自平衡试桩法

1、自平衡试桩法基桩竖向承载力检测技术发展现状及展望文章发表于：2010-4-229:56:572基桩承载力检测技术发展现状基桩承载力的测试方法有很多，大致可分为四大类：静载试验（锚桩法、堆载法、锚桩-堆载法）；高应变法（Case法、CAPWAPC法等）:自平衡试桩法；静-动试桩法。当前，在国内得到广泛应用的是静载试验、自平衡试桩法和高应变法。静载试验静载试验是一种接近于抗压桩实际工作条件的单桩竖向承载力的试验方法，它通过反力装置采用千斤顶给桩顶施加竖向荷载，加载量一般由并联于千斤顶的精密压力表测量，桩顶沉降量采用大量程百分表或位移传感器量测。试验结果可获得桩顶Q-s和s-lgt两条基本曲线。该方

2、法可以确定单桩竖向抗压极限承载力，结合在桩身和桩端预埋的测试元件还可以测定桩侧土分层摩阻力、桩端阻力以及桩身荷载传递规律等。静载试验按加载反力装置的不同可分为以下3种形式:（1）堆载法：在桩顶堆载平台上堆放重物以提供反力。国内用该方法检测的单桩竖向极限承载力已达30000kN；(2)锚桩法：由锚桩和反力架共同组成反力装置，通过锚桩的抗拔力提供反力。可根据加载量的大小确定所需锚桩数量，实际工程中一般都采用4根。国内用该方法检测的单桩极根承载力小于25000kN；(3)锚桩堆载法：当锚桩的抗拔承载力不够时，可在反力架上增加配重或采用重力式反力架增加反力。国内用该方法检测的单桩极根承载力已达4000

3、0kN。高应变法该方法是利用重锤锤击桩顶，使桩土之间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，通过安装在桩顶附近的力和加速度传感器接收桩身的应力波信号，应用应力波理论分析处理力和速度时程曲线，并参照静-动对比资料，从而判定单桩的极限承载力。按承载力的判定方法，高应变法又可分为凯司法(CASE法)和实测曲线拟合法(CAPWAPC法)。目前用该方法能检测的单桩极限承载力达25000kN。静动试桩法静一动试桩法是加拿大伯明翰公司(Berminghammer)和荷兰建筑材料与结构研究所(TNO)于1988年联合研制成功的一种介于静载试验和高应变法之间的单桩承载力的试验方法。静动试桩法利用固

4、体燃料在气缸里燃烧而产生的高压气体推动活塞上升、举起配重，由此产生的反力作用于桩顶。桩顶作用力的大小由配重和跳起加速度决定，力的作用时间由燃料量、气缸形状、燃烧室大小和配重多少4个因素控制。桩顶荷载由固定于桩顶的荷重传感器测量，桩顶位移曲线采用激光位移计测量。试验结果可获得桩顶的实测力和位移时程曲线，经数据分析处理后可获得静一动试桩法Q-s曲线并判定单桩的竖向极限承载力。静动试桩法的桩顶作用荷载是用动的方法产生，但和高应变法相比，其荷载作用时间最高可延至800ms、更接近静载试验，所以称为静动试桩法，又叫准静态试桩法。该方法比静载试验速度快、成本低，已在日本、新加坡等二十几个国家和地区使用，我

5、国台湾地区也在广泛使用。目前该方法能检测的单桩极限承载力可达70000100000kN5。自平衡试桩法自平衡试桩法是近年来发展非常迅速的基桩承载力检测技术，在国内的发展应用约10年的时间。其基本出发点是利用试桩自身反力平衡的原则，在桩端附近或桩身某截面处预先埋设单层（或多层）荷载箱，试验时，通过荷载箱对上、下段桩身施加荷载，从而迫使上段桩身上抬，使上段桩桩侧摩阻力徐徐发挥，同时迫使下段桩下沉，使下段桩桩侧阻力及桩端阻力徐徐发挥；此时，上下桩段的反力大小相等、方向相反，从而达到试桩自身反力平衡加载的目的；如此随着荷载箱压力的不断增加，试桩破坏，试验终止。自平衡试桩法测试结果可获得上、下桩段两条Q

