新型基桩抗拔检测反力装置的设计研究

刘强LIU Qiang

（深圳市房屋安全和工程质量检测鉴定中心，深圳 518000）

0 引言

土地资源日益紧缺是建筑行业发展面临的重大难题，在资源相对有限的情况下，为满足居民的住房需求，创造行业发展的经济增长点，房屋建筑开始朝着高层建筑、超高层建筑方向发展。建筑体高度不断增加，建筑规模、体积不断增大，基桩工程的施工质量也被提出了更高的要求。基桩的承载能力是其施工质量的重要评估指标，同时也是建筑体稳定、长期使用的必要保障[1-2]。在现有的检测方法中，基桩工程涉及的检测项目众多，围绕力学指标的测定主要有抗拔试验、抗压试验等，采样的方法则有钻孔抽芯取样等，不同检测技术的原理与内容存在一定差异。抗拔试验是单桩承载力检测的主要内容之一，现有的检测技术主要是通过向其承力部分施加竖向抗拔力来实现抗拔能力的测定，而测定过程的关键指标是单桩顶部的位移量，通过相应公式的核算，最终确定单桩的实际荷载能力[3]。反力装置是抗拔试验常见的设备之一，现阶段市售装置的检测荷载普遍偏低，应用场景相对有限，且使用过程中尚存成本偏高、安装步骤繁琐等问题。为克服上述问题，本研究拟提出一种新型基桩抗拔检测反力装置，以下对其设计方案进行论述。

1 基桩抗拔检测的重要意义

基桩抗拔检测是检验基桩承载能力的有效方法，施工结束后对基桩进行抗拔检测具有重要的意义。从既往施工经验看，基桩施工质量受到多种因素的影响，以保障工程施工质量、减少工程事故风险、控制项目建设成本等为目的，技术人员对桩基础的受力形式以及各个检测项目的必要性进行了多层次分析。正常情况下，桩基础主要存在抗压力（竖向）、抗拔力（竖向）、水平力三种受力形式，根据桩基础所处环境以及建筑结构的不同，桩基础可能承受其中一种力的作用，或者多种力共同作用。根据桩基础受力形式的差异，桩基础被人为地划分为多种不同类型，例如，以承受抗拔力为主的单桩又被称为抗拔桩，主要用于水工工程（如地下人防工程）之中。在竖向抗拔力的作用过程中，单桩承受的荷载会以摩擦阻力的形式向周围的土壤中传递，除方向相反外，其他作用规律与桩身承受下压荷载相同。从破坏模式看，在初始阶段，浅部土层是提供上拔阻力的重要主体，桩身所受到的拉应力主要分布于上半部分；随上拔荷载的作用，单桩的上拔位移量将逐渐增加，此时桩身的应力开始向下扩展，桩身所受拉应力的分布情况发生明显变化；待桩身的上拔位移量超过某一限定数值后（一般情况下，桩端位移量的极限值约为6-10mm），桩身所处土层的抗拔阻力达到极限，抗拔阻力的数值开始显著下降；在上拔荷载进一步增加的情况下，基桩即进入破坏模式。基于上述分析，实际工程项目中，单桩桩身周围的土壤性质、抗剪强度、侧压力洗漱、桩身侧表面的粗糙程度、桩周土体的扰动等均有可能对单桩的抗拔能力产生影响，模拟实际受力环境，对基桩的抗拔能力进行检测，能够确保技术人员掌握单桩桩体的竖向抗拔极限承载能力，从而为后续施工、质量验收工作的开展提供保障。

2 新型基桩抗拔检测反力装置的基本结构

在抗拔试验中，反力装置是一种比较常用的仪器，对检测基桩的抗拔能力有重要价值。目前实际工程中应用反力装置大多通过反力桩来提供支座反力，此种策略下反力桩顶面的平整程度以及装置自身的强度等会对实际的测定结果产生影响，为保证测试结果能够反映基桩的竖向抗拔极限承载能力，检测前需要根据实际检测任务对反力桩的强度、顶面的平整程度进行检验。参考既往的设计经验，在反力梁的稳定性不符合实际测试项目的要求时，检测人员可考虑通过调整顶面直径与反力梁梁宽之间的大小关系或者适当增加钢板垫块等方式增强其稳定性。一般情况下，构建反力架系统检测基桩的抗拔能力时，整个系统应当具备不低于1.2 倍的安全系数。除通过反力桩进行测定外，也可考虑利用天然地基，即由施工现场的地基作为“反力桩”，为桩体提供支座反力。

