自平衡法桩基检测中转换系数敏感性分析

谌洪菊 CHEN Hong-ju

（广东惠佳工程检测有限公司，惠州 516023）

0 引言

随着我国高层建筑的崛起，桩基础已经成为工程建设一种主流的形式，桩基础的合理建设对实际工程建设至关重要。桩基的承载力检测方式有很多种，其中自平衡测试法在一定程度上解决了承载力检测的难题，同时也给出了自平衡桩基检测转换系数的取值范围，但在实际工程应用中，还是根据经验确定，由于实际环境中的不确定性因素，导致现场实际荷载施加的平衡点位置取值保守。为此，不断有学者开展关于自平衡法桩基检测中转换系数取值的研究。如潘学忠[1]通过实际工程项目试验桩进行了自平衡法静载试验分析，并与传统试桩检测方式进行对比，得到对比结果，对实际工程结构设计提供了有力的依据。张健[2]等人对岩溶区试桩工程案例进行分析，采用自平衡法桩基检测方式对桩基承载力进行检测，结果表明，由于研究实际工程的复杂性，自平衡法不适用于承载力检测试验。蔡雨[3]等人研究自平衡检测与传统紧压桩荷载的传递规律的差异以及形成的原因，通过花岗岩残积土进行试验，经过分析得到荷载的传递规律。本文通过实际的工程案例进行分析，对自平衡法桩基检测转换系数的敏感性进行了详细研究，本文的研究成果可为今后的工程设计提供一定的指导与借鉴意义。

1 工程概况

本次研究以江西省南昌市某校园扩建教学楼工程为例，该建筑为框架结构，共7 层，其中地下2 层，地上5 层，总高度为20.45m。考虑到上部结构载荷对基桩的整体需求，本建筑结构共涉及286 根桩，主要分为抗压桩和抗压、抗拔桩两种，其中抗压桩有110 根，抗压、抗拔桩有176根。所有桩设计桩径为800mm，桩长为9.0～17.6m。该工程场地的地质从上至下依次为杂填土、淤泥质粉质黏土、粉质黏土、细砂、粗砂、强风化泥质粉砂岩和中风化泥质粉砂岩，土体具体参数如表1 所示。

表1 土体参数建议值

2 试验研究及分析

本文主要选取典型桩558#进行研究，该桩设计桩径为800mm，桩类型为自平衡试桩，桩长约为11.70m，设计承载力特征值抗压为4500kN，荷载箱顶底盖直径为690mm。

试验检测前，首先预估自平衡试桩平衡点所在位置，并预先将荷载埋在平衡点位置处，本次设计的荷载箱采用自平衡试桩上下两部分进行加载。当试验开始时，载荷箱内部通过油泵进行加压，上下桩同时施加荷载，通过荷载传感器对平衡点处的荷载箱施加的荷载进行采集，采用两个位移传感器分别获取上段桩的桩底位移和下段桩的桩底位移。

对558#桩承载力现场检测，将现场采集到的实验数据进行整理并绘制相应的Q-s 曲线，见图1。

图1 558# 桩承载力试验的Q-s 曲线图

现场监测得到的558#桩承载力试验图如图1 所示，当平衡点处的施加载荷为4600kN 时，达到预定的荷载值，这时停止荷载施加，上桩段沉降位移为7.04mm，而下桩段位移为10.21mm，根据图1Q-s 曲线可以看出该曲线为缓变型，卸载后，上段桩最大回弹量达到3.86mm，下桩段最大回弹量为6.22mm。

3 有限元模拟分析

3.1 模型建立与简化

对教学楼的典型桩558#桩进行模拟，由于土层分布的复杂性，在进行分析时，需要进行合理的简化，根据具体的工程现状，本工程建筑具有两层地下结构，地下室平面自上而下土层为淤泥粉质黏土、粗砂、强风化泥质粉砂岩及中风化泥质粉砂岩，相关土体参数见表1。

本次分析典型桩558#桩选用弹性模型，土的材料选用摩尔库伦模型，由于存在边界效应，为了避免边界效应对实验结果的影响，本次设计将边界的宽度设为8m、深度23m、桩径0.8m、上段桩长度8.2m、下段桩长度2.8m。采用Plaxis 3d 软件建模分析，根据实际情况，对传统压桩进行模拟，加载过程分为25 步，每一级施加荷载1kN，得到荷载位移曲线，从而得到转换系数的取值范围。

