桩基础竖向承载力模型试验方法回顾

彭序阳

桩基础作为一种十分重要的基础形式，在建筑工程、道路工程、桥梁工程以及港口工程中得到广泛的使用[1～2]。桩侧的摩阻力和桩端的端承力共同组成了桩基的竖向承载力，全世界范围的从业人员就该项课题实施了大量的室内模拟试验和现场试验，就测定桩基的竖向承载力归纳总结出多种测试方法。本文则重点回顾了静载荷试验法、动力测桩试验法、自平衡测试法和原位测试法等四种方法的基本原理、重要性及各自的适用范围。通过以上方式分别测试获得单桩与土相互作用的桩侧阻力和桩端阻力，并以此来最终确定单桩的竖向承载力。

1 静载荷试验法

对于工程现场中原型桩的研究，静载荷试验法被广泛认可为针对该场合目前最有效可靠的试验方法。因为相比其他方法，桩的类型、入土深度、尺寸、施工方法、所在地质条件和荷载特性等都能最大程度接近实际的工程情况。其它的方法，例如经验参数法[1]，是在静荷载试验方法的基础上提出的；而静力触探法、动测法等[1]，静载荷试验法则被用作其试验的校验标准。

静载荷试验法有很多优点，它是检测确定桩基承载力的基本方法，同时也是目前最可靠最直接的方法，在国际上得到了广泛的应用，国内外很多地基的基础设计和工程实践都是基于此方法，并作为依据跟其他试验方法相比较。但是，静载荷试验法也并非没有缺点，例如：该方法的工期长、成本高、占用施工场地等，由于这些原因的存在，也促使更多的研究人员更加努力的寻求其余更好的方法用于工程实践中。

2 动力测桩试验法

动力测试法是一系列测试方法的总称，这些测试是通过在被研究的桩上施加动力作用，然后测定其在被施加动力作用下的响应，并以测定的结果来分析桩的工作状态。在桩上施加的动力（或称激振力）可以是冲击力，也可是瞬时脉冲荷载（瞬态激振）或持续的周期荷载（稳态激振）等。

IssacsD.V[3]提出了一种解应力波波动方程的动力测桩法，然后SmithE.A.L[4]在此基础做了更深层次的研究，并把该方法投入实际运用之中。将应力波理论作为基础，再经过不断发展，形成了现有的动力测桩技术。运用该种测桩方法原理为将一动荷载施加于桩顶，这样在桩上会出现明显的加速度以及土的阻尼效应，然后测量桩一土系统的振动响应，以波动理论为基础来分析应力波在桩土系统上的传播和反射，分析桩身的阻抗变化情况，最终确定单桩的竖向承载力。

动力测试法的应用非常广泛，可用于测量桩在动力荷载作用下的桩身性状变化情况、确定桩的竖向承载力、检验桩身质量、打入桩沉桩的性状预测及桩基施工机械设备（锤等）性能的监控等。在目前，桩基动力测试领域中最常见、最注重的工作之一就是确定桩的承载力。动测法有多种实现形式，高应变法是以应力波理论为基础，而通过实测波形的拟合法，在当下被看作是最有效的动测法[4]。采用这种测桩方法，是在桩的顶部施加一较大的冲击荷载（冲击锤重一般大于等于预估桩极限承载力的1%），这样瞬时的高应变状态将在桩一土系统产生，并使桩产生明显的贯入深度（贯入度的要求一般为大于等于2mm），然而很多情况下在分析计算决定桩土参数仍然要依靠经验。所以，要进一步提高高应变法精度的关键就是必须将参数值的选取和常规的土工试验参数结合起来。

3 自平衡测试法

采取自平衡测试法测定大直径桩的单桩承载力时，该方法比其他方法更加可靠和有效。在20世纪80年代中期，美国的Osterberg教授率先进行了对桩承载力自平衡测试法的研究。在美国，目前该方法已被大范围的使用，而这些年来在加拿大、法国、日本及香港自平衡测试法也渐渐被推广开来。自1996年起，龚维明等[5]在这种方法的研究上取得了显著而有效的成果，他们对关键设备-荷载箱、位移量测和数据采集处理系统进行了大量的研究开发。这种方法是将一个荷载箱埋设置桩的中下部，然后通过油压管在垂直方向上施加压力，当压力增大到一定程度时，荷载箱就会分离，进而引发了桩侧阻力及桩端阻力的相互作用，直至桩达到极限状态而被破坏。然后通过对测得的两条向上、向下的曲线进行分析，被测桩的抗拔承载力和桩下段的抗压承载力都可被相对精确的获得，然后通过计算，即可确定到单桩的抗压承载力。但是Osterberg法在纯摩擦桩和端承桩上的运用遇到了一些阻碍，因为若没有采取辅助措施或进行预处理等办法，一旦桩身阻力或桩端阻力其一达到极限而是桩遭到破坏，后续的测试很难继续进行。针对这一问题，黄锋等[6]在进行大量研究之后提出了对该测试法的改良措施，可以证实在Ostetherg法中桩承载力的发挥受桩周围土体非连续变形的影响相当有限，并且Ostetherg试验和传统的压桩试验测得的桩的总承载力（摩阻力和端承力之和）的结果是非常接近的。

