自平衡試樁法有關問題探討

孫偉明

（南昌大學建筑工程學院，江西 南昌330000）

1 前言

目前，隨著高層建筑和橋梁工程的日益增加，樁基礎的運用也越來越廣泛，樁基礎工程相關的技術也越來越成熟。由于樁基礎一般占工程總造價的很大一部分，合理的確定樁基礎的承載力，使樁基礎在保證工程質量的情況下最大限度的發揮其承載力，對節約樁基礎的造價成本有重要的意義。一直以來，我國對于樁基礎承載力的試驗都停留在傳統的靜載試驗方法上。而傳統的樁基荷載試驗方法有兩種，一是堆載法，二是錨樁法。在堆載法中，反力架上的堆重與千斤頂的反力平衡，目前國內堆載法試樁的最大極限承載力僅達3000t，而在錨樁法是通過反力架將反力傳給錨樁千斤頂的反力與錨樁的抗拔力平衡，其試樁最大極限荷載承載力也不超過4000t。由于受荷載噸位、場地條件的限制，且費用高，試驗周期長等缺點，靜載試驗法一直是樁基礎工程領域里面臨的一大難題[1]。

隨著樁基工程中對大噸位以及特殊場地樁基工程的增多，急切需要一種能很好解決上述問題的樁基測試方法，自平衡測試方法作為一種新型的測試技術的就能很好的解決上述問題。

2 自平衡試驗法的原理

1988年，美國學者Osterberg提出的利用試樁自身的反力平衡的原則，將荷載箱預埋于樁底用于測試不同樁基的端阻力和樁側摩阻力的方法稱為“O-cen法”，及所謂的“反向加載法”（我國稱之為自平衡法）。這種樁基的試驗方法在國外已經運用了十多年了，測試樁的最大承載力達134MN[2]。20世紀90年代，我國東南大學的學者運用這項技術，并將其發展成將荷載箱放置于樁身的某一平衡點，將荷載箱的高壓油管和位移棒引至地面，由高壓油泵向荷載箱沖油產生的載荷傳遞到樁身，使上端達到極限承載狀態是的負摩阻力與下端同時達到極限狀態時的正摩阻力以及端阻力相等，上下樁反力大小相等，方向相反，從而達到試樁自身反力平衡加載的目的，稱為“自平衡法”[3]。

我國東南大學土木工程學院與江蘇省建設廳、南京市建筑質監站于1996年開始實用性應用，并于1999年制定了相應規程[4]，并獲兩項國家專利。目前該法在江蘇省廣泛應用，在河南、浙江、云南、安徽、上海、福建等省也已開始使用，并取得了良好的效果。其原理示意圖見下圖1：

3 自平衡試樁法的裝置

自平衡法靜載試驗的主要裝置是一種經過特殊設計加工可用于加載的荷載箱，它主要由活塞、頂蓋、底蓋和箱體四部分組成，箱體內是已連接好的若干個大噸位的千斤頂。在頂、底蓋上布置位移棒，用于測試荷載箱的上下位變，從而得到兩條Q-S曲線，其最終的目的是得到傳統靜載方式下樁頂Q-S變化關系及單樁豎向極限承載力。

4 自平衡樁基試驗法的優點

與傳統的靜載試樁法相比，自平衡試樁法擁有以下優越性：

4.1 裝置簡單，占用場地少，無需加載重物，不需構筑反力梁。

4.2 與傳統方法相比，可以節約大量成本，雖然荷載箱為一次性投入器件，需投入一定量的成本。

4.3 試驗后試樁經過處理后仍可作為工程樁使用。

4.4 能同時在樁基的不同深度試驗或同一樁端深度的同時間在同一根樁上方便的進行樁基測試實驗。

4.5 試驗可對加載時間進行控制控制，可以得到實測的樁側和樁端阻力的蠕變行為的數據。

4.6 該方法對場地有很強的適應性，當設置傳統的荷載平臺或錨樁反力梁比較困難時，此方法就更能體現其優勢

4.7 此試驗方法還有操作輕便、靈活、技術先進、加載簡單且自動化程度高受外界環境干擾因素影響小等優點

4.8 對于承載力高的大直徑樁等工程中，能滿足工程的精度要求，并可確定樁基礎的極限承載能力

4.9 自平衡法還可用于樁土相互作用機理的深入研究。

5 自平衡測試方法的不足之處[5]