3.2 工程桩荷载沉降位移分析

通过Plaxis 3d 对实际工程进行数值模拟分析，将其结果与现场试验的结果进行对比，桩558#荷载位移对比图如图2 所示。在同样条件下，当施加4600kN 荷载，数值模拟上段桩位移为8.85mm，下段桩位移为-10.85mm；而现场试验上段桩位移为7.04mm，下段桩位移为-10.21mm。结果表明，现场试验检测值小于数值模拟值，但其呈现的趋势一致，经过模拟分析后结果与现场试验的数据接近，因此，该模拟结果同样适用于工程应用中。

图2 桩558# 荷载位移对比图

4 不同因素对转换系数的影响分析

4.1 转换系数与粘聚力c、内摩擦角φ 的关系

采用Plaxis 3d 进行有限元计算，在同样的条件下，分别对比粘聚力c 为16.0kPa、19.0kPa、22.0kPa、25.0kPa 和28.0kPa，内摩擦角为15.3°、18.3°、21.3°、24.3°、和27.3°，一共分为10 种不同的工况，得到10 种工况下各个荷载级对应的沉降位移，如图3 所示。可以看出自平衡法桩基检测的Q-s 曲线几乎没有太大的差异，因此，粘聚力和内摩擦角对自平衡法桩基检测中转换系数的影响较小。

图3 自平衡试桩Q-s 对比图

4.2 转换系数与桩土刚度比Ep/Es 的关系

在同样的情况下，对比桩土刚度比Ep/Es 为5604、4133、3274、2710 和2312，一共分为5 种不同的工况，得到5 种工况下各个荷载级对应的沉降位移，如图4 所示。随着桩土的刚度比的增大，转换系数也随之增大。通过等效位移对比的方法，得到转换系数γ 的取值分别为0.87、0.89、0.91、0.92、和0.92。

图4 自平衡试桩荷载位移对比图

4.3 转换系数与桩径比1/d 的关系

根据实际工程现状，模拟桩的长度为11.7m，在其他控制参数不变的情况下，桩径比分别为12.32、13.00、13.76、14.63 和15.60，一共5 种工况。由于桩径比的不同，各个荷载级的应力也是不同的。

根据图5 所示，随着桩径比的增大，在同一荷载级下下段桩的沉降位移出现减小的趋势，而上段桩随着桩径比增大，上段桩的沉降位移出现减小趋势。通过计算自平衡桩试验的等效位移，得到各桩刚度比下的转换系数分别为0.83、0.85、0.86、0.87 和0.89，并且随着桩径比的增大，转换系数也随着增大。

图5 自平衡试桩荷载位移对比图

4.4 转换系数与平衡点位置的关系

平衡点位置的确定对于自平衡桩基检测有较大的影响，在自平衡模拟桩其他参数不变的情况下，自平衡桩基检测设置平衡点的位置分别为2.0m、2.4m、2.8m、3.2m 和3.6m，经过有限元计算，得到各平衡点下的沉降位移对比图如图6 所示。从图中可以看出，平衡点位置离桩底的距离越长，同一荷载级的上段桩的沉降位移会出现增大的趋势，而同一荷载级的下段桩的沉降位移会出现减小的趋势。

图6 自平衡试桩荷载位移对比图

对比图6 计算得到各个平衡点处对应的转换系数的取值分别为0.89、0.88、0.87、0.86、0.84，并且随着平衡点位置距离桩底的位置越远，转换系数的取值越小。

5 结论

本文以具体的工程实例，基于有限元模拟和现场检测两种方式分析了自平衡检测桩和传统静压桩的模型试验，通过等效位移曲线对比方法得到其转换系数，并研究了不同因素对于转换系数取值的影响，得到以下结论：

①通过Plaxis 3d 对自平衡检测和传统静压桩试验进行计算，结果表明现场试验检测值略小于数值模拟值，但其呈现的趋势一致，数值模拟的可靠性得以验证。

②通过自平衡桩基检测试验，将等效位移曲线对比得到转换系数，分析了不同影响因素对于转换系数的影响：结果表明，粘聚力、内摩擦角对自平衡法桩基检测中转换系数取值的影响较小；随着桩土的刚度比、桩径比的增大，转换系数也随之增大；平衡点位置距离桩底的距离越近，其转换系数也就越大。