基桩自平衡法承载力检测的应用探究

王文学

(兰州国际港务区投资开发有限公司，甘肃 兰州 730060)

1 概述

基桩础是建筑物基础中常见的形式之一，基桩承载力检测是保证地下结构安全稳定的保障，对实际工程质量至关重要。实践当中，基桩承载力检测常用的方法有静载试验检测、动载试验检测以及动—静检测法等。目前应用最广泛的是静载试验检测法，传统的静载试验检测法包括桩锚法、堆载法等[1-3]。受限于工程检测空间、检测条件的限制，传统的检测方法往往费时费工，且一些大型吨位的基桩承载力检测无法有效进行，具有一定的安全隐患。

自平衡法检测法是一种在传统静载试验的反力系统基础上发展而成的新型检测方法，具有安全有效、省时省力、操作简单等优点，逐渐应用于工程实践当中[4,5]。

本文将结合实际工程对基桩自平衡法的工程应用进行探讨，主要介绍基桩自平衡法检测原理、加载方法、终止条件。并结合具体的检测试验结果，对试验桩的承载力进行评价，希望对基桩自平衡法承载力检测在实际工程中的应用提供一定的参考依据。

2 工程概况

2.1 工程背景

本工程位于兰州市，场地较平整，根据岩土勘察报告，场地内地层自上而下分别为杂填土、黄土状粉土、卵石。土体参数见表1。

表1 土体参数

2.2 试桩概况

该工程桩采用桩端后注浆旋挖成孔灌注桩，桩型为圆桩，设计桩身直径为0.8 m，无扩底，桩端进入持力层深度不小于6.0 m，桩底持力层为卵石层，设计单桩竖向抗压承载力特征值为4 600 kN。

由于场地环境狭小，无法应用传统的基桩承载力检测方法，因此采用基桩自平衡静载试验检测工程桩的单桩竖向抗压承载力。根据地勘报告，本工程设计桩顶标高以下存在1.0 m～6.5 m厚湿陷性土层，考虑到黄土湿陷性产生的负摩阻力，本次检测单向最大加载值为4 850 kN。

按照JGJ 106—2014建筑桩基检测技术规范[6]第3.3.4条，GJ/T 403—2017建筑基桩自平衡静载试验技术规程[7]第3.1.1条，受检基桩数量不应小于同一条件下基桩分项工程总桩数的1%，且不应小于3根，结合检测要求，随机选取5根工程桩进行承载力检测，抽检随机性是为了避免施工过程针对检验桩而采取特殊工艺或针对性加强。为使试验结果具有代表性，在场地内不同区域抽选试验桩，桩号为SZ1～SZ5，以确定其工程桩单桩竖向抗压承载力在自然含水量状态下是否能满足设计要求。基桩参数详见表2。

表2 试桩参数

3 基桩自平衡法检测方法

3.1 检测设备及原理

基桩自平衡静载试验系统由荷载箱、高压油管、位移丝、护管组成(见图1)。试验时将荷载箱与钢筋笼焊接成一体，护管采用直接52 mm的钢管(壁厚2.5 mm)，护管焊接连接并绑扎在钢筋笼上引至桩顶，油压管绑扎在钢筋笼侧壁引至地面。

每根试桩采用4只电子位移计量测试桩位移量的变化(见图2)，通过磁性表座固定在基准梁上，2只用于测量桩端位移(下荷载箱)，2只用于测量桩身位移(上荷载箱)。检测时，通过高压油泵将液压油通过高压油管输送至荷载箱内部，随着荷载的增加，荷载箱将同时向上、向下发生变位，促使桩侧阻力及桩端阻力的发挥。通过采集设备连接压力传感器控制油压，荷载箱位移通过位移传感器量测，通过采集设备控制测读并绘制Q—S曲线、S—lgt曲线以及S—lgQ曲线。

施工时应注意以下几点：

1)绑扎和焊接钢筋笼，并将荷载箱焊接于钢筋笼上，确保护管不渗泥浆，与钢筋笼绑扎成整体，见图3。

2)荷载箱应立放在场地上，钢筋笼所有主筋与荷载箱外缘围焊，并确保钢筋笼与荷载箱起吊时不会脱离，保证钢筋笼与荷载箱在同一水平线上。

3.2 加载方法

在桩身强度达到设计要求并不应少于15 d后进行基桩承载力检测。试验采用慢速维持荷载法。

加载分级进行，采用逐级等量加载，每级荷载宜为最大加载值的1/10，首次加载两级，当位移速率达到相对稳定标准，可施加下一级荷载。当加载完成后，按照每两级进行卸载。

加载数据记录：每级荷载施加后，应分别按第5 min,15 min,30 min,45 min,60 min测读位移，以后每隔30 min测读一次位移。

位移相对稳定标准：从分级荷载施加后的第30 min开始，按1.5 h连续3次每30 min的位移观测值计算，每小时内的位移增量不超过0.1 mm，并连续出现两次。

