桩基承载力自平衡检测技术与具体应用

尹军衡

(广州港湾工程质量检测有限公司，广东 广州 510230)

1 引言

灌注桩桩基是现代工程中的重要应用形式，但工程施工中对其性能提出了较高的要求，以合理的方式掌握其承载力情况具有重要意义。基于承载力检测的方式可帮助施工人员全面了解结构性能，常见的有传统静载法、自平衡测试法等[1]，大量工程实例表明应用较为广泛的当属自平衡测试法，其在单桩工程承载力检验中具有较好的应用效果，是行业内的主流技术。

2 工程概况

本文以粤澳新通道(青茂口岸)澳方联检大楼及粤澳名优产品博览中心综合体为背景，澳方联检大楼设计桩径分别是直径2m、1.5 m和1 m三种。设计基岩取值：所有桩持力层嵌固于微风化岩石上，石层等级为Ⅱ或更好，岩石单轴抗压强度(UCS)最小不低于50 MPa，及其取芯率(TCR)不少于95%；桩柱的混凝土设计级别为B40，钢筋设计级别为A400。

3 自平衡检测原理

根据灌注桩的结构特点，自平衡检测在其中具有较好的应用效果，在检验单桩竖向极限承载力工作中可行性较高，还可用于极限端阻力等方面的性能检验。桩基自平衡法的适应能力强，在绝大部分场景中都可正常使用，检测工作使用到传感器(用于检测应力、应变等)与位移杆，最为关键的是荷载箱，此部分以桩的类型及规格为依据合理配置，是加载作业的重要装置[2]。正式测试前，选择符合检测要求的荷载箱并将其置于桩端附近，基于对桩自身反力平衡原理的应用实现对桩身的加载，伴随该加载量的持续增加，当其达到桩承载力极限状态时即可停止，结束整个检测工作。

4 自平衡检测技术

4.1 检测装置

4.1.1 加载装置

选择环形荷载箱，该装置有效行程15 cm，正常运行状态下加压可提升至60 MPa，以此为基础配套高压油泵，要求此装置加压单位为0.5 MPa。

4.1.2 位移传感器

选择高精度位移传感器，将该装置安装在桩基础，为实现高效的检测需满足量程≥50 mm的要求，配套磁性表座，将该装置与钢梁稳定连接[3]，本次检测所用传感器为8只，分别负责向上位移量(3只)、向下位移量(3只)，剩余2只主要用于检测桩顶向上位移量。此外，使用到位移计并将其设置在荷载箱上、下间，作用在于检测两部分的相对变位情况。

4.1.3 应力量测

选用应变计检测桩身轴力，布设区域为岩土分界处，共使用到4个，遵循的是对称布设原则，分别获得各自结果并经整理后取平均值。于桩端处增设压力计，目的在于检测桩端反力情况。

4.2 检测方法

荷载桩埋设至桩中，使其与钢筋笼形成稳定连接关系，延伸位移棒和油管，使两部分均有效引出地面。运用油泵，在其作用下实现给荷载箱持续供油，在压力作用下将箱的顶、底部相互分离，由此将形成上、下两个方向的推力[4]。

4.3 荷载传递

荷载会沿着桩身轴线的路径发生传递，桩结构接收到荷载后其依然维持稳定状态，表明此时混凝土与钢筋两部分结构的应变具有等值关系，通过应变计则能获得各荷载状态下所对应的应变情况，进一步明确桩截面的状况，如轴力、摩阻力等，从中确定荷载传递规律。

4.4 检测步骤

4.4.1 加载

加载过程遵循慢速的原则，避免某环节出现异常增加荷载或是减小的情况[5,6]。

(1)由业主、监理或设计单位指定，对施工编号为ZH-16#和ZH-45#的2根工程桩进行单植竖向抗压承载力自平衡法静载荷试验，检测试桩的单桩竖向抗压极限承载力。这2根桩的技术参数见表1。