5.1 自平衡試樁法理論與實際工程上的差異：

首先在“自平衡法”中強調的是正負摩阻力的平衡問題，但是在樁基工程中兩者的不同已是工程界公認的事實，若簡單的將之建立等式有失偏頗；其次自平衡靜載試樁法的剛性體假設是當荷載箱以下的樁側阻力與樁端阻力之和達到極限時，荷載箱以上的樁側阻力也同時達到極限值時，才能比較準確的測定全樁的極限承載力，在實際中，達到這一點是很難的；而且在小荷載水平時，樁土體系才近似為彈性體系，隨著荷載的增大，會表現為非線性的特征。這就指出了“自平衡法”彈性轉化公式的不合理性；邊界條件在樁土體系的承載力的分析中，起著至關重要的作用，所以在自平衡試樁法中不能簡單把兩段試樁中承載力和位移等同一根完整樁的樁土體系的承載力與位移。

5.2 自平衡試樁法在實際工程中操作上的困難之處：

“自平衡法”中平衡點的預估計直接關系到荷載箱在樁身的安放位置，在實際操作中，一般是“按經驗”將荷載箱置于樁身某處，往往引起結算結果與實際試驗結果的差異，“自平衡法”的計算方法有簡化方法和精確方法，對于不同的情況應區別對待，這方面在實際操作中帶有隨意性。

6 自平衡法存在的問題的解決辦法以及其發展前景展望

6.1 清華大學的李廣信教授等人對于正負摩阻力之間的關系做了相關的專門研究，在正負摩阻力之間建立了相應的關系，但是正負摩阻力的準確轉換這方面的理論還不是很完善也是自平衡試樁法有待解決的問題。

6.2 對于剛性體假設可以采用精確轉換法解決，精確轉換法的一般原理都是利用荷載傳遞解析法，根絕自平衡試樁法實測的上段樁的樁側每層土的τ-S曲線、荷載箱處向下的Q-S曲線，在利用位移協調法推導出整根樁的樁頂Q-S曲線來，這個比起簡化的轉化法可避免一定要當樁的下段達到極限同時上段也必須達到極限。

6.3 對于轉化公式建立在彈性體的基礎上的問題以及邊界條件的滿足問題，目前仍需繼續做相關研究，來更好的解決這方面的問題。

6.4 對于“平衡點”的選取問題，有些學者提出了相似模擬試驗法，相對于根據規范經驗值法和數值模擬分析法具有實用、準確、可靠等優點。因為相似模擬試驗法是基于莫爾-庫倫理論，模擬了工程實際情況，使得樁在該法確定的平衡點位置上加載試驗時，上、下段樁都能基本發揮其極限承載能力。

7 結語

傳統靜載試樁法是工程界公認的在測定單樁承載力時最直觀、最可靠的方法，但是由于加載麻煩等許多的缺陷越來越不能滿足目前工程上運用的要求。而自平衡試樁法在加載方式、樁身的受力狀態、以及樁土體系間的相互作用機理的不同，它與傳統的靜載試驗有很大的差別。但是大量結果表明運用這兩種方法測得的樁頂曲線十分的接近。自平衡法作為一種新的樁基試驗技術在實際工程的運用中仍存在不少的問題待解決，這需要這方面的研究學者繼續探索，為自平衡試樁法開辟更廣闊的天地。

由于自平衡試樁法在我國目前還不是很成熟，在運用這種技術的測試單位之間需要更多的交流，將理論研究與實際情況結合起來，使自平衡試樁技術在我國更快更好的發展。

[1]楊勇.進步橋基樁自平衡靜載試驗方法分析[J].水利科學與工程技術，2008，（4）.

[2]龔維明，蔣永生，翟 晉.樁承載力自平衡測試法[J].巖土工程學報，2000，22（5）：532-536.

[3]戴國亮，龔維明，梅國雄.基于-土-巖共同作用的自平衡法試裝分析方法[J].四川建筑科學研究，2002，28（2）：30-32.

[4]冷曦晨，佴磊，劉永平.自平衡法樁基承載力測試中一些問題的探討[J].地震工程與工程振動，2005，25（2）：160-164.

[5]徐風云.樁承載力自平衡法的可靠性之疑云[J].公路，2004，（7）：12-19.