自平衡靜載荷試驗法在山西地區應用分析

郝志鵬 梁大偉 黃 浩

(山西省建筑科學研究院，山西 太原 030001)

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·巖土工程·地基基礎·

自平衡靜載荷試驗法在山西地區應用分析

郝志鵬 梁大偉 黃 浩

(山西省建筑科學研究院，山西 太原 030001)

介紹了堆載法與錨樁法兩種傳統樁基靜載荷試驗方法的優缺點，分析了新型自平衡靜載荷試驗較傳統試驗方法所具有的優點，并闡述了該新型試驗方法在山西地區的應用范圍及修正系數，有利于提高樁基檢測結果的準確性。

樁基，自平衡靜載荷試驗，堆載法，錨樁法

1 樁基靜載荷試驗方法

隨著城市用地的緊張，近年來，高層、超高層建筑和市政橋梁、高鐵建筑的大量涌現，混凝土灌注樁由于其具有地層適應性強、單樁承載力高、樁身剛度大、耐久性好等優點，在工程上被大量采用，目前已成為應用最廣泛的基礎形式。由于其單樁承載力很高，一般都達到1 000 t左右，多的甚至達3 000 t以上，所以樁身承載力必須滿足要求，否則將很容易造成工程事故。對于樁基承載力的檢測，目前最主要的手段是進行靜載荷試驗，主要是因為靜載荷試驗是最直接的判斷手段，該方法實際是通過預壓相當的荷載在樁基上，模擬將來基樁的實際受力狀況，通過分析基樁的沉降量與加載量的關系，判斷基樁承載力是否滿足要求。相比較其他方法，如計算法、動測法、查表法、取芯法等，靜載荷法是最直接的方法，其他方法都屬于間接的方法，故通過靜載荷試驗數據，判斷基樁承載力是否滿足要求是目前最可靠的方法。

常用的靜載荷試驗方法有堆載法和錨樁法，兩種方法各有優缺點。堆載法檢測具有一定的隨機性，檢測之前施工單位無法獲知具體的檢測位置，待樁基開挖至樁頂標高后，由相關單位隨機現場選定，檢測位置具有隨機性和代表性。但該方法主要是通過在樁頂預加配重來實現反力裝置，反力裝置一般為水泥配重、土包或者水包等，對于噸位較小的靜載荷試驗，該方法比較有效和簡便，但對于較大噸位，尤其是1 000 t以上的靜載試驗，所需配重大大增加，該方法就顯得笨重，而且操作難度大、周期長、風險高、費用大；錨樁法是在樁基施工設計階段，預先設計好檢測試樁樁位，在試樁周圍預先布置錨樁，試驗時通過錨樁向上的上拔力來為試樁提供反力的一種試驗方法。該方法具有一定預知性，施工時即可知道試樁和錨樁的位置，尤其對于后注漿工藝，人為目的性因素較大。該方法試樁周圍必須有規律的布置錨樁，這對結合上部結構的布樁方式，有一定的約束，有時工程不需要但是必須為了試驗而單獨做錨樁，造成浪費。而且錨樁為了提供足夠的上拔力配合試驗，一般樁長都較長，主筋數量和直徑較大，檢驗完成后對工程造成一定浪費。

2 自平衡靜載荷試驗

自平衡靜載荷試驗是一種新型的靜載荷試驗方法，該方法已在全國30個省份大量推廣應用，國內十余個省份已制定了基樁自平衡靜載試驗技術規程地方標準。自平衡靜載試驗方法已在我省逐步推廣和應用多年，應用范圍涉及多地市及多個領域，包括超高層建筑、工業建筑、市政橋梁、高鐵建筑等。前期的自平衡法樁基靜載荷試驗方法僅用于灌注樁，目前已經發展到預制樁領域，并且其技術在不斷的更新與發展。