表1 技术参数

(2)考虑到试桩自重大的特点，严格控制好每级加载量，本工程设计为10级加载、5级卸载。

(3)结束加载后，每5 min、15 min、30 min、45 min、60 min依次完成检测，后续可将间隔设定为30 min不变，传感器对接计算机以实现高效率的检测与分析，在程序的控制下获得检测数据并创建关系曲线，为用户直观分析提供材料。

4.4.2 终止加载的条件

气候倾向率采用一次线性方程表示，即：Ti=a0+a1ti ，式中：Ti为气温，ti为时间；a1为线性趋势项，a1×10表示气温每10a的气候倾向率。对趋势系数进行显著性检验。

(1)若位移量≥40 mm，同时本级荷载状态下所带来的下沉量达到上级该指标的5倍时，表明完成加载作业，可停止，此时选取前一级荷载并将该值作为桩基的极限荷载。

(2)若位移量≥40 mm，同时在结束荷载后的24 h内都维持稳定状态时，即可结束加载作业，极限荷载的选取方式与上述一致。

(3)若位移量<40 mm，以设计值与安全系数乘积为基准，若实际位移不小于该值，满足此条件时即可结束加载作业，此时的极限荷载选择方式与上述不同，即指的是本级荷载。

4.4.3 卸载

(1)遵循分级卸载的原则，每执行一次都检测桩顶回弹量，在相对稳定后方可组织后续环节的卸载作业，工程采取5级卸载方式。

(2)结束卸载后，以15 min为间隔依据观测。

4.5 检测结果

ZH-16#试验加荷方式为慢速维持荷载法，试桩的每级荷载增量均为3410 kN，加载至34100 kN后，受业主委托最大试验荷栽增加至37510 kN，试桩的向上位移累计达到8.21 mm，取37510 kN为上段桩的极限承載力。

试植的向下位移累计达到3.98 mm，取37510 kN为下段桩的极限承载力；ZH45#试验加荷方式为慢速维持荷栽法，试桩的每级荷载增量均为1910 kN，加载至19100 kN后，受业主委托最大试验荷载增加10%至21010 kN，试桩的向上位移累计达到8.26 mm，取21010 kN为上段桩的板限承栽力；试桩的向下位移累计达到334 mm，取21010 kN为下段桩的极服承载力。

做好检测前的准备工作，基于声测法掌握桩身情况，分析其是否存在缺陷。通过对检测结果的分析得知桩身质量良好，具体内容见表2。

表2 检测结果

以上述所得的检测结果为依据，ZH-16#试验桩的单桩竖向抗压极限承载力为74880 kN，满足设计要求；ZH-45#试验桩的单桩竖向抗压极限承载力为42210 kN，满足设计要求。

5 讨论

自平衡试桩法还有许多方面的问题值得深入探讨。一般来说，该技术的基本原则为：在测试之前计算桩身的反力，然后确定反力的平衡点，最后实现桩身的加载。这个过程十分复杂，因此在计算过程中会产生较多的问题，使得平衡点的求解难度加大。在计算过程中还要考虑误差的问题，误差产生的原因主要发生于测试结果向静载转换的过程，因为转换系数的存在导致了分析误差，因此，必须要解决转换过程中误差存在的问题。

此外，该技术是近来才被发现，并广泛用于极限承载力测试。通过许多案例分析，与其他传统的方式方法相比，该技术具有很大的优越性，因此在北美等地区得到了很好的推广应用。

6 结语

本文以工程实例为背景，基于自平衡检测技术分析桩基承载情况。结果表明：该技术所得结果的精度较高，实际操作中便捷性较好，在大直径、深桩基中具有优良的应用效果，可做到省时、省力、可靠。因此，所提出的自平衡检测技术具有参考价值，值得工程人员应用到类似的桩基检测工作中，以所得结果为依据形成合理设计方案，并可确保各环节施工的效率与质量。