自平衡慢速维持荷载法用于钻孔灌注桩承载力检测

1、自平衡慢速维持荷载法用于钻孔灌注桩承载力检测摘要：结合工程实例，介绍自平衡法的测试原理、仪器设备、加载方式、数据采集及成果等效转换等。自平衡法与传统桩基承载力试验方法相比不受场地条件限制，且安全、快速、经济，能够满足工程需要。关键字：自平衡法 桩基承载力检验 慢速维持荷载法 荷载箱 等效转换自平衡法简介自平衡法俗称通莫静载法(T-pile ®)，上世纪80年代由美国学者Osterberg开始推广，最早在桥梁钢桩中成功应用，后来逐渐推广至各种桩型，经过各国大量工程的使用验证，自平衡法等效转换曲线与静载曲线基本符合，该方法开始大量推广。在我国，东南大学龚维明教授于1996年开始引进自平衡

2、法试用，并开始对关键设备荷载箱、位移数据采集系统等进行研究开发，经过多次专家鉴定，获得两项国家专利。1999年6月，东南大学土木工程学院与江苏省建设厅共同制定了江苏省地方标准桩承载力自平衡测试技术规程（DB32/T29199）。2002年被国家建设部、科技部列为重大科技成果，纳入建筑基桩检测技术规范，在全国推广应用。目前该法已在国内26各省市160多个房建项目和50多个桥梁项目中应用，试桩总数超过3500根，荷载箱最大直径8.0m，最大加载吨位12000吨，最大桩长125m。东南大学土木工程学院开发了测桩软件，可同时对多根桩测试数据进行处理。测试原理自平衡法是接近于竖向抗压桩实际工作条件的试验

3、方法，其加载设备采用东南大学土木工程学院研制的专利产品荷载箱，它与钢筋笼连接后安装在桩身平衡点，并将高压油管和位移棒一起引到地面。试验时，从桩顶通过高压油管对荷载箱内腔施加压力，箱顶与箱底被推开，产生向上与向下的推力，从而调动桩周土的侧阻力与端阻力来维持加载。示意图如下：图1 基桩承载力自平衡法检测系统1荷载箱；2基准梁；3护套管；4位移杆；5位移传感器；6加载系统；7油管；8数据采集系统；9基准桩。基桩自平衡试验开始后，荷载箱产生的荷载沿着桩身轴向往上、往下传递。假设基桩受荷后，桩身结构完好(无破损、混凝土无离析、断裂现象)，则在各级荷载作用下混凝土产生的应变量等于钢筋产生的应变量，通过量测

4、预先埋置在桩体内的钢筋应变计，可以实测到各钢筋应变计在每级荷载作用下所得的应力应变关系，可以推出相应桩截面的应力应变关系，那么相应桩截面微分单元内的应变量亦可求的。由此便可求得在各级荷载作用下各桩截面的桩身轴力及轴力、摩阻力随荷载和深度变化的传递规律。测试仪器设备1 加载装置：主要为荷载箱、高压油泵和加压管。荷载箱有环形荷载箱与囊式荷载箱两类，应经法定有资质的检测单位标定且在有效期内。2 位移检测系统：主要包括位移传送装置（位移杆、位移丝、保护套管）、电子位移传感器、电脑数据自动采集系统。3 应变检测系统：主要包括应变传感器与电脑数据自动采集系统。荷载箱安装1 在地面加工场焊接钢筋笼，由施工单

5、位负责，测试单位配合，外护管、声测管连接用套管围焊，确保护管不渗泥浆，与钢筋笼绑扎成整体，运到工作平台上；2 严格按试桩图纸确定钢筋应变计在主筋上的位置，钢筋应变计直接绑扎于主筋上，绑扎过程中注意保护应变计导线，穿过荷载箱预留孔时，预留25cm左右的导线于预留孔内。具体由测试单位指导，施工单位负责安装；3 荷载箱应立放在平整地上，将其与钢筋笼进行焊接，再点焊喇叭筋，喇叭筋上端与主筋，下端与内圆边缘点焊，保证荷载箱水平度小于5；然后荷载箱下底板与下节钢筋笼连接，焊接下喇叭筋；4 试桩混凝土标高同工程桩，导管通过荷载箱到达桩端浇捣混凝土，当混凝土接近荷载箱时，拔导管速度应放慢，当荷载箱上部混凝土大

6、于2.5m时导管底端方可拔过荷载箱，浇混凝土至设计桩顶；荷载箱下部混凝土坍落度宜大于200mm，便于混凝土在荷载箱处上翻；5 埋完荷载箱，保护油管及钢管封头（用钢板焊，防止水泥浆漏入）；6 灌注混凝土时，要求制作一定量的混凝土试块，待测试时作混凝土强度、弹性模量试验。加载与观测1 应在桩身砼强度满足设计要求后方可进行试桩加载，同时试桩距桩灌注间隙，对砂性土不少于10d，对于粉土、粘性土不少于15d，对于淤泥或淤泥质土不少于25天；2 桩头处理，打开保护管封头，检查荷载箱是否正常工作，仪器初调；布设平衡梁（基准梁）、基准桩，基准梁一端与基准桩铰接，另一端与基准桩焊接，基准梁打入土层不少于4.0m

