自平衡法在基桩载荷试验中的应用分析

李戟 张毅 李军

20世纪80年代，美国Osterberg教授发明了桩基承载力测试的一种新方法，在桩身下部设置压力盒，试验时在桩顶对压力盒容器中的介质施加压力，产生一对向上与向下的反力，使得桩身侧摩阻力和桩端阻力得以发挥，进而达到极限，得到基桩极限承载力。该方法由东南大学龚自珍教授引入我国，称为自平衡测试法，它具有加压装置简单，不占用试验场地，操作方便，成本低等优点，能直接测定桩的侧阻与端阻，目前在工程检测中得到了较广泛的应用。

1 自平衡法简介

1.1 自平衡法基本原理

自平衡测试法是应用桩自身反力平衡原理，在基桩施工过程中将荷载箱(千斤顶)与钢筋笼焊接在一起，埋设在桩身受力平衡点［1］。试验时，用高压油泵通过引至地面的油管对荷载箱的内腔加压，由压力传感器测定油压。荷载箱受力箱盖、箱底被同时推开，从而调动桩侧土阻力与桩端阻力的发挥，通过引到地面的位移杆分别测量向上、向下的位移，得到对应的Q—S曲线，即可确定荷载箱上段和下段桩的极限承载力，再经过换算，就可得到试桩的极限承载力值［2］。

以自平衡桩的受力平衡点进行划分，平衡点以下相当于抗压桩受力模式，反力由桩端阻力和向上的摩阻力提供;平衡点以上相当于抗拔桩受力模式，反力由桩身自重和向下的摩阻力提供［3］，如图1 所示。

1.2 工作方法

试验采用慢速维持荷载法，依据DB32/T 291-1999桩承载力自平衡测试技术规程、JGJ 106-2003建筑基桩检测技术规范、JTJ 041-2000公路桥涵施工技术规范。试验装置如图2所示。

位移杆外护管连接用套筒围焊，防止混凝土和水泥浆进入;位移杆采用丝扣连接，并用管钳拧紧，与钢筋笼绑扎成整体。埋设完荷载箱，应当及时保护好高压油管，并将出露桩头的外护管封头，防止水泥浆渗入。

2 等效曲线转换方法

2.1 等效Q的转换

由向上、向下的Q—S曲线，可先得到荷载箱上部和下部的极限承载力，再根据DB32/T 291-1999桩承载力自平衡测试技术规程，可计算出试桩极限承载力:

其中，Qu为单桩竖向抗压极限承载力;Q上为荷载箱上部桩的实测极限值;Q下为荷载箱下部桩的实测极限值;W为荷载箱上部桩自重;γ为荷载箱上部桩侧阻力修正系数，对于粘性土、粉土γ =0.8，对于砂土 γ =0.7。

2.2 等效S的转换

将自平衡法向上、向下两条Q—S曲线进行转换，得到同条件下受压桩的一条Q—S曲线，应符合下述假定:

1)等效的受压桩也分为上、下段桩，分界截面即为自平衡桩的平衡点截面，侧摩阻力用平均值qsm表示，下段桩Q下=σ0Ap。

2)自平衡法的下段桩与等效受压桩下段的位移相等。

3)受压桩上段的桩身压缩量ΔS为桩端及桩侧荷载两部分引起的弹性压缩变形之和，即:ΔS=ΔS1+ΔS2，其中，ΔS1为受压桩下段产生的弹性压缩变形量;ΔS2为受压桩上段产生的弹性压缩变形量。

在上段桩身侧阻力完全发挥之前，与等效桩顶荷载Q对应的桩顶位移为S，则有:

当上段桩身侧阻力发挥至极限时Q上不变，再根据相应的Q下—S下曲线测定Q下和S下，由下述公式求出等效荷载Q和对应的桩顶位移S:

由此得到传统的静载荷试验的一系列点(Qi，Si)，i=1，2，…，n，从而得到等效的桩顶荷载—位移曲线。其中，L为上段桩长度;Ep为桩弹性模量;Ap为桩身截面面积。

转换后得到的等效Q—S曲线(等效转换曲线)如图3，图4所示。

根据等效转换曲线进行划分，可分为陡变型和缓变型曲线，对于陡变型曲线取陡变的前一级荷载为承载力极限值Qu;缓变型曲线取最后一级对应的荷载为承载力极限值Qu，如图5，图6所示。

3 工程实例

某公路桥为钻孔灌注桩，试桩桩长35.5 m，桩径1.8 m，混凝土设计强度等级C25荷载箱埋设位置在桩顶以下24 m。桥位区第四系河流冲洪积物从上至下可分为4层:第①层:壤土层，厚1.0 m～9.0 m。第②层:漂砂卵石层，厚11.4 m～22.3 m。第③层:壤土层，厚2.0 m～11.7 m左右。第④层:砂卵石层，厚4.4 m～28 m以上。桩端持力层为第④层卵石层。

试验加荷至2×8 196 kN时，上、下位移较明显，但由于本级荷载能够判稳，且不满足终止试验条件，所以继续加荷至2×9 562 kN，荷载箱上部桩周土出现较大裂隙，桩身明显被顶出，荷载不能维持并且下降，说明荷载箱上段桩土体系已经破坏，终止试验，最大上位移60.48 mm，最大下位移50.05 mm。

荷载箱上段和下段U—d，Q—S曲线如图7，图8所示。

从图7，图8可看出，加载刚开始时，荷载箱下位移明显大于上位移，经分析可能是受荷载箱下面板的影响，灌浆时在下面板处残留少量浮浆。随着荷载的增加，荷载箱下端逐渐压实，上位移迅速增加，最后一级上位移明显超过下位移，说明荷载箱上段侧阻力已充分发挥达到极限，桩土体系破坏。根据荷载—位移曲线的变化，也反映出荷载箱在桩身内朝着阻力最小方向移动的规律。

由于荷载箱上、下两段桩身的阻力均得到充分的发挥，基本上同时达到破坏条件，说明试验中自平衡点位置的选取是比较准确的。

由钢筋混凝土密度ρ=24.5 kN/m3，荷载箱上部桩侧为卵石和壤土，γ =0.7 得:

绘制出等效Q—S曲线，如图9所示。

4 结语

自平衡法的关键是荷载箱的埋设位置即“自平衡点”的选取，上、下两部分桩身阻力能否同时达到极限值，直接影响到试桩极限承载力的确定。对于桩长较短的大直径嵌岩桩或扩底桩，向下摩阻力加上桩自重与桩端阻力相比小很多，实际上平衡点是不存在的。另外对于大直径桩还应当考虑折减效应，如直径1.8 m的灌注桩，折减系数达到0.763，这是需要引起注意的。对于传统反力装置无法满足的超大吨位静载荷试验，自平衡法表现出较大的优势，其装置简单、成本低、测试周期短、测试结果准确，在桥梁、高层建筑等工程检测中已得到了越来越广泛的应用。

［1］马远刚，杨春和.极限状态及变形量控制下自平衡试桩承载力分析研究［J］.岩土力学，2009(9):8-11.

［2］程宝辉.自平衡试桩法极限承载力不同计算方法计算结果的对比分析［J］.桥梁建设，2009(2):19-26.

［3］曾三海，肖 凯.大直径钻孔灌注桩自平衡试桩法研究［J］.土木基础，2008(6):7.