自平衡法静载试验中桩顶配载施加方法的研究

虞梦泽

（1.福建省建筑科学研究院有限责任公司，福建 福州 350025；2.福建省绿色建筑技术重点实验室，福建 福州 350025）

0 引言

自平衡法通过在桩身平衡点埋设荷载箱，上段阻力与下段阻力互相平衡的方法测试桩基的极限承载力。相较于传统静载法因大规模地表荷载对工程场地的极高要求，该方法能够有效弥补其无法涉足的地形，在水面、狭窄场地、软土场地、坡地上得到广泛的应用［1］。且荷载箱内通过千斤顶进行加载的方式可满足超大直径超大承载力工程桩的检测需求。当桩的侧摩阻力小于端阻力时，需在桩顶配载以满足平衡条件，本文评价了多种工况下自平衡法静载试验中桩顶配载的施加方法，并结合工程实例，对规范中具有桩顶配载的自平衡法加荷方式提出建议并为类似工程提供借鉴。

1 自平衡法试验中桩顶配载的适用条件

抗压桩的单桩抗压承载力由桩侧摩阻力和桩端阻力共同组成，其中摩阻力受桩长、桩径和桩周土层影响。将荷载箱埋设在桩身平衡点或桩底后利用荷载箱上段侧摩阻力+自重与下段侧摩阻力+端阻力互为反力维持荷载，见式（1）：

式中：Quus为修正后的试桩上段桩侧摩阻力极限值，kN；Quds为修正后的试桩下段桩的极限侧摩阻力，kN；W为荷载箱上段桩的自重与附加重量之和；Qt为桩端极限承载力。

通过该方法在验证桩身极限承载力的同时，也能得到平衡点上方的桩侧摩阻力和端阻力与平衡点下方的极限承载力。但对于部分基岩埋深较浅区域的工程桩，因其桩长较短，侧摩阻力较小，计算得到的平衡点接近桩底甚至因桩侧摩阻力过大而无法得到平衡点，此时就需要在桩顶施加一定的配载措施，从而保证上下荷载的平衡。根据 JGJ/T 403－2017《建筑基桩自平衡静载试验技术规程》中的规定：“当受检桩为抗压桩，预估极限端阻力大于预估极限侧摩阻力时，可将荷载箱置于桩端，并在桩顶采取一定量的配重措施”［2］。但规范中并未明确桩顶配载的施加方法，给工程检测人员和设计人员在工程中的使用造成不便。

2 桩顶配载的施加方式分析

当上段桩阻力不足以与下段桩阻力平衡时，可增加桩顶配载［3］，并将荷载箱加载至原设计荷载的 110 % ～120 %，使桩端阻力得到充分的发挥。桩顶配载作为上段侧摩阻力+自重的补充，可根据现场情况选用预制块、钢筋、块石等材料。桩顶配载的自平衡法静载试验系统如图 1 所示。

图1 桩顶配载的自平衡法静载试验系统图

根据工况和试验目的的不同，桩顶配载的施加方法也有所区别。本文将桩顶配载的加荷方法分为三种。

1）初始一次性加荷。试验开始前预先将桩顶配载一次性加荷至极限值。该方法设备简单、操作方便。但当桩顶配载+实际上段桩反力时该方法无法得到实际的桩侧摩阻力。适用于桩端承载力远大于桩侧摩阻力的情况。

2）随分级加荷。随荷载箱的加荷分级将桩顶配载分级加荷，较合理地模拟了侧摩阻力的发挥方式，且桩身压缩也分级逐步产生。

3）按需加荷。当上段桩反力不足时分级或一次性施加，其中分级荷载可逐步加载至上下段反力平衡时刻，得到较为精准的上段桩侧摩阻力。若桩身没有明显上浮趋势，则桩顶配载可不使用，保证得到的侧摩阻力不因提前加载而受到干扰。适用于桩身上段承载力与下段承载力相差不大的情况。

3 工程案例

3.1 工程概况

福建某工程由一栋高层酒店和一栋超高层办公塔楼组成，建筑高度为 130 m，两栋高层塔楼合用 5 层裙房，地下共 4 层。场地原始地貌属闽江冲淤积平原，根据地勘资料桩周土层如表 1 所示。其中典型试验桩为桩径 1 400 mm，扩底扩大头直径 2 000 mm，扩大头高度2 650 mm，其中等直径段 750 mm，持力层为砂土状强风化花岗岩，桩端采用高压后注浆工艺，设计极限承载力为 28 000 kN，采用 AM 可视工艺施工，施工前预估桩底埋深 52.0 m，有效桩长 43.0 m。