7、。搭设防风棚架，尽量减少外部环境（温度、风、人）的影响；3 采用慢速维持荷载法进行加载，即分级加载，每级加载值为预估极限荷载的1/101/15，第一级可取分级荷载的2倍，每级荷载加载后，荷载箱上、下承压板位移均达到位移相对稳定标准时，方可施加下一级荷载，直至试桩破坏或达到设计要求，然后分级卸载至0，每级卸载值为加载值的2倍。4 每级加载后在第1h内分别于5、15、30、45、60min各测读一次，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，在电脑屏幕上显示Q-s、s-lgt、s-lgQ曲线。5 相对稳定标准：每级加载每一小时的位移不超过0.1mm并连续出现两次（从

8、每级加载30min后开始，按1.5h连续三次每30min的位移观测值计算），认为已达到相对稳定，可加下一级荷载。6 每级卸载后，应测读桩顶残余沉降量（回弹量），每级卸载后隔15min测读一次残余沉降，读两次后，隔30min再读一次，待回弹量稳定后方可卸下一级荷载。卸载至0后，维持时间为3h，测读时间为第15，30min，以后每隔30min测读一次。7 终止加载条件应符合下列规定：（1）荷载箱上段位移出现下列情况之一时即可终止加载；a某级荷载作用下，荷载箱上段位移大于前一级位移量的5倍，且累计位移量超过50mm；b荷载箱上段位移累计超过80mm；c某级荷载作用下，荷载箱上段位移大于前一级荷载作用

9、下的2倍，且经24h尚未达到相对稳定；d已达到设计要求的最大加载值；（2）荷载箱下段位移出现下列情况之一时，即可终止加载；a某级荷载作用下，荷载箱下段位移大于前一级下段位移量的5倍，且总位移量超过40mm；b某级荷载作用下，荷载箱下段位移大于前一级下段位移量的2倍，且经24h尚未达到相对稳定；c已达到设计要求的最大加载值；d当荷载沉降曲线呈缓变型时，可加载至累计位移量为60mm80mm；（3）荷载已达荷载箱加载极限，或两段桩累计位移已超过荷载箱行程。单桩极限承载力的确定1.根据位移随荷载的变化特征确定：a对于陡变型-、-曲线，取-、-曲线发生明显陡变的起始点对应的荷载；b对缓变型-、-曲线，当

10、桩径小于800mm时，上段桩极限侧阻力值取对应于位移量为40mm时的荷载；下段桩极限承载力值取对应于位移量为40mm时的荷载，当桩径不小于800mm时，上段桩极限侧阻力和下段桩极限承载力值可取对应于位移量为0.05（为桩直径）时的荷载；c对于荷载箱下段桩在前几级加载过程中出现位移不超过100mm的突变，但经荷载持续稳定一段时间后，位移趋于稳定的，对下段桩宜按缓变型处理。2.根据位移随时间的变化特征确定：上段桩取-lgt曲线尾部出现明显向上弯曲的前一级荷载值，下段桩取-lgt曲线尾部出现明显向下弯曲的前一级荷载值。单桩竖向极限承载力确定单桩竖向抗压极限承载力按公式1确定 （公式1）当荷载箱埋置桩

11、端时，单桩竖向抗拔极限承载力按公式2确定 = （公式2）式中： 单桩竖向抗压极限承载力（kN）； 荷载箱上段桩的极限承载力（kN）； 荷载箱下段桩的极限承载力（kN）；W 荷载箱上部桩钢筋混凝土自重（kN）； 桩侧抗拔与抗压阻力比； （其中，分别为第i层桩侧土的桩侧抗拔与抗压阻尼比和土层厚度），对于桩侧土主要为粘性土、粉土=0.85，对于砂土=0.75；对桩侧土为多层土时采用按土层厚度的加权平均值；当无当地经验时，可取1.0； 桩顶使用配重的重量（kN）； 单桩竖向抗拔极限承载力（kN）。3.单桩竖向极限承载力统计值的确定应符合下列规定：（1）参加统计的检测结果，当满足其极差不超过平均值的30

12、时，取其平均值为单桩竖向极限承载力；（2）参加统计的检测结果当极差超过平均值的30时，应分析极差过大的原因，结合工程具体情况综合确定，必要时可增加检测桩数量；（3）对桩数为3根或3根以下的柱下承台，或工程桩抽检数量少于3根时，应取低值。自平衡测试曲线的等效转换假定：1)等效的受压桩也分为上、下段桩，分界截面即为自平衡桩的平衡点截面，侧摩阻力用平均值qsm表示，下段桩Q下=oAp；2)自平衡法的下段桩与等效受压桩下段的位移相等；3)受压桩上段的桩身压缩量S为桩端及桩侧荷载两部分引起的弹性压缩变形之和，即：S=S1+S2 式中，S1受压桩在桩端Q下作用下产生的弹性压缩变形量；S2受压桩上段在桩侧摩

