自平衡试桩技术在软土地质下钻孔灌注桩中的应用

肖先波

（湖州职业技术学院 湖州 313000）

1 引言

桩的静载试验是确定单桩承载力最可靠的方法，单桩承载力越高，对静载荷试验的堆载或反力系统的能力的要求也越高，而且使试验费用急剧增加；对大直径桩，其承载力很高，传统的静载试验往往无法得到准确的承载力数据，甚至无法实现桩基静载试验。一种简便易行的较经济的且能给出完整的静载试验结果的测试方法——自平衡静载试验法[1]，取得了良好的效果。

2 测试原理

自平衡静载试验法的基本原理是利用试桩自身反力平衡，根据上段桩的摩阻力与下段桩摩阻力和桩端阻力之和相等的原理，在上、下段桩之间设置荷载箱，通过荷载箱对上、下段桩施加荷载，从而依据施加的荷载，推算获得单桩承载力。该方法的关键之一是根据荷载箱所施加荷载大小与向上、向下位移的唯一对应关系，可得上、下桩段的Q～S曲线，从而将上段桩的极限抗托承载力经修正后转换为极限抗压承载力，与下段桩承载力相加，得到单桩的极限承载力[2]。

荷载箱的埋设位置是根据地质报告进行计算后确定的，原则是：荷载箱放在桩身平衡点处，使上、下段桩的承载力相等以维持加载。3根试桩荷载箱的摆放位置详见图1。自平衡试验的位移测量包括桩顶位移、荷载箱上位移和荷载箱下位移，位移测量设备为位移传感器或高精度大量程百分表。所有测量器具均应经法定计量单位检定，且满足测量误差不大于0.1%FS，分辨力优于或等于0.01 mm。桩顶位移测量与传统静载荷试验位移测试方法一致，利用位移传感器或百分表直接测量即可。

图1 自平衡测试系统图

3 自平衡法在软土地质中的应用

3.1 工程地质概况

地貌上属杭嘉湖平原区的湖海积平原地貌单元。场地原为水塘及稻田，现场地已回填，场地总体呈东高西低，地面高程约2.90～3.65m，地下有供水管道及污水管道。地基土共划分为6个岩土工程层，其中③层细分为两个亚层，并含一夹层，⑥层细分为两个亚层。

3.2 施工情况

本工程所测3根试桩是浙江省地球物理技术应用研究所承担基桩静载试验任务。现场测试工作于2008年3月3日～3月6日完成。经过一年多的使用观察，浅桩工程完全满足上部结构荷载的承重要求。拟建的湖州市进出口有限公司生产项目大楼基础采用钻孔灌注桩，所测3根试桩桩长在52.0m～54.0m之间。

表1 场地主要力参数

3.3 加载装置

本次试验采用自平衡法。其主要装置是一种特制的荷载箱，在基桩成孔之后，将荷载箱埋设在桩端或桩身设计的位置上，依靠荷载箱上部桩的摩阻力、桩重与荷载箱下部桩的摩阻力、端阻力提供的反力，达到平衡。通过试验参数，可以推算出单桩承载力。加载时，从桩顶由高压油泵通过输油管对荷载箱内腔施加压力，荷载箱箱盖、箱底同时被推开，产生位移，荷载逐次传递给试桩。本次试验采用慢速加载法进行荷载试验。

3.4 计测装置

荷重测定：采用油压表测控加载量。沉降量测定采用精度为1/100mm，最大量程为50mm的4只百分表（荷载箱底、箱盖的位移棒上各装2只），对称设置在桩顶两侧，通过静止的基准桩、基准梁作为静态参照物，以测量单桩在不同荷载作用下的位移量。试验标准和方法分为以下四个方面：分级加载、位移观测、终止加载条件、卸载。

4 承载力评定标准

试验成果评述：

4.1 试验成果

在各级荷载作用下，试桩的静载试验原始记录汇总，并根据试验结果编绘的曲线见14#、26#、65#桩Q－S曲线图所示。

（1）根据位移随荷载的变化特征确定极限承载力，对于陡变型Q-S曲线，取Q-S曲线发生明显陡变的起始点。

（2）对缓变形Q-S曲线，按位移值确定极限值，极限侧阻取对应于向上位移S上=40～60mm对应的荷载；极限端阻取S下=40～60mm对应荷载，或大直径的S下=(0.03～0.06)D(D为桩端直径，大桩径取低值，小桩径取高值)的对应荷载。

图2 Q-S曲线图

（3）根据位移随时间的变化特征确定极限承载力，下段桩取S-1gt曲线尾部出现明显向下弯曲的前一级荷载值，上段桩取S-1gt曲线尾部出现显向上弯曲的前一级荷载值，见65#桩S-1gt曲线图。

