自平衡法在灌注樁承載力檢測中的應用及其有關(guān)問題

李順利

（首鋼地質(zhì)勘查院北京金地通檢測技術(shù)中心，北京 100144）

0 引言

近年來，我國的快速鐵路、高速公路和各類基礎(chǔ)性建設(shè)項目大量實施，這些項目中的大孔徑基礎(chǔ)灌注樁的數(shù)量很多，灌注樁樁體的承載力較高。在施工過程中要對樁基的承載力進行實地檢測，但施工現(xiàn)場通常處于自然條件很差、運輸條件極為不便、檢測場地十分有限的環(huán)境中，若采用傳統(tǒng)的堆載配重法或錨樁法進行檢測，會遇到檢測場地缺乏和檢測費用極高的問題。上世紀80年代以來，一種灌注樁單樁豎向抗壓靜載荷試驗的新方法——自平衡法應運而生，并在90年代中期引入我國，在大孔徑灌注樁承載力檢測中得到廣泛的應用。自平衡法測試樁在應用中顯示出許多優(yōu)勢，主要的特點為：①裝置簡單，占用場地少，減少了大量物料的運輸和大型反力架的構(gòu)筑，省時、省力、安全；②節(jié)省試驗費用，盡管荷載箱為一次性投入器件，但與傳統(tǒng)方法相比試驗總費用可節(jié)省30%～70%；③測試樁在檢測后仍可作為工程樁使用；④自平衡法還可以用于抗拔樁的試驗。

1 自平衡測試樁法

1.1 原理

自平衡測試樁法是模擬縱向抗壓（抗拔）樁的實際工作環(huán)境的一種樁基試驗方法，試驗中將特制的荷載箱（一種加載裝置）安放在樁體的預定位置，并把與荷載箱連接的高壓油管、位移桿引出地面；試驗中，通過地面（平臺）的高壓油泵向荷載箱內(nèi)注油加載，荷載箱加載后將力傳導至樁體，使荷載箱上部樁體的極限側(cè)摩阻力與荷載箱下部樁體的極限側(cè)摩阻力達到平衡，在此平衡狀態(tài)下完成加載過程，并獲得樁體的極限承載力數(shù)據(jù)（圖1）。

自平衡試驗裝置的核心是荷載箱，它主要由活塞（多個特制千斤頂）、頂蓋（承壓板）、底蓋（承壓板）及箱壁4部分組成。頂、底蓋的外徑略小于樁的外徑，在頂、底蓋上布設(shè)位移桿。將荷載箱與鋼筋籠焊接成一體，放入鉆孔內(nèi)的指定位置，即可澆注混凝土成樁。試驗時，在地面上通過油泵向荷載箱內(nèi)千斤頂加壓，隨著壓力的增加，荷載箱的頂、底蓋將同時向上、向下發(fā)生變位，促使樁側(cè)阻力及樁端阻力的發(fā)揮。荷載箱中的壓力可用壓力傳感器測得，荷載箱向上、向下的位移可由位移傳感器記錄。地面記錄采集器依據(jù)實測數(shù)據(jù)繪出向上的和向下的力，以及相應的位移曲線，根據(jù)Q—s曲線、s—lg t曲線和s—lg Q曲線，可分別求得荷載箱上段樁及下段樁的極限承載力，將上段樁極限承載力經(jīng)一定處理后與下段樁極限承載力相加即為試驗樁的極限承載力。

圖1 自平衡試樁法測試示意圖Fig.1 Sketch of the self－balanced method

1.2 試驗要求

1.2.1 編制檢測方案

收集資料，編寫檢測方案。方案中包括的內(nèi)容：①工程概況、地質(zhì)條件、試驗要求及依據(jù)；②特制荷載箱的最大加載值及放置位置；③測試樁的施工要求；④安全措施和質(zhì)量保證體系；⑤試驗周期和進度。

1.2.2 試樁位置及加載值

（1）試樁位置應符合設(shè)計要求。無設(shè)計參考時，宜選擇在有代表性地質(zhì)情況的部位，并盡量靠近鉆探孔或靜力觸探孔，其間距不宜超過5m。

（2）為設(shè)計提供依據(jù)的測試樁應加載至破壞。最大雙向加載值可取按工程地質(zhì)巖土勘察報告計算的單樁極限承載力的1.2～1.5倍。

（3）對工程質(zhì)量驗收檢測時，最大雙向加載值不應小于設(shè)計要求的單樁極限承載力。

1.3 試驗設(shè)備

（1）荷載箱。依照試驗荷載的要求制作環(huán)形荷載箱，高度約為400mm，最大加載值要滿足設(shè)計要求（圖2）。組成荷載箱的千斤頂應經(jīng)法定檢測單位的校準，荷載箱出廠前應試壓，試壓值不得小于最大加載值，且應維持2h以上。荷載箱的埋設(shè)位置與連接：①極限樁端阻力小于樁極限側(cè)摩阻力時，荷載箱放置在平衡點處，使上、下段樁的極限承載力基本相等；②極限樁端阻力大于樁極限側(cè)摩阻力時，荷載箱放置在樁端處，并在樁頂提供適量配重；③測試樁為抗拔樁時，荷載箱直接置于樁端處；④荷載箱應平放于樁的中心，荷載箱的上下承壓板分別與鋼筋籠的鋼筋焊接（圖3）。

