淺談靜荷載試驗(yàn)中的自平衡測(cè)試方法

王啟淵

摘 要：簡(jiǎn)述了自平衡法的發(fā)展與實(shí)驗(yàn)原理及要點(diǎn)，從實(shí)驗(yàn)原理、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)方法、荷載轉(zhuǎn)換以及試驗(yàn)中荷載箱布置情況進(jìn)行了總結(jié)。自平衡法作為一種新發(fā)展的測(cè)試方法具有操作方便，實(shí)驗(yàn)設(shè)備簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，非常具有發(fā)展?jié)摿Α?/p>

關(guān)鍵詞：河道治理；河流生態(tài)修復(fù)；修復(fù)技術(shù)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.03.243

1 引言

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和工程建設(shè)的需要，大直徑大噸位樁基的應(yīng)用越來(lái)越普遍，確定樁基礎(chǔ)承載力通常采用靜荷載試驗(yàn)。靜載荷試驗(yàn)法測(cè)試樁基承載力，其結(jié)果簡(jiǎn)潔、可信，普遍作為是一種標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法。作為一種近年來(lái)新發(fā)展的靜載測(cè)試技術(shù)，自平衡測(cè)試技術(shù)在國(guó)內(nèi)外得到廣泛認(rèn)可和應(yīng)用。自平衡法具有操作簡(jiǎn)單，設(shè)備使用方便的優(yōu)點(diǎn)，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)堆載豎向抗壓試驗(yàn)的不足，在大噸位試驗(yàn)樁、高深基坑樁和由于場(chǎng)地空間受到限制的試樁等情況中相比傳統(tǒng)靜載試驗(yàn)更加實(shí)用。

2 試驗(yàn)方法原理及要點(diǎn)

2.1 實(shí)驗(yàn)原理

根據(jù)試樁的自身反力平衡的力學(xué)原理，自平衡測(cè)試法主要是靠預(yù)先在樁身的截面處埋設(shè)單層（或多層）荷載箱，當(dāng)進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，試驗(yàn)人員從樁頂通過(guò)荷載箱對(duì)荷載箱的上、下段樁身施加荷載，從而上段樁體會(huì)由于壓力而向上抬，此時(shí)樁側(cè)會(huì)產(chǎn)生摩阻力，并且摩阻力會(huì)慢慢的發(fā)揮作用，與此同時(shí)下段樁體也同樣由于壓力而慢慢下沉，在此過(guò)程中下段樁會(huì)產(chǎn)生樁側(cè)阻力和樁端阻力，并隨著試驗(yàn)的進(jìn)行慢慢的發(fā)揮作用，所以試樁會(huì)由于自身的反力而達(dá)到平衡加載。

2.2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)方法

頂板、底板、活塞以及箱壁四者組成的荷載箱是自平衡測(cè)試法的主要測(cè)試裝置。在荷載箱的頂蓋和底蓋上設(shè)置位移棒，并將荷載箱和預(yù)制的鋼筋籠焊接在一起將其放入樁孔，然后進(jìn)行澆搗便可制成測(cè)試樁。荷載箱中的壓力可由地面上與荷載箱相連的壓力表測(cè)出，荷載箱的向上、向下位移可由頂板和地板的位移由地面上的位移傳感器測(cè)出。通過(guò)不斷增加荷載箱中的壓力，記錄下不同壓力下的位移值，便可在計(jì)算機(jī)中繪出相應(yīng)的向上向下的力與位移的力—位移圖，即兩條Q-S曲線。

2.3 等效荷載轉(zhuǎn)換方法

在得到兩條Q-S后，利用荷載相等原則和位移相等原則進(jìn)行轉(zhuǎn)換便可得到整個(gè)樁的Q-S曲線，假定測(cè)試樁為彈性體且分為上、下段樁，分界面為樁的平衡點(diǎn)同時(shí)下段樁與等效受壓樁下段的位移相等，即Sa=S下 。在自平衡測(cè)試法中，樁端的承載力—沉降量關(guān)系及不同深度的樁側(cè)摩阻力—變位量關(guān)系與傳統(tǒng)靜載荷試驗(yàn)法是相同的，受壓樁上段的樁身壓縮量S為樁端及樁側(cè)荷載兩部分引起的彈性壓縮變形之和， 即：。