自平衡靜載荷試驗法屬于基樁靜載荷試驗的一種，不同于傳統的堆載法和錨樁法，其是在樁身某個平衡點位置或者樁端設置荷載箱，荷載箱其實為樁身內部的類似于千斤頂的裝置，通過油管與地面油泵裝置相聯系，油管沿樁身主筋引出至地面。荷載箱上下兩端的位移，通過鋼管引出至地面，位移測試裝置設置于鋼管中。試驗加載時，通過地面油泵裝置向樁身荷載箱施加壓力，在每級荷載下，荷載箱在壓力作用下，開始產生向上和向下的位移，通過鋼管中的位移串珠分別引出至地面，測出相應的向上、向下的位移，即可得出同常規靜載荷試驗一樣所測得的Q—s曲線，只不過該曲線為同級荷載下向上位移和向下位移的兩條曲線，之后經過一定的換算公式，得出相應的Q—s曲線。試驗在每級加載下，荷載箱上部樁身受到荷載箱向上的作用力，樁周土體則產生向下的摩擦力，荷載箱下部的樁身受到向下的作用力，樁周土體產生向上的作用力，樁端阻力也得到發揮。此時，樁身上部的向下的側摩阻力以及樁身上部自重、樁頂施加向下的配重，三者之和與樁身下部的向上側摩阻力及樁端阻力之和是靜態平衡的，哪一端的合力較小，則產生的位移較大，哪一端先破壞。此處不考慮樁身下端的自重，是由于樁身平衡點位置一般都比較靠下或者位于樁端，其自重同上部樁身自重相比可忽略不計。

自平衡靜載荷試驗方法，與傳統的靜載荷試驗方法相比較，其最大的優點就在于，傳統的靜載荷試驗方法都是從樁身外部解決試驗反力，而自平衡靜載荷試驗法，是通過樁身內部解決試驗反力，這對基樁檢測來說不僅是過程大大簡化，而且大幅降低了試驗費用。自平衡靜載荷試驗關鍵技術問題其實是確定平衡點位置，平衡點位置如果選取不恰當，很有可能導致試驗未達到目標荷載而某一端已經破壞，無法繼續試驗。目前常用的平衡點確定方法是通過地質勘察報告估算，結合經驗確定出平衡點的位置，該方法對大部分工程都是適用的，但是對個別工程也有差異。

3 自平衡在山西地區的應用狀況

從1996年起，通過現場80多個與傳統方法的對比試驗，已經摸索出一套系統的理論，自平衡試驗法在全國30個省市開始大量采用，各省市也制定了一些相關標準，積累了一些當地的經驗。2000年以后，自平衡靜載荷試驗法開始在山西一些工程項目中應用，其主要集中在工業建筑和市政橋梁、高鐵建筑中，由于其具有前述的優點，陸續在我省得到推廣和應用，據不完全統計，目前山西地區已完成的自平衡靜載荷試驗約20項～30項，應用范圍目前還有擴大趨勢，這些項目大部分應用都比較成功，積累了一定的地區經驗，推動了我省基樁靜載荷試驗檢測技術的發展。表1為已收集到的有完整資料的我省的自平衡靜載荷試驗項目。

表1 自平衡靜載荷試驗項目

4 自平衡在山西地區的具體應用

4.1 應用范圍

根據已掌握的完整試樁資料，由表1可以看出，自平衡靜載試驗目前主要應用于我省的工業建筑和高鐵、市政橋梁建筑，其中項目1,2,5,6為城市市政橋梁建筑，項目3,4,7為高鐵車站建筑，項目8為工業廠房建筑。這主要是由于，目前工業建筑和市政、高鐵建筑的基樁具有以下特點：一般樁身較長、直徑較大，布樁形式不規律，單樁承載力較高等，傳統的堆載法由于單樁承載力較高導致費用較大、工期較長、風險較高而無法實現，傳統的錨樁法由于其布樁形式的不規律，試樁周圍很難找到可用的錨樁，單獨為試驗做錨樁成本又太高，故為了進行靜載荷試驗，只能采用自平衡法。同時目前在我省個別地區，已經開始將該技術應用于住宅建筑中的高層和超高層建筑，隨著該技術的發展，應用范圍必將越來越廣泛。

4.2 試驗范圍

通常對于自平衡靜載荷試驗，10 000 kN以內其優勢還不是很明顯，這是因為10 000 kN以內，傳統的堆載法和錨樁法，完全能夠順利完成試驗，并且經過幾十年的發展，其技術已經相當成熟，經過多年的市場競爭，相對成本已經在逐步降低，完全能夠被業主單位接收。而對于加載量超過10 000 kN，甚至20 000 kN以上的靜載荷試驗，由于堆載法的配重數量較大、試驗費用較高，錨樁法的鋼梁剛度要求較高、錨樁數量要求較多，此時自平衡法方能顯示出其優勢。根據已掌握的資料，目前在我省由山西省建筑科學研究院完成的最大噸位的堆載法靜載荷試驗為28 000 kN，由表1可以看出，我省上述項目試驗最大加載量已達到37 500 kN。對于加載量達到3 750 t以上的靜載試驗，自平衡法能夠輕松完成，且試驗獲得成功。即使噸位再大，通過特制的并聯千斤也能夠完成，可以說自平衡法靜載荷試驗，其檢測承載力上限完全突破了錨樁和堆載法的范圍。