（2）高壓油泵。要先經(jīng)計量部門檢定或校準后再投入使用。

（3）位移傳感器測量裝置。①位移桿：把荷載箱處的位移傳遞到地面（平臺），應具有一定的剛度；②護套管：應與荷載箱頂蓋焊接，且不透漏水泥漿；③基準樁：基準樁與試驗樁之間的中心距離不小于3倍試樁直徑或4m；④位移傳感器：固定在基準鋼梁上，用于量測樁身荷載箱縱向位移。

（4）壓力傳感器：須由計量部門檢定或校準后再使用。

（5）鋼筋計：用于測試樁身內(nèi)力，并由樁身內(nèi)力推算各土層的抗壓或抗拔側(cè)摩阻力；根據(jù)實際條件放置于不同土層的界面處。

（6）采集器：用于自動加荷及記錄試驗數(shù)據(jù)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

1.4.1 單樁極限承載力值的確定

圖2 由多個千斤頂組成的荷載箱Fig.2 Load cell consisting of several lifting jacks

圖3 鋼筋籠與荷載箱的連接Fig.3 Connection of steel reinforcment cage and load cell

（1）對于陡變型的Q－s曲線，取曲線發(fā)生明顯陡變起始點的值作為極限值；對于緩變型的Q－s曲線，按位移值確定極限值，取與向上位移s上＝40～60mm對應的荷載；極限端阻取s下＝40～60mm對應的荷載，大直徑樁則取與s下＝（0.03～0.06）D 對應的荷載（D為樁端直徑；直徑大取低值，直徑小取高值）。

（2）下段樁取s—lg t曲線尾部向下彎曲的前一級荷載值，上段樁取s—lg t曲線尾部向上彎曲的前一級荷載值，分別求出上、下段樁的極限承載力Q上和Q下，然后考慮上部樁的自重W 的影響，得出單樁豎向抗壓極限承載力Pu為

式中，Q上為上段樁的加載極限值（單位：kN）；Q下為下段樁的加載極限值（單位：kN）；W 為荷載箱上部樁的自重（單位：kN）；γ為修正系數(shù)（黏性土和粉土取值0.8，砂土取值0.7，巖石取值1.0；若為不同類型的土層，則取加權(quán)平均值）。

1.4.2 等效轉(zhuǎn)換曲線

將實測獲得的向上和向下的2條Q－s曲線轉(zhuǎn)換為與傳統(tǒng)靜載試驗等效的Q－s曲線（圖4）。

樁身壓縮量Δs公式為

式中，Δs1為受壓樁上段在樁端Q的作用下產(chǎn)生的彈性壓縮變形量；Δs2為受壓樁上段在樁側(cè)摩阻力作用下產(chǎn)生的彈性壓縮變形量。

由實測，Δs1和Δs2分別為

圖4 自平衡法檢測數(shù)據(jù)等效轉(zhuǎn)換示意圖Fig.4 Sketch showing equivalent conversion of data of the self－balance method

式中，L為上段樁身的長度（單位：m）；Ep為樁身的彈性模量（單位：kPa）；Ap為樁身的截面面積（單位：m2）。

因此，樁身壓縮量Δs又可表達為

樁頂?shù)牡刃лd荷為

與樁頂?shù)刃лd荷P對應的樁頂位移s為

2 自平衡法的應用實例

2.1 實例1

東北某地的大橋基礎(chǔ)施工項目。在工程設(shè)計中，大橋的基礎(chǔ)均采用鉆孔灌注樁，主橋墩設(shè)計的單樁極限承載力預設(shè)值為56 000kN。在試驗中，采用自平衡法靜載試驗，試驗樁為3根，極限承載力預高值為2×28 000kN。試驗樁的樁徑為2m，樁長56m，樁端鉆至中等風化程度的泥巖中，樁的頂端極限承載力設(shè)計值為40 000kN。3根試驗樁的荷載箱放置的位置不同，試驗數(shù)據(jù)如表1。

表1顯示，由于1號樁荷載箱的位置與樁底的距離過大，上段樁體的側(cè)摩阻力已達極限，而下段樁體未能達到極限側(cè)摩阻力及樁端阻力，所測到的樁體整體的極限承載力較低，實測值僅為46 844kN，尚未達到設(shè)計的極限承載力（56 000kN）。3號樁的下段樁體側(cè)摩阻力及端阻力的實測樁端承載力值為9 495kN，而上段樁體卻未能達到其極限承載力，樁體的整體承載力也較預設(shè)值有明顯的差距，說明荷載箱的位置距樁端過近。2號樁的實測數(shù)值比較接近設(shè)計的極限承載力，上段樁體已經(jīng)達到極限側(cè)摩阻力，下段樁體實測的樁端承載力為8 533kN，與3號樁的樁端極限承載力比較接近，顯示其極限承載力已達到設(shè)計指標。