试桩桩周各层土层自上而下分述如下。

①淤泥夹砂。深灰、灰黑色，鳞片状结构，饱和，呈流塑～软塑状，局部含腐殖质，味臭，摇震反应中等，无光泽，干强度低，韧性差，局部过渡为淤泥质土。该层部分地段夹厚度约 1～2 mm 的薄层状粉细砂，层状砂与淤泥厚度比约为 1/10。

②含泥粗砂。浅灰色，灰黑色，饱和，上部呈稍密状，中下部中密到密实状。成分以石英砂为主。粒径＞ 0.5 mm 颗粒平均含量约占 58.30 %，粒径＜0.075 mm颗粒平均含量约占 13.50 %。颗粒呈次棱角状，分选性较好，级配差，个别孔段含少量砾石，局部地段过渡为粗砂、中砂等。局部地段分布淤泥质土、粉质黏土夹层（部分呈透镜体分布）。

③卵石。浅灰色，灰黑色，饱和，上部多呈稍密状，中下部多呈中密状。卵石成份主要为强～中化花岗岩、凝灰岩、砂岩、砾岩等组成，多呈次圆、椭球状，粒径多为 2～4 cm，大者达 6 cm 以上。分选性差，级配较好，卵石含量一般为 12.3 %～79.6 %，局部过渡为砾砂、圆砾。骨架间隙主要由黏性土及砂土充填，无胶结。局部地段夹有淤泥质土。

④含泥粗砂。浅灰色，灰黑色，饱和，上部多呈中密状，中下部多呈密实状。成分以石英砂为主。粒径＞0.5 mm 颗粒平均含量约占 66.6 %，粒径＜0.075 mm颗粒平均含量约占 19.3 %。颗粒呈次棱角状，分选性较好，级配差，个别孔段含少量砾石及圆砾，局部地段过渡为中砂、砾砂等。

⑤卵石。浅灰色，灰黑色，饱和，多呈中密状。卵石成份主要为强～中化花岗岩、凝灰岩、砂岩、砾岩等组成，多呈次圆、椭球状，粒径多为 2～5 cm，大者达 8 cm 以上。分选性差，级配较好，卵石含量约为63.4 %，局部过渡为圆砾、砾砂。骨架间隙主要由黏性土及砂土充填，无胶结。

⑥全风化花岗岩。灰黄色，岩芯呈散体状，组织结构已完全破坏，长石等矿物已风化成砂土状，岩芯遇水易软化、崩解，属极软岩，岩体完整性程度为极破碎，岩体基本质量等级为 V 级，力学强度较高。

⑦砂土状强风化花岗岩。灰黄、灰白、褐黄色，风化裂隙发育，岩体极破碎，呈散体状结构，岩芯呈砂土状，手捏易碎，成份主要由石英、风化长石、云母组成，其中部分长石已高岭土化，属极软岩，岩体基本质量等级为 V 级，力学强度较高，压缩性低，但如遭受长时间泡水作用，也会较快软化，崩解而导致强度降低。

⑧碎块状强风化花岗岩。灰黄色，结构已大部分破坏，岩芯呈碎块状，用手不易捏碎，锤击易碎，钻进过程有拔钻声，成份主要为石英、风化长石、云母。属软岩，岩体极破碎，岩体基本质量等级为V级。岩芯采取率＞65 %，RQD=0。岩石的点荷载抗压强度标准值为8.55 MPa。

桩周岩土层计算参数如表 1 所示。

3.2 检测方案分析

荷载箱设计极限出力为 14 000kN×2，并设计在特殊情况可提供 20 % 的额外出力。为发挥桩底扩大头的完全效果，考虑 45°扩散角［4-5］将荷载箱布置在桩底上方 0.7 m 处。当采用桩底后注浆工艺时，计算取桩侧增强系数为 1.5，桩端增强系数为 2.0，侧摩阻力修正系数取 0.80，荷载箱上部极限承载力约 12 800 kN，荷载箱下部极限承载力约 17 000 kN。可见在注浆效果良好的情况下，平衡点上段的承载力小于平衡点下段的承载力。为保证试验的正常进行，需在桩顶施加额外的荷载。考虑到荷载箱上部桩身自重约 1 700 kN，且注浆效果一般难以达到理论值，本次试验预留双倍的储备荷载，预留上部配载的计算公式见式（2）：