4 原位测试法

常见的采用原位测试法确定基桩承载力的方法有：静力触探试验、动力触探试验和旁压试验三种[6]。在它们之中，静力触探试验己作为国家规范被多个国家采用，我国铁道和建工等多个部门多年年来也针对试验方法此做了大量的研究。动力触探试验主要可分为标准贯入和圆锥动力触探两种方式，而锤击数N都是他们分析土层的物理力学性质的唯一试验指标。标准贯入试验在国际上被大量运用，并且累积了一定的经验公式。圆锥动力触探则因能够连续贯入，并且操作简单便捷，进而使标准贯入试验的缺点得到弥补。旁压试验法为法国创造，并且已有一系列规范被制定。而在我国，国产的旁压仪的工作压力偏低，对于过深的土层强度和变形参数的测定尚有难度。

5 以上方法不足

上述方法的研究，基本都把三维的桩-土体系简化为一维体系来研究，实质是把桩看作一维杆件，把土对桩造成的影响用若干参数进行替换。如果要用更加贴近真实情况的三维体系进行的理论分析研究，因为数学和力学上的障碍难以得到显着的成效。曹胜敏[7]在其博士论文中研究了高桩码头桩竖向荷载下桩-土耦合作用。其研究结果指出：影响高桩码头桩基竖向承载性能的因素众多，桩侧土的性质及土层分布、桩端土层的性质、几何特性等都对其性能造成影响。该试验研究了竖向荷载作用下桩-土耦合作用，但码头高桩并非只承受竖向荷载的作用，还要承受水平荷载、倾斜荷载等多种荷载的联合作用，多种荷载的作用使桩基的性状更加复杂。因此，应进一步完善本文使用的模型，进行研究和计算分析，并获得期望的成果。在建筑结构中，桩基并非一个独立的个体，更多情况是的群桩基础共同发挥作用，所以有必要在单桩研究的基础上，进一步开展群桩基础下的桩-土藕合及力学、稳定行为的研究[8]。

6 结束语

本文回顾并总结了当前评估桩基竖向承载能力模型试验的几种基本方法：静载荷试验法、动力测桩试验法、自平衡测试法以及原位测试法的基本原理、重要性及适用范围。静载荷试验法是检测确定桩基承载力的基本方法，同时也是目前最可靠最直接的方法，但该方法并不是没有缺点，如成本过高、工期过长、施工占地面积大等都制约了它的应用；动力测试法是通过在被研究的桩上施加动力作用，然后测定其在被施加动力作用下的响应，并以测定的结果来分析桩的工作状态，其应用范围十分宽广。

采取自平衡测试法测定大直径桩的单桩承载力时不失为一种更加可靠和有效的方法；原位测试法则主要是通过静力触探试验、动力触探试验和旁压试验三种方式来确定基桩承载力。但以上几种方法亦存在其各自的缺点，望在今后的科研工作中能够对适宜于各种不同情况下的方法进行改进，为进一步研究桩-土系统之间作用的机制，确保桩基础在工程使用中的安全、适用性和耐久性能等方面提供一定的参考。

[1]朱守鹏，刘齐茂.桩-土-结构相互作用研究综述及展望[J].四川理工学院学报，2011，24（3）：253～257.

[2]张波.粘土与加筋材料接触面力学特性研究与工程应用[D].南京：东南大学，2005.

[3]Issacs D.V.Reinforced concrete pile formulas[J].Transaction of the Institution of Engineers，Australia.1931：312～323.

[4]Smith E.A.L.Pile drivinganalysisby thewaveequation[J].Joumal of the Soil Meehanics&Foundations Division.Proceedings of the American Society of Civil Engineers，1960，86（SM4）：33～61.

[5]龚维明，邹小平.钻孔灌注桩桩底压浆设计施工分析[J].建筑结构，1996，04：78～82.

[6]黄锋，李广信，郑继勤.单桩在压与拔荷载下桩侧摩阻力的有限元计算研究[J].1999，06：98～104.

[7]曹胜敏.高桩码头桩竖向荷载下静动力学行为研究[D].四川：西南交通大学，2008.

[8]孙训海.土工合成材料界面特性研究[D].天津：天津大学，2005.