本研究设计装置考虑利用天然地基提供支座反力，按照该测试策略的要求，在测定过程中需要合理控制支座两边的地基强度、接触面积，保证地基强度水平以及实际接触面积等相近。一般情况下，向地基施加的压应力需要警惕沉降不均匀等问题，保证支座中心与反力梁支点重心重合。在设计加载装置时，反力装置一般采用油压千斤顶作为加载装置，千斤顶一般有两种不同的方式，如图1 所示。根据测试桩体的直径、设计承载力等合理选取千斤顶的布置方式，是设计过程的重要难题。荷载量测装置一般指放置于千斤顶上的传感器或者与千斤顶直接相连的其他仪表，其量测的主要原理是测定千斤顶的实际油压，然后结合相关曲线、公式进行核算，最终确定实际荷载数值。

综合考虑上述设计要点，本研究设计了如图2 所示的反力装置，用于测定基桩的抗拔能力。仅从整体结构与装置包含的构件来看，本装置的构件与既往装置相似，主梁（2 根）、反力梁（2 根）、千斤顶（4 个）、锁固组件，而其结构创新主要体现在反力梁、主梁以及千斤顶的布置等方面。图2 中，2 根反力梁与2 根主梁分别平行布置，参考现有的设计标准与既往设计经验合理控制梁间间距，反力梁置于地基表面，主梁布置于反力梁的上方。完成反力梁与主梁的布置任务后，即可开始安置受检基桩。为保证抗拔试验环境与单桩实际工作环境的一致性，直接将受检基桩埋设于施工场地的地基内部，然后将基桩主筋与锁固组件进行连接。从整体结构来看，2 根反力梁与2 根主梁形成了稳定的对称结构，在主梁、反力梁对应的跨接处安装千斤顶。

图2 基桩抗拔检测反力装置具体实施例的平面图

3 新型基桩抗拔检测反力装置的工作原理

单桩抗拔检测的主要目的是用现有的技术条件模拟基桩工作的实际条件，通过测定其单桩的抗拔承载力来判断该基桩是否能够满足设计要求。从检测过程的特征与目的来看，基桩与土之间的相互作用是基桩抗拔检测必须慎重考虑的问题，通过恰当的技术手段，对桩身与围岩的总抗拔摩擦力极限值进行测定，对判断其力学性能有重要意义。而既往采用的加载反力装置策略的核心是将单桩的受力钢筋（主筋）与加载反力装置进行妥善连接，由相应施工场地的天然地基参与试验，负责提供支墩反力，通过测定该状态下单桩的上拔位移量，综合评定其承载力。本研究设计装置的侧重点是增加其检测荷载，简化应用过程的安装步骤与操作。本装置的工作原理为：千斤顶正常动作，主梁和反力梁随油压的升高开始受力；在千斤顶的底部，反力梁直接将作用力传至坚硬的地基，或由反力支座完成传力；在千斤顶的顶部，单桩受到竖直向上的拔力作用；通过读取油压数据，即可了解基桩的承载力，然后与基桩工程的设计标准进行比对，判断该受检基桩是否能够满足本工程的设计要求。按照图1 所示安装、调整好装置之后，即可开始进行基桩抗拔检测。而从现有的技术条件来看，获取数据以及根据数据分析基桩荷载能力并无技术难题[4]。将本装置应用于基桩抗拔检测，具有一定的可行性。

4 新型基桩抗拔检测反力装置的技术方案

为有效完成基桩抗拔检测任务，简化装置安装流程，提高装置的检测荷载，本装置采用了如下技术方案：

①2 根反力梁之间的间隔形成方形区域，受检基桩置于中心，2 根反力梁间距＞4m；

②锁固组件由多个锁板（高强度钢板）和多个锁具构成，相邻锁板之间预留间隔空间，以便在安装基桩时主筋能够顺利穿过；

③锁具由钢圈和至少两个夹片组成，钢圈呈梯形，主要用于套接主筋，钢圈内部设有夹片，用于稳固主筋；

④考虑到检测时的平衡性，所有千斤顶选择同一型号。而从构件的布置特点与整体结构来看，本装置共设计四台千斤顶，呈对称布置，该方案增加了传力的稳定性，增大了检测荷载。锁固组件与锁具的结果如图3 所示。在选择锁紧方案时，现有的技术手段也能够将主筋锁紧在主梁上，但其实际效果不如上述技术方案③，综合考虑操作的便捷性、锁紧的效果等多种因素，最终决定选择钢圈和夹片配合的结构来完成锁紧。