6、s曲线及相应的slgt曲线，结合在桩身和桩端预埋的测试元件，根据自平衡加载方式下桩土相互作用机理、采取科学的数据转换方法，实现自平衡测试结果向传统静载的准确转换，最终建立单桩桩顶的Qs曲线，并据此判定单桩的极限承载力，还可测定桩侧土分层摩阻力、桩端阻力等。自平衡试桩法的加载能力可根据试桩要求进行专项设计，基本不受单桩极限承载力的限制。目前该方法已检测的单桩极限承载力达120000kN。3规范对基桩承载力检测的强制性规定规范6对基桩承载力检测的强制性规定见表2、3。表2检测方法及检测目的检测方法检测目的静载试验确定单桩竖向抗压极限承载力；判定竖向抗压承载力是否满足设计要求；通过桩身内力及变形测试

7、，测定桩侧、桩端阻力；验证高应变法的单桩竖向抗压承载力检测结果。高应变法判定竖向抗压承载力是否满足设计要求；分析桩侧和桩端土阻力。表3基桩承载力必检条件、数量及使用方法检测目的必检条件检测数量检测方法为设计提供依据1.设计等级为甲级、乙级的桩基；或2.地质条件复杂、施工质量可靠性低；或.本地区采用的新桩型或新工艺。1.同一条件下不应少于3根，且不宜少于总桩数的1%；2.工程桩总数在50根以内时，不应少于2根。静载试验桩基工程验收1.设计等级为甲级的桩基；或2.地质条件复杂、施工质量可靠性低；或3.本地区采用的新桩型或新工艺；或.挤土群桩施工产生挤土效应。1.单位工程内且在同一条件下的工程桩抽检

8、数量不少于总桩数的1%，且不少于3根；2.工程桩总数在50根以内时，不应少于2根。静载试验对14条规定条件外的预制桩和满足高应变法适用检测范围的灌注桩。不宜少于总桩数的5%，且不得少于5根。高应变法本地区有可靠的静动对比资料时，高应变法可作为14条静载试验的补充手段。高应变法规范7规定：对于大桥、特大桥，当桩的入土深度远超过常用桩或地质情况复杂、难以确定桩的承载力时或有其他特殊要求的桥梁用桩，应通过静载试验确定单桩承载力。规范8规定：为保证检测结论的可靠性，可根据不同被检对象和测试要求，选用多种测试方法进行综合分析判断；采用高应变动测法进行单桩的轴向抗压极限承载力检测应具有相同条件下的动-静试

9、验对比资料和现场工程实际经验；超长桩、大直径扩底桩和嵌岩桩不宜采用高应变动测法进行单桩的轴向抗压极限承载力检测，可考虑采用在桩身中预埋荷载箱进行自平衡静载荷试验确定单桩承载力。规范9规定：勘测设计阶段的试桩数量由设计部门确定，施工阶段静压试桩数量在相同地质情况下、按总桩数的1%计并不得少于2根，深水试桩根据具体情况、由主管单位研究确定。规范10规定：对重要桥梁或地质复杂的桥梁，摩擦桩的容许承载力应通过试桩确定。规范11规定：高应变法的适用范围是检测预制桩的竖向抗压承载力和桩身的完整性；对于设计荷载大、地理环境复杂的桩，可采用自平衡法试验。规范12规定：桩基施工前，应按设计要求进行静载试验或工艺

10、试验；单桩承载力可根据静压试验结果确定，没有条件做静压试验的可结合具体情况做静力触探试验，没有条件做静压试验又无静力触探资料的可结合具体情况选用可靠的动测方法确定；静载试验数量由设计单位确定。4检测结果的准确性到目前为止，传统静载试验仍是公认的检测基桩竖向抗压承载力最直观、最可靠的试验方法。各类规范在为设计提供依据的试桩工程中，都明确规定：试验方法采用静载试验。同时，作为最为传统的承载力检测方法，静载试验在承载力检测技术的发展过程中，也一直是其它检测方法准确性的评判依据。经过近20年的深入研究和工程实践，高应变法从蓬勃发展、遍地开花的繁荣回落到理性和成熟。高应变法要求检测人员必须具有相当丰富的