表1 桩周土层计算参数

式中：W′为预留上部配载的重量，kN。

3.3 试验过程

待桩端注浆完成 20 d 后，首先对试桩进行超声波检测，桩身完整性为Ⅰ类，后进行自平衡法静载测试。为了解上段桩身的实际侧摩阻力，前期加荷过程中垫箱上方千斤顶未顶起，桩顶配载处于空载状态。荷载箱加荷方式为慢速维持荷载法，试桩的每级荷载增量均为 2 800 kN，试验荷载加至 25 200 kN 时，试桩的向上及向下位移＜40 mm，但试桩向上位移有明显增大趋势，达到 16.51 mm，超过上一级的两倍，但仍能稳定。为了防止上段桩位移过大而过早终止试验，采用按需一次性加载方法，将桩顶垫箱上的千斤顶顶起，在试桩桩顶一次性施加 5 000 kN配载并待位移稳定后施加下一级荷载。试验荷载加至最后一级荷载 28 000 kN 时，试桩的向下位移明显增大，累计位移达到 89.70 mm。卸载后向下位移残余为 62.81 mm。试桩荷载-位移（Q-s）曲线如图 2 所示。

图2 试桩荷载-位移（Q-s）曲线

3.4 结果分析

根据检测过程和结果分析，试桩在荷载 25 200 kN时，即单向荷载 12 600 k N，位移虽超过前级荷载的 2 倍，但仍未达到破坏标准，置信本级荷载为上段桩的实测极限承载力。在施加下一级荷载后，本级位移为1.80 mm，相较于前一级位移 16.51 mm 明显降低。可见在施加桩顶配载后，试桩向上位移趋势得到了控制。

加载至 28 000 kN 时，试桩向下位移迅速增大，当级达到 57.0 mm，虽能稳压，但根据规范已达到前一级荷载下位移的 5 倍，且总位移超过 0.05 D=70 mm，Q-s曲线出现陡降，故取前一级荷载 12 600 kN 为下段桩的极限承载力。

根据规范，采用下式计算自平衡法单桩极限承载力，见式（3）：

式中：Qu为试桩的单桩竖向抗压极限承载力，kN；Quu为试桩上段桩的极限加载值，kN；Qud为试桩下段桩的极限加载值，kN；W为荷载箱上段桩的自重与附加重量之和，本工程仅取桩顶配载加荷前的桩自重，kN；γ1为试桩的向下、向上摩阻力转换系数，本工程取 0.85。

根据试桩结果，单桩极限承载力为 25 423 kN，无法满足设计要求的 28 000 kN。为保证工程桩的安全使用，设计将该类桩基承载力降至 22 000 kN 使用，后续工程桩自平衡静载试验均能满足该要求。

结合地勘资料和施工记录分析原因，结合超声波检测完整性结果，排除因为桩身破坏导致承载力不足的原因，综合判断桩底后注浆对桩侧增强段的加固效果符合预期，而桩端后注浆增强效果未能达到理想状态，桩底持力层在极限荷载作用下发生破坏，导致试验桩不符合设计要求。

本次试验采用的桩顶配载加荷方法和实施时间的选择较为合理，有效地保证了试验过程的顺利进行并获得了准确的数据，为试验结果的分析和设计参数的修正提供了有效的依据。

4 结语

1）结合工程实例描述了福建某工程中自平衡法的过程，并结合桩顶配载加荷方式分析试桩的性能，为规范中具有桩顶配载的自平衡法加荷方式提出补充并为类似工程提供借鉴。

2）桩顶配载作为自平衡法静载试验的补充，扩展了自平衡法的应用范围。根据工况的不同调整桩顶配载加荷方式，能更好地适应不同工况下的自平衡法应用。

3）在理想情况下，后注浆对桩身承载力的提高可达到规范推荐的加固效果。但也应注意到受施工工艺和施工质量的影响，其提升效果的离散型较大。