自平衡法在某工程中的应用

郝志鹏

1 概述

随着高层建筑及桥梁工程建设的增多，桩基础的应用量随之增大。不管采用哪一种桩基础，规范规定必须做一定数量的桩基载荷试验，以确定单桩极限承载力。传统的桩基载荷试验方法有两种:1)堆载法;2)锚桩法。对于堆载法，必须解决几百吨甚至上千吨的荷载堆放及运输问题，对于锚桩法，必须设置多根锚桩及反力大梁，所需费用昂贵。这两种方法都有场地要求，检测时间较长，都需要吊装机械进行吊装，具有一定的危险性，同时单桩承载力越高，试桩困难越大。

美国于20世纪80年代中期开展了桩承载力自平衡试验方法的研究，近几年欧洲及日本、加拿大等国也广泛使用该法。在我国，东南大学土木工程学院与江苏省建设厅、南京市建筑质监站于1996年开始实用性应用，并于1999年制定了相应规程，并获两项国家专利。目前该法在江苏省广泛应用，在河南、浙江、云南、安徽、上海、福建、辽宁、贵州等省也已开始使用。该测试方法有以下几个特点:

1)装置较简单，不占用场地，不需运入数百吨或数千吨物料，不需构筑笨重的反力架，试桩准备工作省时、省力、安全;

2)该法利用桩的侧阻与端阻互为反力，因而可清楚的分出侧阻力与端阻力分布和各自的荷载—位移曲线;

3)试验费用省，尽管荷载箱为一次性投入器件，但与传统方法相比可节省试验总费用的30%～70%，具体比例视桩吨位与地质条件而定;

4)试验后试桩仍可作为工程桩使用，必要时可利用预埋管对荷载箱进行压力灌浆;

5)在下列情况下或当设置传统的堆载平台或锚桩反力架特别困难或特别昂贵时，该法更显示其优势，例如:水上试桩，坡场试桩，基坑底试桩，狭窄场地试桩，斜桩，嵌岩桩，抗拔桩等，这些都是传统试桩法难以做到的。

2 测试原理

自平衡测桩法是在桩尖附近安设荷载箱，沿垂直方向加载，即可同时测得荷载箱上、下部各自承载力。

自平衡测桩法的主要装置是一种经特别设计可用于加载的荷载箱。它主要由活塞、顶盖、底盖及箱壁四部分组成。顶、底盖的外径略小于桩的外径，在顶、底盖上布置位移棒。将荷载箱与钢筋笼焊接成一体放入桩体后，即可浇捣混凝土成桩。

试验时，在地面上通过油泵加压，随着压力增加，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，图1为试验示意图。由于加载装置简单，多根桩可同时进行测试。利用合适的测桩软件，可同时对多根桩测试数据进行处理。

荷载箱中的压力可用压力表测得，荷载箱的向上、向下位移可用位移传感器测得。因此，可根据读数绘出相应的“向上的力与位移图”及“向下的力与位移图”(见图1，图2)，根据两条Q—s曲线及相应的s—logt，s—logQ曲线，可分别求得荷载箱上段桩及下段桩的极限承载力，将上段桩极限承载力经一定处理后与下段桩极限承载力相加即为桩极限承载力。

3 工程概况

冀东海天水泥闻喜有限责任公司4500 t/d熟料水泥生产线基础采用灌注桩基础，桩型为干作业成孔灌注桩(摩擦端承桩)，成孔工艺为人工挖孔。桩径800mm～1300mm，桩长不等，原设计最长45 m。本次试验概况见表1。

表1 工程概况表

根据岩土工程勘察详勘报告，场地地貌单元属轻微切割黄土丘陵区。场地土层的桩侧极限阻力和桩端极限阻力见表2。

表2 钻孔灌注桩桩侧极限阻力及桩端极限端阻力表(勘察报告)

对于该项目桩径大和桩长长，不仅施工难度大，工期长，而且成本高，造成不必要的浪费。为了充分发挥土阻力，为桩基优化设计提供参考依据。针对该工程要求荷载大，试验最后破坏荷载21600 kN，需要2500 t以上的配重，不仅配重不容易找和运输成本高，而且场地有限，组装困难，安全隐患多。针对这些因素，我们采用了东南大学的桩自平衡法测试方法，同时配合使用滑动测微计。

4 试验结果的整理与分析

试验加载情况:试验采用慢速维持法，即逐级加载，每级荷载达到相对稳定后方可加下一级荷载，直到试桩破坏，然后分级卸载到零。

以3号试桩为例，每级加载为预估最大加载量的1/10，即1800 kN，第一级按2倍分级荷载加荷，即3600 kN。具体分级见表3。

表3 具体分级 kN

每级加载后在第1小时内应在5min，15min，30min，45min，60min测读一次，以后每隔30min测读一次。电子位移传感器连接到电脑，直接由电脑控制测读，同时在电脑屏幕上显示Q—s曲线、s—lgt曲线和s—lgQ曲线。

3号试桩在加载到第10级预估极限加载值2×9000 kN，未达到破坏，在加载荷载到2×10800 kN，上位移19.06mm，下位移达到44.22mm且不能稳定，故终止加载，进行卸载;根据加载曲线，按规范取上一级荷载(2×9900 kN，下位移31.6mm)为极限值。

表4 计算结果

同时根据滑动测微计测管实测应变曲线，计算轴向力、极限侧阻力、极限端阻力，其结果见表4。

通过本次的检测，为建设单位提供了现有桩长及地层条件下试桩的单桩极限承载力和桩长范围内土层的极限侧摩阻力和极限端阻力值，比原地质报告上提供的数据有极大的提高，为后期桩基设计与施工的优化提供了可靠的参数，节约了成本，缩短了工期。

据建设单位负责人测算，单此项为该公司节省建设成本300多万元，受到建设单位的一致好评。

［1］DB32/T 291-99，桩承载力自平衡测试技术规程［S］.

［2］贾永红.浅论人工挖孔桩基础的检测与验收［J］.山西建筑，2010，36(10):79-80.