图3 S-1gt曲线图

4.2 转换系数分析

（1）分别求得上、下段桩的极限承载力QU上、QU下，然后考虑桩自重影响，得出单桩竖向抗压极限承载力为：

式中：W——荷载箱上部桩自重；转换系数取1.25～1.4。

（2）根据压桩和托桩受力机理的不同，在相同外荷载作用下，压桩和托桩的位移值不同，计算所得的荷载沉降曲线也不同，“按照托桩的Q+～S+曲线找出与位移S-i对应的Q+i，由此可以得到一系列点(Q+i，S-i)，i=1，2，…，n，将这些点光滑相连得到本文的计算转换曲线如图4所示，若与堆载压桩测得的QS曲线较吻合，说明k的取值较准确；反之，则不准确。

图4 Q-S曲线与转换曲线

(3)k值影响分析：自平衡测试顶桩负摩阻力大于拔桩时的负摩阻力，同时考虑桩身轴向变形的影响(压桩大于顶桩)，将上述系数适当提高后可取压桩正摩阻力与自平衡负摩阻力的比值为0.6～0.8。建议根据工程地质情况k值取用范围为1.25～1.6(根据桩端土强度对桩侧阻力的增强效应，桩侧土层相同，桩端土强度越高k取值越大)。本工程三根桩荷载箱摆放在桩底，桩底位于中风化花岗岩层，转换系数取1.25～1.4。另外，如果对于采用泥浆护壁的钻孔灌注桩，当泥浆过稠时在桩身表面形成“泥皮”，剪切滑动面将发生在泥皮内，对此种情况可忽略正负摩阻的差异，将综合转换系数取值为1.00。

（4）承载力推定：根据托桩的承载力与压桩的承载力之间的转换系数，上述的评定标准及公式，通过现场实测资料验证，推定试桩的单桩竖向极限承载力参数如表2。

表2 试桩单桩竖向极限承载力参数表

5 桩底托桩的承载特性与桩顶压桩的承载特性

据Q～S曲线可以确定极限荷载和极限沉降量以及不同荷载时的沉降量。从荷载传递机理的角度分析，桩底托桩的承载特性与桩顶压桩的承载特性显然是不同的[3]，具体表现在以下方面[7-10]:(1)桩底托桩过程中，桩顶部存在临空面，使得托桩的摩阻力下降较多；而桩顶压桩时，由于桩端土层对下部土的约束加强作用，压桩时摩阻力下降较小。(2)桩顶压桩时，在荷载作用下桩身产生弹性压缩，桩身侧向膨胀，使得桩周土体中径向应力σr增大，通常认为摩阻力τ＝c+σrtanφ(φ为摩擦角)，于是引起桩侧摩阻力的增加。由于临空面的存在，使得桩底托桩时桩侧摩阻力的增加较小。所以，压桩的正侧摩阻力一定大于托桩的负侧摩阻力。(3)从受力力学机理分析，托桩的承载力由负侧摩阻力和桩身有效自重组成，而压桩的承载力由正桩侧摩阻力和桩端阻力组成。综合托桩的受力特点，其破坏形式更接近于摩擦形式。

6 自平衡试验影响

（1）自平衡加载方式下荷载箱上下桩段存在相互影响，其影响程度因桩土参数而异。

（2）上下段桩位移影响量随下段桩桩周土体弹性模量的增加而减少，随上段桩桩周土体弹性模量的增加而减少，随着桩长径比的减少而增加。

（3）随着荷载等级的增加，上下段桩位移影响量非线性同步增加，但其影响率大幅度下降。下段桩由于受到桩侧、桩端土的约束，随荷载等级的增加先增加而后减小且上段桩对其影响明显减弱。

（4）对于实际工程需求精度而言，上下桩段间的位移影响量很小，并不影响单桩极限承载力的判定，故试验转换分析时可将其忽略。

7 结论

（1）在复杂地质条件下或大直径桩基静载试验中，自平衡加载试验是一种安全、高效的基桩承载力测试方法，其结果的准确性已得到大量工程试验的验证，具有良好的应用前景。

（2）14#试桩、26#试桩、65#试桩在各自最大试验荷载作用下，Q-S曲线呈缓变型，位移量均小于40mm；S-1gt曲线沉降间隔逐级增大，最后一级曲线未下弯。根据规范，其单桩竖向抗压极限承载力取值分别取为8290kN、10500kN、6304kN。

通过对本工程推定3根试桩的现场单桩竖向自平衡法静载试验，浅桩的承载力满足要求。

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