图3 新型基桩抗拔检测反力装置锁固组件示意图

与现有的检测装置相比，本装置具有以下特征：

①装置中有2 根反力梁、2 根主梁，主梁横跨布置于反力梁之上，梁间采取平行布置策略，根据基桩的直径、设计标准等控制间距，主梁、反力梁、千斤顶形成稳固结构；

②通过锁固组件将基桩的主筋固定在主梁上，千斤顶正常工作后，主梁和反力梁开始受力，并分别将力传递给受检基桩、地基，主梁所受拔力是抗拔检测的关键；

③参考JGJ 106-2014 的相关规定，对梁间间隔做进一步优化，重点在于受力和传力的稳定性；

④钢圈和夹片配合的结构具有现场安装、操作方便等优势，检测前将主筋置于钢圈之内，铜鼓夹片卡进行紧固，千斤顶正常工作后，随油压的逐步升高，主筋开始受到拉力的作用，方向向下，夹片卡在钢圈与主筋之间，从而达到锁紧主筋的作用；

⑤锁板是锁固组件的重要组成部分，考虑到增加检测荷载这一需求，选用HC420LA 高强度钢制成的锁板，然后采取侧立式排布策略，以方便锁紧主筋，提高支撑强度。

5 新型基桩抗拔检测反力装置的实施

本装置的目的之一是提升装置的性能，在原有装置设计经验的基础上，增加千斤顶的数量，以对称布置的策略与巧妙的结构，保证传力的稳定性，提升检测荷载。经过现场试验，本装置可以达到2000 吨的荷载。但在具体实施过程中，仍然需要根据基桩抗拔检测的实际需要对装置进行适当调整。以下对几种常见情况进行分析。

在千斤顶工作过程中，由于环境条件的差异，千斤顶有出现倾斜的风险，继而对最终的检测结果产生负面影响。从保障检测结果的准确性出发，需要在原有结构的基础上增加第一反力支座和第二反力支座等装置，提高千斤顶工作时的稳定性。但增加支座也会带来新的问题，即底部的平整性。按照千斤顶工作的基本要求，在作业过程中，千斤顶的底部不平会影响反力的大小与方向，继而影响最终的测定结果。第一反力支座和第二反力支座的出现，势必会对其底部平整性产生干扰作用，而为了抵消这一因素带来的影响，支座必须配备水平仪，并由专业检测人员对装置进行调整，通过观察水平仪情况判断支座是否调平，以及千斤顶的底部是否平整。以上仅探讨了两个千斤顶共用一个反力支座的情形，具体实例中，反力支座的数量可进行适当调整。与共用支座相比，独立配置方案更具灵活性，既为检测过程中的便捷移动创造了条件，又方便了检测人员的操作。

除直接加装支座、配备水平仪外，在实际检测任务中，受地基不平等因素的影响，单纯依靠调整位置等测量难以实现调平，而将支座设计成可调式结构，能够有效解决此类特殊场景的调平问题。可调节的核心是增加可调部件，具体措施是在底部四角安装调节螺杆，螺杆通过螺纹孔与反力支座之间形成有效连接，然后再加装转动手柄，通过操作手柄来调节角度，实现调平目的。需要注意的是，螺杆的可调角度与其适用性有着密切关联，根据抗拔检测的需要以及现场环境选择可调反力支座，能够有效提升调平的效率。不仅如此，在实际检测过程中发现，可调式反力支座能够有效扩大本装置的适用场景，满足不同场景下单桩抗拔检测的需求。

6 结语

基桩抗拔检测是施工检验的重要内容，是验证单桩承载能力是否能够满足设计要求的必要过程，对建筑体的施工质量有一定的保障作用。针对目前市售基桩抗拔检测反力装置存在的检测荷载有限、安装过程繁琐等问题，以及实例中基桩抗拔检测的实际需要，本研究提出了一种新型装置，通过四台千斤顶对称布置，增加了装置的检测荷载，反力梁之间间距的合理控制以及结构的巧妙设计，形成了相对稳固的结构，增加了传力的稳定性。此外，考虑到检测实例中地基不平等风险，本装置在应用时可通过加装可调式支座的方式来稳定整个结构，增加千斤顶工作的稳定性。