自平衡检测法在工程中的应用现状及发展趋势

杨桃 罗正东 李雨

随着大型建筑工程的快速发展，上部结构对基桩承载力的要求迅速提高，如何快速准确的确定基桩承载力已成为当下检测工程领域面临的关键问题。

目前，按检测方式分类，基桩承载力检测主要可分为静载试验法、高应变法及钻芯法，静载试验法又包括堆载法、自平衡法等。堆载法对检测场地有一定需求且检测时间较长;高应变法虽然检测速度较快，不受场地限制，但影响检测结果的因素较多，检测结果不够准确;而钻芯法属于破坏性试验，当基桩承载力检测完成后，试桩桩身结构会遭到破坏。

自平衡检测法不需笨重的反力装置、对检测场地没有任何要求、试桩检测完后能继续作为工程桩使用，且检测速度快，准确度高，本文对自平衡检测法的应用现状及未来发展趋势进行了总结和分析，为后续自平衡检测法的应用与发展提供借鉴和参考。

1自平衡法检测原理

自平衡检测法所使用的检测仪器主要包括预埋在桩身平衡点处的荷载箱，为荷载箱提供压力的高压泵及量测桩身位移的基准梁。在制作桩身时，将荷载箱预埋在桩身平衡点处，待桩身混凝土达到检测要求后，高压油泵向荷载箱加压，荷载箱使桩身在平衡点处断裂分离成上段桩与下段桩，并使上段桩、下段桩发生位移，通过分析荷载箱提供的压力与两段桩身发生的位移间的关系获得基桩承载力。

2自平衡检测法研究进展

2.1荷载箱

荷载箱是自平衡检测试验中的关键设备，20世纪80年代中期Osterberg根据日本学者用桩侧阻力作为桩端阻力的反力测试桩承载力原理，提出了O-cell荷载试验法，并研制出O-Cell荷载箱;1996年东南大学在国内开始推广应用自平衡检测法，并基于O-Cell荷载箱特制出O-Cell压力盒。随着自平衡检测技术在我国的迅速推广，杭州欧感科技有限公司推出组合式荷载箱、环型荷载箱等一系列设备;北京智机科技有限公司改变传统压力式单元结构，以囊式压力单元为基本力学原件，推出了囊式荷载箱系列，能避免沉渣堆积，杜绝大段空桩出现。

2.2平衡点位置

平衡点即桩身某点处，上段桩桩身自重与上段桩负摩阻力之和等于下段桩桩端阻力及下段桩摩阻力之和的点，在理论上平衡点的位置是唯一确定的，平衡点的选择直接影响到基桩承载力检测结果的准确性。目前常用的平衡点确认方法主要分为规范经验值法、相似模拟实验法、数值模拟法。经验法是基于大量的试桩结果以及桩周土层的理化性质进行数据分析，获得基桩承载力与桩周土层理化性质之间的经验关系，然后确定平衡点的位置。经验法因计算简单得到了广泛应用，但局限性在于缺乏有效理论支撑，且每根试桩检测环境都具有独特性，因此导致平衡点取值误差较大。相比之下，相似模拟实验法所获得的平衡点位置更为准确，它能对桩周环境进行相似模拟，但该方法实验条件严格，周期长，费用高，多应用在大型桩基工程检测之中;数值模拟法是利用有限元分析软件对桩及桩周环境进行模拟，通过试验分析桩身平衡点位置，但该方法获取的平衡点准确性依赖于建模用的实际工程土层及试桩参数。

2.3基桩承载力确定方法

自平衡法检测试验中，基桩承载力计算包括简化计算法以及精确转化法。简化计算法根据计算理论的不同又分为分段总和法以及等值位移插值法。分段总和法与等值位移差值法的计算公式均为Q=K（Qu-W）+QA，其中Qu为上段桩极限承载力，W为上段桩身自重，QA为下段桩极限承载力;两者不同之处在于等值位移差值法是假定上段桩身不可压缩。简化计算法主要通过转换系数来获得基桩承载力，转换系数的选取具有普适性，其精确度存在很大偏差，王伯惠结合相关规范对修正系数K的选取进行了理论计算，并提出了自平衡点位置计算公式。谭现江考虑桩周和桩底土体的附加应力，对传统简化计算法进行了优化改进，使简化计算法在大变形桩基沉降计算中更为准确。相比较于简化计算法，精确转化法是基于荷载传递解析方法，根据桩周土实际土层的τ～s曲线及荷载箱处下的Q～S曲线，结合位移协调法逐步推导出整桩桩顶的Q～S曲线，然后计算获得基桩承载力，精确转化法理论严谨合理，能够适用所有的自平衡法基桩检测，并且计算精确度高。

3自平衡检测法应用进展

自20世纪80年代日美等国开始应用自平衡检测法以来，自平衡检测法凭借检测速度快，难度低，精确性高等优势而得到迅速推广。1993年，李广信教授将该方法引入国内，1996年东南大学开始进行现场应用推广，并于1999年联合制定了第一部关于自平衡检测法的地方标准《桩承载力自平衡测试技术规章》（DB32/T291-1999）。自此，自平衡检测法在我国进入了快速发展期。对于大直径超长桩，东南大学创新性使用了双荷载箱，龚成中对双荷载箱检测基桩承载力的原理及工程应用进行了详细总结，为自平衡检测法的推广与应用提供了非常有价值的参考，高鲁超将FBG传感器用于自平衡检测法，通过分析桩身轴力和桩侧摩阻力传递规律的差异性，剔除温度变化和混凝土膨胀产生的预应力对检测结果的影响，进一步提高了自平衡检测精度。

4自平衡检测法的发展趋势

自平衡检测法装置简单，不受场地限制，而且试验时间短，价格低，试桩检测完后仍可作为工程桩使用，相比于传统的静载试验，其优势极其明显。但自平衡法检测法的理想条件是桩身质量均匀，荷载箱位于桩身平衡点处，但目前平衡点的选定方法任存仔很多不足，这也造成了自平衡检测法的理想条件在工程中难以实现并且很难逼近，而且荷载箱所检测的桩周阻力为负摩阻力，这和实际工况存在一定的差异，虽然通过转化系数可进行调整，但实际计算所得的基桩承载力偏小。为提高自平衡检测法的精度，其研究发展应主要集中在平衡点位置的确定以及承载力计算方法上。

另外，自平衡检测法主要应用于灌注桩的检测，在其他类型的基桩检测中应用较少，随着我国基础设施建设投入的不断加大，高层及超高层建筑、跨海大桥等对基桩承载力要求高的建筑不断涌现，基桩也朝着大直径，长桩身发展，而且基桩类别也极其繁多，这加大了基桩承载力检测的难度，如何将自平衡检测法应用在不同类型工程及基桩中，提高自平衡检测法的普适性，这需要亟待集中力量进行研究攻关。

5结语

自平衡检测法自发明并投入使用以来，凭借不受场地限制，不需要笨重的反力结构以及不会对试桩造成破坏等独特优势在工程中迅速推广。但尽管自平衡检测法对基桩的检测优势明显，目前仍存在许多不足和需要完善的地方，例如平衡点位置選取不够准确、承载力计算理论还不够完善、以及适用的桩基类型不够广泛等。随着我国工程数量与规模的不断增大，超长桩、大直径桩等大型复杂地质环境桩基工程愈发常见，自平衡检测法将会有更为广阔的发展空间及应用前景。

作者简介

杨桃，男，汉族，工程师，学士，主要从事建筑工程检测工作。