浅析自平衡法静载试验在基桩检测中的应用

周喜东

中铁津桥工程检测有限公司 吉林 长春 130031

1 自平衡静载试验原理

基桩自平衡静载试验，是利用桩身自重、桩侧阻力及桩端阻力相互提供反力的试验方法。其主要装置是一种特制的荷载箱（见图1)，它与钢筋笼连接并安置于桩身平衡点处，将荷载箱的加压管、位移杆和护管从桩体引到地面，浇灌混凝土成桩。试验时，由加压泵在地面通过预先埋设的加压管，对荷载箱加载，使得荷载箱产生向上、向下两个方向的力与位移，力传递到桩身，荷载箱处的位移通过位移杆传递到地面上的位移测量装置，由此可同时测得上段桩、下段桩各自的极限承载力，将上段桩的极限承载力经过计算后与下段桩的极限承载力相加，可得出桩的极限承载力。

图1 荷载箱及荷载箱工作原理

自平衡测试中最为重要的环节是如何确定荷载箱的埋设位置（平衡点）[1]。目前，平衡点主要根据试桩处的地质条件及各土层的极限侧摩阻力来确定，即上段桩桩身自重+极限桩侧摩阻力与下段桩极限侧摩阻力+下段桩极限端阻力基本相等的位置（地下水位较高应考虑浮重）。

2 工程实例

2.1 工程概况

本工程地铁项目车站为地下岛式车站，车站全长238.7m，车站主体覆土高度3.2m-4.8m左右。其中现浇段位于车站两端，总长度为56.1m，现浇段车站主体宽度19.9m-23.1m。局部盖挖段位于十字交叉路口位置，盖挖段长度为23.6m，盖挖段车站主体宽度19.9m。预制装配段位于车站中部，总长度为158m。预制装配段车站主体宽度为20.5m，高度为17.45m，环宽2m，沿车站纵向共布置79环。其中标准环为71环，附属环为8环。车站附属部分包括4个出入口，2组风亭及1个消防专用出入口，消防专用出入口与1号风亭合建，附属结构均采用明挖法施工。盖挖底板下设置3根φ800钢管柱作为盖板支撑柱，柱下基础桩为φ2000钻孔灌注桩，钢管柱长度17.41m，插入柱下桩4.0m，基础桩长度22.0m。

单桩竖向抗压静载试验通常采用堆载或反力桩提供支座反力，一般等基坑土方开挖至桩顶设计标高后，方可进行试验检测工作。对于本工程地铁项目的试验桩而言，一是周围建筑环绕、紧邻交通干道，基坑开挖困难，存在安全隐患、影响施工进度；二是试验要求吨位较大，需大量的配重，由于施工场地狭窄，不满足配重的运输、吊装及现场检测要求，安全性也得不到保障；三是试验检测成本较高。经参建各方综合分析，决定对本次检测的2根试验桩，采用自平衡法静载试验进行检测，确定单桩竖向抗压极限承载力，验证受检桩的单桩竖向抗压极限承载力是否满足设计要求。

2.2 试验桩情况说明

试验桩为柱下基础桩，无需施做钢管柱，柱下基础桩至地表部分均为空桩，空桩深度18.9m，空桩部分回填中粗砂。荷载箱设计最大加载能力为2×18400kN，根据工程地质勘察资料及试验桩参数，确定荷载箱埋设在距桩底4.5m处。试验桩相关设计情况及荷载箱参数（见表1、表2）。

表1 试验桩情况统计表

表2 荷载箱参数表

2.3 试验桩施工流程

荷载箱导流体预浇注混凝土→荷载箱与钢筋笼焊接→油管及位移检测管线布置→清孔→下钢筋笼→桩头管线保护→浇筑混凝土。

2.4 主要仪器和设备

加载设备：由荷载箱、加载水泵、高压油管、压力传感器组成。

位移测量装置：选用位移传感器，量程50mm（可调），每桩6只（2只测量桩身荷载箱处的向上位移，2只测量桩身荷载箱处的向下位移，2只测量桩顶位移），通过磁性表座架设在基准梁上。