3.3 试验终止条件

1)达到最大加载量，位移且荷载箱上段或下段达到相对稳定标准；

2)某级荷载作用下，荷载箱位移增量大于前一级荷载作用下位移增量的5倍，或位移累计超过40 mm；

3)某级荷载作用下，经24 h尚未达到相对稳定标准；

4)荷载已达荷载箱加载极限，或荷载箱上、下段位移已超过荷载箱行程。

以上除条件1)为正常终止条件外，其他均为非正常终止条件。当出现条件2)所示情况时，以累计位移40 mm所对应的荷载作为试验加载值。

3.4 基桩承载力计算

当荷载箱处于桩底时，基桩承载力由桩端阻力和桩侧摩阻力两部分构成，根据JGJ/T 403—2017建筑基桩自平衡静载试验技术规程[7]与DB62/T25—3065—2013基桩承载力自平衡检测技术规程[8]，本工程单桩竖向抗压极限承载力计算公式为：

(1)

(2)

其中，Ap为桩端面积；A为荷载箱底板面积；ψp为桩端阻力尺寸效应系数，按照表3取值。

表3 桩端阻力尺寸效应系数

承载力特征值Ra计算方法如下：

Ra=Qu/2

(3)

4 基桩承载力检测结果

本项目共测试5根试验桩，每根基桩采用一个桩端荷载箱。根据检测结果，得到基桩承载力计算结果如表4所示。其中试验桩SZ1～SZ4的荷载箱上下位移均在规范允许的范围内，以试验桩SZ1为例，图4～图6给出了荷载箱上位移的Q—S曲线、S—lgt曲线以及S—lgQ曲线。当荷载箱单向最大加载值为4 850 kN时，上位移总量为1.29 mm，卸载后最大回弹量为0.92 mm，Q—S曲线呈缓变形，无明显的陡变段，S—lgt曲线尾部未出现明显向上弯曲，S—lgQ曲线随荷载的增加其斜率呈缓慢变化。

下位移总量为2.72 mm，卸载后最大回弹量2.42 mm，Q—S曲线呈缓变型，无明显的陡降段，S—lgt曲线尾部未出现明显向下弯曲，S—lgQ曲线随荷载的增加其斜率呈缓慢变化。试桩在加、卸载时荷载传递均匀、连续、无冲击，每级荷载在维持过程中的变化幅度没有超过分级荷载的±10%。经计算自然含水量状态下单桩竖向抗压承载力极限值为10 510.0 kN，承载力特征值为5 250 kN，满足承载力要求。

表4 基桩承载力计算结果

荷载箱上位移总量较小，因此可以认为桩侧摩阻力满足要求，荷载箱下位移以及回弹量均较大则说明桩端阻力不足。分析认为荷载箱位移过大的原因在于施工阶段孔壁土落入桩底，在灌注桩身混凝土之前未有效清理桩底沉渣，致使沉渣过厚，在荷载箱加载压力较大时，沉渣充分压缩，并在荷载箱卸载压力后回弹量较大，易在桩底与持力层之间形成中空段，使得桩未有效立于持力层之上，因此承载力不足。此外，桩底沉渣清理不彻底也会影响到桩端阻力和侧摩阻力的发挥。

5 结语

基桩自平衡法是检测基桩承载力的有效途径，在工程中逐渐推广应用，尤其在经济高速发展的今天，实际工程中出现越来越多的因场地狭小而无法进行传统基桩静载试验的情况，此外，传统的检测方法也使得基桩检测面临巨大的安全隐患、附加成本等问题。自平衡法检测效率高，检测成本低，且操作环境较安全，但是在实际应用中还存在诸多问题，需要逐步推进自平衡法在工程当中的有效应用，因此研究基桩自平衡法在实际工程中的应用是迫切而必要的。

本文通过对5根试验桩的承载力进行检测，认为卵石层可以提供足够的桩端阻力，在实际工程中，要做好桩底清孔工作，沉渣过厚会影响桩端阻力以及桩侧摩阻力的发挥，进而使桩达不到承载力要求。