11、工程实践经验和极高的技术素养，包括土力学、土动力学、波动力学、桩基工程和现代计算机的应用知识等；同时由于方法本身、参数取值、土阻力的激发程度等诸多因素的影响也限制了高应变法的广泛应用。到目前为止，高应变法仍程度不同地带有相当的经验成份，仍有待进一步的完善。为此，各类规范对高应变法的适用范围均做出了明确、严格的限定：只能作为静载试验的一种补充，可作为工程桩验收的手段之一，且必须有相同或相近条件下可靠的静-动对比资料。规范11更是明确的限定高应变法只适用于预制桩。高应变法检测结果总体上与静载试验相比误差约在20%以内。自平衡试桩法属于静载试验的范畴，但又和静载试验有着显著的区别3。就其内涵而言，自

12、平衡试桩法在国内的发展经历了两个阶段：简化转化法和精确转换法13,14。简化转换法建立于刚性体假定的理论基础之上，自平衡试桩法也因此而遭到国内工程界人士的质疑4。精确转换法采用荷载传递解析方法，根据自平衡试桩法实测的上段桩桩侧岩土层的s曲线及荷载箱处向下的Qs曲线，采用位移协调法推导出整桩桩顶的Qs曲线，并据此判定单桩的极限承载力；精确转换法解决了桩身刚性体的假定问题、土体的连续性问题，并根据工程桩的荷载传递及桩土相互作用机理建立数理模型，其本构关系及计算方法更为科学、完善、合理，这是精确转换法赋予自平衡试桩法的新的内涵，也是精确转换法与简化计算方法本质的不同，适用性更广，转换结果更为准确、精

13、度更高，检测结果与静载试验相比误差约在10%以内。近年来，随着自平衡试桩法的逐步推广、应用，自平衡试桩法作为基桩承载力的检测技术之一已逐步被列入最新的行业规范，规范6：由于试桩荷载大或场地限制，有时很难、甚至无法进行单桩竖向抗压承载力静载检测，有条件时可预埋荷载箱进行桩端载荷试验；规范8：超长桩、大直径扩底桩和嵌岩桩不宜采用高应变动测法进行单桩的轴向抗压极限承载力检测，可考虑采用在桩身中预埋荷载箱进行自平衡静载荷试验确定单桩承载力；规范11：对于设计荷载大、地理环境复杂的桩，可采用自平衡法试验。5各种检测方法存在的问题静载试验、高应变法及自平衡试桩法的主要适用条件对比见表4。表4各种检测方法适

14、用条件比较检测方法场地要求试验费用试验时间抽样随机性加载能力静载试验很高很高很长（桩头加固、堆卸载）低40000kN高应变法高低长（桩头加固）高25000kN自平衡试桩法低高短不具备不受限制静载试验静载试验（包括锚桩法、堆载法及锚桩堆载法）由于需专门的反力系统，试验费时、费力、费用高、试验场地要求高，做不到随机抽检，检测桩数也不可能太多，对整个桩基工程不能进行概率统计分析，代表性不高。正因为静载试验的这一局限性，尽管相关规范对基桩承载力检测数量都做出了明确规定，但长期以来人们总是力图少做甚至不做，实际工程中所进行的静载试验的桩的数量与规范的要求相差甚远，多数工程桩的承载力均参照勘测部门已有的试

15、验资料或根据设计人员的经验确定。在单桩竖向抗压静载试验方法中，各规范均对试桩、锚桩（压重平台支墩边）和基准桩相互之间的中心距做出了明确规定，如规范11规定：当试桩直径小于或等于0.8m时可为试桩直径的5倍，当试桩直径大于0.8m时不得小于4m。但近年来，在桥梁工程中随着大直径、大吨位、超长桩的广泛使用，特别是在软土地区，现有的规范中心距最小限值已不能满足基桩承载力试验的要求，而合理的限值仍缺乏研究；另一方面，长期以来传统静载试验装置改进甚少，至今仍停留在压重平台或锚桩反力架的基础上，导致大吨位试桩的静载试验真正成了一项工程且耗时及费用惊人。而在特殊环境条件下，如坡地、水中试桩、狭窄场地（特别是

