铁路站房基桩静载试验与高应变法的对比应用

邹魁

（湖南中大设计院有限公司，湖南长沙 410075）

0.引言

基桩检测工作中，对于桩基承载力的要求是重中之重[1-3]，目前常用的基桩承载力检测方法有静载试验及高应变法。不同的检测方法具有不同的适用性：静载试验的载荷结果更直观，试验数据也准确，是目前获得桩基承载力的直接方法，但是费时费力。高应变法计算简单，速度快，可提供的参数多，可进行实时分析承载力及桩身完整性判别。

本文介绍了静载试验及高应变法的检测原理，并结合绍兴城际铁路二期工程迪荡站项目中桩基承载力检测结果，对比分析2种检测方法的异同，有利于提高桩基检测质量的准确度，并为类似工程提供参考。

1.静载试验及高应变法检测原理

1.1 静载试验检测原理

现场进行单桩竖向抗压静载荷试验，是指在桩基上逐级或者循环施加竖向压力，观测桩基或地基基础顶部随时间产生的沉降以确定相应的桩基竖向抗压承载力试验方法[4]，竖向荷载作用下，桩顶荷载由桩侧阻力和桩端阻力承担。桩侧阻力的发挥与相对于桩侧土的桩身位移有关。桩端阻力的发挥与桩底持力层有关。受荷时，桩身上部侧阻力先发挥，然后是下部侧阻力和端阻力发挥。侧阻力先达到极限，端阻力后达到极限。在达到极限值后继续增加的荷载则全部由桩底持力层承担。随着桩端持力层的压缩和塑性挤出，桩顶位移增长速度加大，在桩端阻力达到极限值后位移迅速增大而破坏，此时桩所承受的荷载就是桩的极限承载力。

单桩竖向抗压静载试验检测系统主要由加载反力系统、荷载测试系统、位移测试系统、仪器控制采集系统4个部分组成。各组成部分见图1～图6。

图1 千斤顶

图2 油泵

图3 反力装置

图4 位移计

图5 压力传感器

图6 测试仪器

1.2 高应变法检测原理

高应变法的基本原理[5]是：利用重锤冲击桩顶，使桩-土产生足够的相对位移，以充分激发桩周土阻力和桩端支承力，通过安装在桩顶以下桩身两侧的力和加速度传感器接收桩的应力波信号，利用应力波理论分析处理力和速度时程曲线判定桩的承载力和评价桩身质量完整性。现场工作示意图如图7～图9所示。

图7 高应变法现场试验

图8 位移计及应变环

图9 高应变现场测试示意图

2.静载试验及高应变法适用范围及存在的问题

2.1 静载试验适用范围及存在的问题

以单桩竖向抗压静载荷试验为例。该试验前期准备工作中，需要进行反力装置的堆载，一般反力装置选择混凝土试块。但当混凝土试块放在压重平台上时，由于混凝土材料性能和堆载场地的影响，其重心往往不稳定，容易造成堆载偏载，进而影响试验数据。且其加载试验通常采用慢速加载法周期长，若试验过程中出现桩周土体下沉的情况，往往会造成千斤顶超载或反力装置重心不稳，进而影响试验数据的准确性。

2.2 高应变法适用范围及存在的问题

高应变法目前主要是Case法和波动方程拟合法判定桩承载力。

Case法有一定的局限性，即：（1）假设条件苛刻且桩土模型理想化，与工程桩实际差别较大，计算结果的可靠性降低。（2）Case法阻尼系数Jc为地区性经验系数，物理意义不明确，取值的人为因素较多，需要通过动、静对比试验来确定。（3）桩身阻抗有较大变化时，Case法无法考虑，严重影响计算结果。（4）Case法不能将桩侧摩阻力与桩端承力分开，且不能得到桩侧摩阻力分布。因而，高应变Case法适用条件为：（1）只限于中、小直径桩。（2）桩身材质、截面应基本均匀。（3）阻尼系数Jc宜根据同条件下静载试验结果校核，或应在已取得相近条件下可靠性对比资料后采用实测曲线拟合法确定Jc值。（4）在同一场地、地质条件相近和桩型及其截面积相同情况下，Jc值的极差不宜大于平均值的30%。且当桩身结构破坏，检测桩基为嵌岩桩时高应变法不适用于检测其承载力，且要忽略时间效应、土的蠕变、砂土的液化过程对桩基承载力的影响。

波动方程拟合法，即通过使重锤从一定的高度冲击桩顶，从而产生沿桩身向下传播的应力波，且桩、土产生相对位移。通过安装在桩身的加速度计和应变计，采集检测截面的Fm（t）及V（t）曲线，进而建立桩、土模型，通过拟合即可得到单桩承载力。但该方法需要得到前期准确的地勘资料，且对安装的传感器精度要求较高，需要准确采集到桩、土阻抗信息。

因此，其承载力精度较静载试验偏低。但高应变法测试时间较短，且测试速度快，应用应力波理论分析处理力和速度时程曲线判定承载力和评价桩身完整性，可与静载试验结果相佐证。

3.工程实例分析

绍兴城际铁路二期工程迪荡站项目中，地道主体结构基底采用高压旋喷桩加固。开展了现场试验，对同一根桩进行了单桩竖向抗压静载荷试验与高应变法检测。桩P3-3设计桩长37.5m，设计桩径0.6m，混凝土强度等级为C35，桩基承载力特征值为1000kN。

3.1 静载试验及结果

根据桩P3-3的单桩竖向抗压静载试验Q-S曲线图可知，在最大加载量2000kN时，该桩的桩顶最大沉降量为9.24mm，Q-S曲线呈缓变型；卸载完全完成时，最大回弹量为2.22mm，回弹率为24.03%。依据《建筑基桩检测技术规范》（JGJ106-2014）可知，判定该试验点单桩承载力特征值为1000kN，满足设计要求。现场试验曲线图如图10和图11所示。

图10 Q-S曲线

图11 s-lgt曲线

3.2 高应变法及结果

打开拟合软件，通过鼠标将竖线分别置于桩头和桩底，右键确定桩头和桩底位置，人工计算现场参数的桩周长，并按照地勘资料信息分别输入桩侧土阻力和桩端土阻力参数，然后自动拟合，得到拟合的承载力结果，检测结果见图12～图15。

从分析结果可以看出，高应变法检测时，单桩最大沉降量为9.86mm，最大回弹量2.46mm，回弹率24.95%，桩身计算总阻力为2188kN，且根据图12～图15可看出，桩身完整性较好。依据《建筑基桩检测技术规范》（JGJ106-2014）可知，判定该试验点单桩承载力特征值为1000kN，桩身完整，满足设计要求。

图12 实测力及实测速度曲线

图13 实测速度及计算速度曲线

图14 模拟Q-S曲线

图15 摩阻力分布及荷载传递曲线

3.3 结果分析

通过对比分析静载试验法和高应变法的分析结果可知：

（1）发现桩P3-3桩基单桩竖向承载力满足设计要求，桩身完整。

（2）单桩竖向承载力值，相较于静载试验法，高应变法所测结果较高，为使检测结果偏保守，可优先参考静载试验法检测结果。

（3）高应变法还能较好地分析桩身完整性。

4.结论

静载试验和高应变法均能较好地测出桩身承载力。相较于高应变法，静载试验的载荷结果更直观，相较于静载试验，高应变法还能进一步判别桩基的完整性。实际工程中，可根据检测要求合理选用测试方法，对比分析结果，提高检测结果准确度。