13、阻力作用下产生的弹性压缩变形量。S1=S2=由于在受压过程中桩身的侧阻力先发挥，所以在转换曲线中，分两段来进行转换。首先，在上段桩身侧阻力完全发挥之前，根据Q上S上上曲线，求出相应的Q、S值，具体过程如下：S=S1+S2= 式中，L为上段桩长度，Ep为桩弹性模量，Ap为桩身截面面积。由此，可以将自平衡法测得的向上、向下两条QS曲线转换为受压桩的一条等效桩顶QS曲线。此时，受压桩桩顶等效荷载即为：Q=+Q下与等效桩顶荷载Q对应的桩顶位移为S，则有：S=S上+S 在式中，Q上、S上可由Q上S上曲线直接测定，W、S可通过计算求得。有关Q下的取值如下：对自平衡法而言，每一加载等级上荷载箱产生的向上、向

14、下的力是相等的，但所产生的位移量是不相等的。因此，Q下应该是对应于自平衡法Q下S下中，下段桩位移绝对值等于S上时的下段桩荷载，即在自平衡法向下的Q下S下曲线上使S下=S上时所对应的荷载。当上段桩身侧阻力发挥至极限时Q上不变，再根据相应的Q下S下曲线测定Q下和S下，由下述公式求出等效荷载Q和对应的桩顶位移S：Q=+Q下S=S下+SS=S1+S2= （5）sQss-+0Q-Q+0sQ转换曲线静载曲线Q由此得到传统的静载荷试验的一系列点（Qi，Si），i=1,2,n，从而得到等效的桩顶荷载、位移曲线。方法特点自平衡试桩法相对于传统试桩法（堆载法和锚桩法）具有以下几个特点：1 装置较简单，不占用场地，

15、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；2 该法利用桩的侧阻与端阻互为反力，因而可测得侧阻力与端阻力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%60%，具体比例视桩与地质条件而定，吨位越大越明显；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 方便的重复试验。可在同一桩端深度的不同的时间（后压浆试桩效果对比）在同一根桩上方便的进行试验；6 可得到土阻力的静蠕变和恢复效果。试验荷载可保留所需的任意长时间段，因此可实测桩侧和桩端阻力的蠕变行为的数据；7 在水上试桩，嵌岩桩等情

16、况设置传统的堆载平台或锚桩反力架特别困难或特别花钱时，该法更显示其优势。工程实例1.试桩概况试桩编号SZ1SZ2SZ3SZ4SZ5SZ6桩号P161#P31#P51#F216#F325#F314#桩径（mm）700750750900900900荷载箱外径（mm）600620620800800800工程桩砼标号C25C25C25C30C30C30实际桩长（m）39.5935.0235.0240.6540.0840.01荷载箱埋设位置桩底端上5m处持力层35层卵石设计单桩抗压/抗拔承载力特征值(kN)2000/9002000/9002000/900450045004500荷载箱额定荷载（kN）2*

17、20002*20002*20002*45002*45002*4500荷载分级最大试验荷载的十分之一最大试验荷载(kN)2*20002*20002*20002*45002*45002*4500成桩日期2013.11.272013.12.122013.12.212013.12.072013.11.302013.12.19测试日期2014.01.152014.01.162014.01.152014.01.162014.01.152014.01.172.测试成果汇总表试桩编号SZ1SZ2SZ3SZ4SZ5SZ6桩号P161#P31#P51#F216#F325#F314#上段桩实测极限上托力Q（kN）/

18、荷载箱向上位移（mm）2000/3.082000/2.792000/2.844500/2.824500/1.194500/1.30荷载箱向上卸载位移（mm）/回弹量(%)2.20/28.601.95/30.100.91/32.041.93/31.560.84/19.410.88/32.31上段桩自重（kN）199198198340334333上段桩侧土极限摩阻力（kN）225122522252520052075208下段桩实测极限承载力Q（kN）/荷载箱向下位移（mm）2000/20.162000/15.452000/16.064500/13.314500/15.574500/17.21荷载箱

19、向下卸载位移（mm）/回弹量(%)13.70/32.0010.61/31.3011.01/31.449.53/28.4011.16/28.3212.55/27.08实测单桩竖向抗拨极限承载力（kN）2251225222525200520752081/2实测单桩竖向抗压极限承载力（kN）/等效桩顶位移（mm）2000/8.172000/5.732000/6.394500/8.314500/8.694500/9.28实测单桩竖向抗压极限承载力（kN）/等效桩顶位移（mm）4251/30.194252/23.034252/23.649700/26.579707/28.639708/30.243.单轴竖向抗压试验结果桩