；③土的动阻力模型为Smith 模型，认为土的动阻力存在于桩侧的每一个部位，且与相应时刻的静阻力、质点速度成比例，其阻尼系数为Simth 阻尼系数。

4.2 测试结果

其中的G3-39#桩高应变法CASE 曲线和拟合曲线见图3；被测试的3 根桩高应变法的试验成果见表4。

图3 G3-39# 桩高应变法CASE 曲线和拟合曲线

5 试验结果对比分析

主线高架的自平衡法和静载荷试验试验桩位于同一场地，地层无明显变化，对比发现，传统静载试验在最大试验荷载下的桩顶沉降量普遍在20mm 以上，而自平衡法检测的基桩上、下段桩的总位移仅仅在5～7mm，相比静载试验结果要小很多，其一方面原因是两种方法试验时的桩身轴力和土摩阻力模型是不同的，传统静载最大轴力在桩身顶部，随深度增加土阻力的发挥，桩身轴力逐渐变小，桩顶位移最大，上部土摩阻力得到充分发挥，越往下桩土相对位移越小，下部土层阻力发挥比例越来越小。自平衡法在荷载箱位置桩身位移最大，荷载箱附近土摩阻力发挥最充分。另一方面是传统静载荷试验所得到的沉降量包括了桩身的压缩变形，所测到的沉降量为桩顶沉降量，实际的桩端沉降要远远小于试验值，桩端阻力尚未充分发挥。在实际工程中我们对设计试桩进行静载试验去确定极限承载力时，根据《建筑基桩检测技术规范》JGJ106-2014，4.4.2-4条，当Q～s 曲线呈缓变型时，以s=40mm 和0.05D（D 为桩端直径）对应荷载值去确定单桩极限承载力，这是非常保守的。

辅道桥3 根桩对比静载荷检测和高应变法检测的试验成果，动静承载力相对误差均在8.8%以内，动静对比效果良好，高应变法能大致反映桩的承载力。但值得注意的是，本次静载荷试验并非破坏试验，实际桩的极限承载力可能远高于试验值，因此，强调动静承载力检测误差并没有意义。高应变法检测桩的桩端持力层为圆砾，持力层较硬，在桩顶锤击力充分激发的情况下，贯入度值仅为1.4～2.6mm，根据《建筑基桩检测技术规范》JGJ106-2014，9.3.4条，单击贯入度在2～6mm 作为桩已经被“打动”的参考，桩土是否充分发挥是影响高应变法检测承载力结果的关键因素。对于桩端土层较硬的桩，实际承载力往往很高，此时桩锤匹配能力会下降，锤的重量不能仅扣规范的最小值按特征值的2%去匹配，本次试验锤重与桩的承载力特征值比值约为3%，仍无法保证桩土阻力充分发挥。为了安全起见，本次高应变检测不进行承载力外推，只是估算其承载力能否满足设计要求。

6 结论

自平衡法解决了传统静载试验对场地的要求，能大大节省成本，避免了因吊装运输造成的安全隐患和材料浪费，省时、省力、安全、环保，优点明显，但缺点也不容小觑，其在检测完成后会造成断桩，后续注浆处理无法保证该桩的完整性质量，其次是平衡点的位置取决于精准的地勘资料，地勘的误差会引起荷载箱偏离基桩的平衡位置，容易造成测试误差甚至失败。总体而言，选择勘探孔附近的基桩作为试验桩，自平衡法能较准确地表达桩的承载力情况，在场地受限、大吨位桩领域值得推广。

高应变法具有经济、简便、快速等优点，对中、小摩擦型桩，桩土阻力容易充分发挥，能较准确反映桩的承载力，对设计要求低、成桩质量可靠性高和不具备静载试验场地，用高应变法做承载力验收检测也是可行的。对持力层较硬的端承摩擦桩，试验难以保证基桩达到较大的贯入度，宜评价高应变法的适用性。锤重不能仅扣规范的最小值按特征值的2%去匹配，应采用更高比例去匹配。对大吨位大直径桩、端承桩和Q～s 曲线呈缓变型的桩，难以保证桩土间发生相对塑性位移，锤击力的大小可能直接决定拟合承载力检测值的大小，拟合承载力检测值存在较大的离散性，不适用于评价桩的承载力。