数据采集仪：应具有数据自动采集、记录和实时上传功能。

2.5 现场检测

2.5.1 加、卸载方式

自平衡静载试验应采用慢速维持荷载法。加载应分级进行，逐级等量加载，试验桩最大试验荷载取2×17400kN，加载分级为10级，第一级加载量取分级荷载的2倍，为2×3480kN，此后按2×1740kN逐级加载；卸载分5级，按2×3480kN逐级卸载至零。

加、卸载时，应使荷载传递均匀、连续、无冲击，且每级荷载在维持过程中的变化幅度不得超过分级荷载的±10%。

2.5.2 位移观测

（1）加载：每级荷载施加后，分别按第5min、15min、30min、45min、60min测读位移，以后每隔30min测读一次位移。当位移变化速率达到相对稳定标准时，再施加下一级荷载。

（2）卸载：每级荷载维持1h，分别按第15min、30min、60min测读位移量后，即可卸下一级荷载；卸载至零后，应测读残余位移，维持时间不得小于3h，测读时间分别为第15min、30min，以后每隔30min测读一次残余位移量。

（3）位移相对稳定标准：从分级荷载施加后的第30min开始，按1.5h连续三次每30min的位移观测值计算，每小时内的位移增量不超过0.1mm，并连续出现两次[2]。

2.6 试验结果计算及分析

以LZZ1-1#试验桩为例，加载至最大试验荷载17400kN时，上、下段桩的Q-s曲线呈缓变型，s-lgt曲线呈平直型，尾部无明显下弯，已达到设计要求最大加载值且荷载箱上段或下段位移达到相对稳定标准，终止加载。取当前荷载17400kN为极限加载值。

上段桩累计位移为1.95mm，卸载后剩余位移为1.08mm，回弹率为44.62%；下段桩累计位移为3.06mm，卸载后剩余位移为2.20mm，回弹率为28.10%。

经计算得出，LZZ1-1#试验桩单桩竖向抗压极限承载力为35818kN，满足设计要求。

自平衡静载试验Q-s曲线、-lgt曲线（见图2)

图2 自平衡静载试验曲线（Q-s曲线、s-lgt曲线）

3 自平衡静载试验与静载试验实例数据成果比对

某工程3根试验桩需进行单桩竖向抗压极限承载力检测，SZ-2#采用堆载法静载试验；SZ-1#、SZ-3#采用自平衡法静载试验，设计参数及试验成果（见表3)，自平衡法静载试验Q-s曲线、s-lgt曲线（见图3)

表3 试验桩情况统计表

3.1 试验结果分析

SZ-2#：加载至最大试验荷载23000kN，达到设计要求的最大加载量，且位移达到相对稳定标准，终止试验。总沉降量13mm。单桩竖向抗压承载力满足设计要求。

SZ-1#：最大试验荷载加载至12650kN，荷载已达荷载箱极限荷载，终止试验。取本级荷载12650kN为极限加载值。沉降量：上位移3.73mm；下位移4.29mm。经计算分析，单桩竖向抗压极限承载力为25833kN，满足设计要求。

SZ-1# 自平衡法静载试验

SZ-3#：最大试验荷载加载至12650kN，荷载已达荷载箱极限荷载，终止试验。取本级荷载12650kN为极限加载值。沉降量：上位移5.71mm；下位移5.51mm。经计算分析，单桩竖向抗压极限承载力为25833kN，满足设计要求。

SZ-3# 自平衡法静载试验

4 基桩承载力自平衡法与传统静载试验相比具有的优、缺点

5 结束语

通过对试验桩的检测和试验分析，采用自平衡法静载试验进行对基桩承载力检测的方法更安全、省时、省力。该检测方法结果比较准确，安全系数又高，而且不受场地条件的限制，可以满足工程上的需要，对加强桩基工程质量管理起重要作用。