16、市政工程桩基）等，则根本无法进行。高应变法相对静载试验而言，高应变法设备简便、试验快速，费用低、抽样随机性高，因而，就一根桩而言，静载试验结果的精度高于高应变法，就整个工程而言，由于桩基工程的复杂性以及抽样检查的样本数量，其保证率反而不如高应变法。但与静载试验一样，高应变法也因加载需要同样对试验场地有较高的要求，在特殊环境条件下甚至根本无法进行。同时，限于高应变法的加载能力（国内最大的组合锤为200kN）及桥梁工程超长桩的广泛使用，对大吨位试桩和超长桩高应变法也不再适用，规范8规定：超长桩不宜采用高应变动测法进行单桩的轴向抗压极限承载力检测。另一方面，高应变法在实际应用中，仍不同程度的存在一些

17、问题和不足之处，具体体现在：（1）方法本身的局限性。高应变法需要对桩和土做一些假定，以便进行理论计算和分析，达到以动求静的目的。当实际情况与这些假定有较大出入或不符时，可能导致较大的误差甚至错判；（2）参数取值的局限性。高应变法是一种通过一维波动方程求解计算而获得岩土对桩的阻力的理论方法，不属于经验方法。但在实际应用过程中，则需要引入一些参数，实用方法中这些参数往往是经验系数。特别是CAPWAPC法中引入的变量参数更多、参数应用更为复杂，经验性也更强。如果不能选择合理可靠的各种参数，计算分析结果的误差将会很大；（3）实际应用的局限性。高应变动力试桩过程中，从资料收集到传感器安装、锤重和锤垫的选

18、择、锤击能量的选择、数据信号的观察和取舍等各个环节，都是保证试验成功的先决条件，因此要求检测技术人员必须具有相当丰富的工程实践经验和极高的技术水平。而分析求解的过程及最终的解答结果，分析者的个人因素起着主导和决定作用；（4）桩土体系破坏模式的限制。桩土体系丧失承载力的模式是多样的，既可能是岩土对桩的阻力被克服，也可能是其他原因，而不同的破坏模式将会对应不同的极限承载力。高应变法采用的是瞬态的冲击荷载，分析获得的只是岩土对桩的静阻力，其破坏模式只能是岩土对桩的阻力被克服，而静载试验时获得的破坏模式则是可能出现的破坏模式中最弱的一个。因此，只有当静载试验的破坏模式是岩土对桩的阻力被克服时，高应变法

19、的测试结果才是真实的；（5）其他尚有待研究和完善问题。如土阻力激发程度的局限性、时间效应、触变效应、数学物理假定不尽合理、模型简化不一定切合实际等。自平衡试桩法自平衡试桩法相对静载试验、高应变法而言，对环境的要求低、场地的适应性强，加载能力可根据试桩要求进行专门设计、基本不受限制，整个试验持续的时间短（从试验准备工作开始到试验结束），但试验费用虽较静载试验低、却比高应变法高很多。特别是自平衡试桩法因预先要埋设荷载箱，而不能做到随机抽检，也就是说自平衡试桩法根本不可能作为工程桩随机抽检的验收手段。另一方面，作为一种新兴的检测技术，自平衡试桩法仍有许多有待深入研究和完善的问题：（1）正负摩阻力的问

20、题。由于加载方式的不同，自平衡试桩法与传统静载试验的荷载传递方式存在一定的差异，其直观的表现是：在加载过程中荷载箱上段桩桩侧摩阻力与传统静载试验的方向相反、是负摩阻力。在自平衡试桩法数据转换的过程中，各岩土层极限正负摩阻力的数值关系及正负摩阻力与桩土相对位移的本构模型，仍有待与静载试验数据进一步的对比分析和积累；（2）平衡点的准确定位问题。自平衡试桩法成立的前提条件是试桩存在一个桩土承载体系的平衡分割点，并据此确定试验时荷载箱的摆放位置，这也是自平衡试桩法成败的关键。国内确定平衡点的基本方法15,16,17都可直观的表达为：上段桩极限负摩阻力等于下段桩的总阻力。但由于桩穿越土层的多样性及桩土承载体系构成机制和本构关系的复杂性，平衡点的准确定位非常困难的，或者说是几乎不可能的，目前仍缺乏实用、简单而有效的判断方法。实际工程中因此而导致试验失败或是试验结果出现重大偏差的情况时有发生，平衡点的准确定位也仍有待进一步的深入研究；（3）试验终止加载标准问题。现行的自平衡试桩法终止加载标准基本沿用的是静载试验的终止加载条件，因自平衡试桩法与传统静载试验有着显著的不同，静载试验的终止