式中： S1—受壓樁上段在荷載箱下段力作用下產(chǎn)生的彈性壓縮變形量；

S2—受壓樁上段在荷載箱上段力作用下產(chǎn)生的彈性壓縮變形量；

Q下—某一位移對(duì)應(yīng)的荷載箱向下加載值；

Q上—某一位移對(duì)應(yīng)的荷載箱向上加載值；

L—上段樁長(zhǎng)度；

γ—修正系數(shù)；

Ep—樁身彈性模量；

Ap —樁身截面積；

Gp—荷載箱上部樁自重。

樁頂?shù)刃Ш奢d： （4）

等效樁頂荷載對(duì)應(yīng)的樁頂位移： （5）

由（4）、（5）可得等效樁頂Q-S曲線。

2.4 荷載箱埋設(shè)位置設(shè)置

不同的地質(zhì)環(huán)境會(huì)導(dǎo)致荷載箱的埋設(shè)位置不同，所以在自平衡測(cè)試中，對(duì)荷載箱的埋置位置的研究是很有必要的。根據(jù)前人經(jīng)驗(yàn)以及在試驗(yàn)中檢測(cè)樁實(shí)例，歸納了在不同情形下，荷載箱的位置布置，如圖1所示。

如圖1（a）所示，適用于當(dāng)樁極限側(cè)摩阻力大于或小于極限端阻力兩者的值大致相同時(shí)，測(cè)定極限側(cè)摩阻力此法也適用。

如圖1（b）所示，適用于荷載箱下方的樁體的端阻力與側(cè)摩阻力之和達(dá)到極限時(shí)，并且與此同時(shí)荷載箱上半部分的樁側(cè)阻力也達(dá)到極限。

如圖1（c）所示，適用于樁基持力層較軟弱，此時(shí)樁體需要測(cè)出的極限側(cè)摩阻力是整個(gè)樁身而不僅僅只是其中的一部分，但是又由于此樁體的樁端處無(wú)法提供需要的反力，采用深鉆的方法可以增加其極限側(cè)摩阻力。

如圖1（d）所示，適用于測(cè)試挖孔擴(kuò)底樁的抗拔情況，如圖所示形狀為荷載箱應(yīng)該設(shè)置在底部的擴(kuò)大頭的區(qū)域。

如圖1（e）所示，僅適用于大頭樁，或當(dāng)要求測(cè)定樁的極限側(cè)摩阻力時(shí)，樁極限側(cè)摩阻力要比預(yù)估樁極限端阻力大的情形。此時(shí)的荷載箱正確的設(shè)置做法是將荷載箱設(shè)置到擴(kuò)大柱底上。

如圖1（f）所示，存在鑲嵌巖石的地層，適合測(cè)定有嵌巖地層的極限側(cè)摩阻力和極限端阻力之和。如還需檢測(cè)巖層上面土層的極限側(cè)摩阻力，需要在鑲嵌巖層的側(cè)阻力與端阻力測(cè)試完畢后在重新進(jìn)行測(cè)定上層土層的極限側(cè)摩阻力，即將樁體的上半部分進(jìn)行混凝土澆灌，帶混凝土冷卻后再進(jìn)行檢測(cè)。

如圖1（g）所示，適用于有效樁頂標(biāo)高位于地面以下有一定距離時(shí)，試驗(yàn)所需要的輸壓管以及位移桿可以直接牽引到地面以上，方便進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