表1 自平衡法測試結(jié)果Table 1 Test results of the self－balanced method

表2 自平衡法承載力檢測結(jié)果Table 2 Test results of bearing capacity test of the self－balance method

圖5 自平衡法承載力檢測Q—s曲線和U—δ曲線Fig.5 Q—s and U—δcurves bearing capacity test of the self－balance method

2.2 實例2

石景山金辰生態(tài)源商業(yè)辦公樓地基處理檢測。試驗地點位于建筑基坑中，基坑的深度較大，試驗噸位較大，只能采用自平衡法檢測試驗樁的極限承載力。

工程項目設(shè)計3根試驗樁（樁底擴徑），均采用自平衡法檢測人工挖孔樁的極限承載力。其中，有2根人工挖孔灌注樁的直徑為2m，樁長17m，豎向抗壓極限承載力不小于22 256kN；1根人工挖孔灌注樁的直徑為1m，樁長15m，豎向抗壓極限承載力不小于9 288kN。試驗樁荷載箱上段樁體周圍多為回填的垃圾土，故修正系數(shù)γ值取0.8，試驗結(jié)果見表2，試驗曲線見圖5。

由表2可知，3根試驗樁的荷載箱均放置在樁的底部，盡管最終的試驗結(jié)果滿足了設(shè)計要求，但向下的位移量比向上的位移量大得多，無法達到自平衡法規(guī)程要求的實測向上、向下2條Q－s曲線等效轉(zhuǎn)換為傳統(tǒng)靜載試驗的Q－s曲線。說明自平衡點的選取不盡合理，荷載箱離樁端過近，未考慮樁徑的尺寸變化。分析原因后認為，這種情況下應考慮荷載箱放置在樁未擴徑處以上部位，在樁頂堆放配重來達到使上段樁和下段樁的極限承載力基本相等，以維持荷載。

為確保地基的工程質(zhì)量，應業(yè)主的要求又補做了3根抗壓試驗樁，樁頭均進行加固處理養(yǎng)護（樁帽）。選取的樁體直徑為1.0m，1根樁長為17m，2根樁長均為15m，單樁極限承載力均達到8 348kN。最終的沉降量分別為18.87mm，14.15 mm和18.09m，均比自平衡法轉(zhuǎn)換后的樁頂位移值要小。

3 自平衡法應用中需要注意的問題

（1）盡管自平衡法試驗方法可行，試驗原理與理論依據(jù)充分，但沒有可靠的驗證依據(jù)，方法本身還存在爭議之處；因此在使用本方法前，應該取得設(shè)計部門、質(zhì)監(jiān)部門和業(yè)主的同意。

（2）制做荷載箱前，必須了解試驗樁單樁極限荷載和樁徑；要求使用與荷載箱額定加載值相對應的油壓表值；荷載箱在試壓時和現(xiàn)場試驗時要使用同一型號的油壓表或壓力傳感器。

（3）荷載箱要焊接牢固，要安裝在樁體的中心，呈水平狀態(tài)，以保證在試驗中多個千斤頂受力的均勻性。

（4）試驗前，先用低應變法或超聲波透射法檢測試驗樁的完整性，確保試驗安全。終止加載，需向上、向下兩個方向分別判定和取值，平衡狀態(tài)下兩個方向都應達到終止加載條件。

（5）檢驗性試驗，一般加載應持續(xù)到樁2倍的設(shè)計荷載為止。如果樁的總位移量不超過40mm，以及最后一級加載引起的位移不超過前一級加載引起位移的5倍，則該樁可予以驗收。

（6）當荷載箱上部承載力不足時，應向樁頂提供一定量的配重；對于鉆孔灌注樁一定要孔底壓注漿，否則孔底沉渣過厚影響試驗結(jié)果。

（7）安裝的基準梁要符合規(guī)范要求，一端固定在基準樁上，另一端簡支在基準樁上，安裝牢固。

［1］中華人民共和國交通行業(yè)標準：基樁靜載試驗 自平衡法（JT／T 738—2009）［S］.北京：人民交通出版社，2009.

［2］中華人民共和國行業(yè)標準：建筑基樁檢測技術(shù)規(guī)范（JGJ106－2003）［S］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2003.

［3］龔維明，戴國亮，蔣永生，等.樁承載力自平衡測試理論與實踐［J］.建筑結(jié)構(gòu)學報，2002，23（1）：82－88.

［4］亓賓，佴磊，江娟，等.模擬試驗法確定樁基承載力［J］.吉林大學學報，2004，34（S1）：99－101.