如圖1（h）所示，可測(cè)得多個(gè)（2個(gè)及2個(gè)以上）土層的極限側(cè)摩阻力。需要進(jìn)行分層測(cè)試，先將下層土用混凝土澆灌之后，在對(duì)其頂面進(jìn)行試驗(yàn)的測(cè)定，記錄下層土的數(shù)據(jù)之后，再往上層一層一層的測(cè)定，測(cè)定與第一層的測(cè)定一致，即澆灌混凝土之后再進(jìn)行測(cè)定，依次往上類堆，整個(gè)樁身全長(zhǎng)不同土層情況下的極限側(cè)摩阻力便可測(cè)得。

3 自平衡法與傳統(tǒng)靜荷載方法比較

3.1 相同點(diǎn)

試驗(yàn)對(duì)象：自平衡法與傳統(tǒng)靜荷載實(shí)驗(yàn)一樣，都是對(duì)樁體直接施加荷載的方法。

試驗(yàn)原理：自平衡測(cè)試法是利用樁基內(nèi)部反力的加載方法，經(jīng)過(guò)等效荷載轉(zhuǎn)換方法得到與傳統(tǒng)靜荷載試驗(yàn)相同的結(jié)果。可以將自平衡法視為對(duì)樁基上、下部同時(shí)進(jìn)行傳統(tǒng)靜荷載方法加載，加載設(shè)備、荷載分級(jí)方法、加載速度、穩(wěn)定判別條件等，與傳統(tǒng)靜荷載實(shí)驗(yàn)方法基本相似，在實(shí)驗(yàn)中可以按照傳統(tǒng)靜荷載試驗(yàn)規(guī)范執(zhí)行。

3.2 不同點(diǎn)

反力方式：自平衡法加載時(shí)，反力來(lái)自于樁基內(nèi)部，這是自平衡法的主要特點(diǎn)。而傳統(tǒng)靜荷載方法加載時(shí)，反力來(lái)自于樁基外部，比如錨樁反力、堆載配重反力等。加載方向：傳統(tǒng)靜荷載方法試驗(yàn)時(shí)，樁基整體承受載荷，且加載方向與試驗(yàn)規(guī)范中的定義方向相同，得到的Q-S曲線不需經(jīng)過(guò)處理，可直接使用。自平衡法加載完成后，得到的兩條Q-S曲線要經(jīng)過(guò)等效荷載轉(zhuǎn)換法處理后，參照靜荷載試驗(yàn)規(guī)范得出結(jié)論。加載位置：傳統(tǒng)靜荷載試驗(yàn)法的加載點(diǎn)通常設(shè)置在樁頂；自平衡法的加載點(diǎn)，通常設(shè)置在樁基內(nèi)部，傳力點(diǎn)-樁頭的概念發(fā)生了變化，無(wú)法采用傳統(tǒng)方式樁頭加固方式，一般采用樁體強(qiáng)度局部加強(qiáng)、降低樁截面載荷集中程度、采用中低壓荷載箱等方式來(lái)保證加載處局部樁體完整性。

4 總語(yǔ)

自平衡法測(cè)試方法作為一種新發(fā)展的技術(shù)，同傳統(tǒng)靜荷載試驗(yàn)相比，試驗(yàn)裝置省時(shí)、省力、安全，且檢測(cè)數(shù)據(jù)能夠滿足實(shí)際工程的需求，在樁基檢測(cè)工程中的應(yīng)用會(huì)有更廣泛的前景和發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉福臣，張振善，劉文卿.樁自平衡測(cè)試技術(shù)[J].中國(guó)勘察設(shè)計(jì)，2010，10（11）：52-55.

[2]董金玉，劉召善，王國(guó)華，李蒲，劉召弟.樁承載力自平衡試驗(yàn)法在某樁基工程中的應(yīng)用[J].華北水利水電大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2014，36（01）：55-60.

[3]張瑞平，史佰通，龔維明.自平衡試樁法在樁基工程中的應(yīng)用[J].廣西土木建筑，2002，27（02）：90-93.