4.3 修正系數

修正系數是指荷載箱上段樁的側阻力修正系數，由于自平衡法靜載試驗的荷載箱設置在樁身中部平衡點位置處，當加載時，樁身上段實際產生相對向上位移，產生的其實為抗拔力，而非豎向抗壓力，這與樁將來的豎向抗壓實際受力情況剛好相反，所以必須對試驗數據進行修正，將向上的抗拔力轉換為向下的抗壓力。目前國外對該法測試值如何得出抗壓樁承載力的方法也不相同，有些國家將上、下兩段實測值相迭加作為樁抗壓極限承載力，這樣偏于安全、保守，有些國家將上段摩阻力乘以1.5再與下段樁迭加而得抗壓極限承載力。我國目前現有地方標準和行業標準，都是根據樁身上段土的類型，劃分為不同的修正系數，將樁身上段的向上的極限承載力除以修正系數，轉化為樁身上段向下的極限承載力。根據國內在黏土地區做的對比試驗，其系數一般在0.73～0.8之間。由表1看出，我省已完成的工程項目，該修正系數絕大多數取值都為0.8，這主要是由于我省目前該修正系數還缺乏大量工程實例的經驗總結，尤其是缺乏自平衡結合內力測試及破壞性試驗的數據，故將該修正系數取大值，是偏于工程安全的。

4.4 平衡點位置

自平衡靜載荷試驗其關鍵點就是確定平衡點的位置，因為該試驗主要是靠樁身上下端的相互平衡來維持試驗的，有一端達到極限狀態而破壞，則試驗無法進行。故只有確定了合適的平衡點，才能使向上、向下的側阻力以及樁端阻力充分發揮，而不至于在樁身某一段已達到極限狀態，另一段尚未接近極限狀態，試驗提前結束。由表1可以看出，火炬橋的前4根試樁、聞喜冀東的前2根試樁，其向上、向下的位移差別較大，其一端的位移值已達到極限值，而另一端其位移值還較小，還有很大的發揮空間，但試驗由于一端的破壞，無法達到平衡，必須終止。其余試驗的平衡點選擇相對來講比較合理，向上、向下的位移范圍大致一致，獲得了較好的試驗效果。

5 結語

1)近年來，自平衡靜載試驗方法已在我省逐步推廣和應用多年，應用范圍涉及多地市及多個領域，目前急需制定相應的規范來指導其設計、施工、檢測。同時隨著市政建筑、高鐵建筑和超高層建筑的大量涌現，該方法應用范圍今后將呈現出逐步擴大的趨勢。

2)基樁自平衡法適用于碎石土、黏性土、軟土、砂土、粉土、巖層以及特殊性巖土中的混凝土灌注樁等的承載力測試，特別適用于傳統堆載法和錨樁法難以實施的狹窄場地試樁、特大噸位試樁、坡地試樁、基坑底試樁等。該方法不僅可用于基樁豎向抗壓靜載試驗，也可用于基樁豎向抗拔靜載試驗。

3)荷載箱的埋設位置和承載力的評價方法是自平衡法的關鍵問題，需要結合我省典型地質特點，組織山西各地的試驗單位對試驗成果進行調研總結，并加強和傳統靜載試驗的對比，特別是各地區土性參數研究，以獲得比較合理的修正系數值和承載力評價方法。

[1] 張文彬，姬同庚，李志斌.超大噸位自平衡法與靜壓法荷載試驗結果對比研究[J].巖土工程學報，2011(5)：33.

[2] 龔維明，戴國亮.樁承載力自平衡測試技術及工程應用[M].北京：中國建筑工業出版社，2013.

[3] 龔維明.樁承載力自平衡測試理論與實踐[J].建筑結構學報，2002(3)：96-98.

3.5 管井數量與布置

Analysis on the application of self-balancing static load testing method in Shanxi province

Hao Zhipeng Liang Dawei Huang Hao

(Shanxi Research Institute of Architecture Science, Taiyuan 030001, China)

The paper introduces merits and defects of two kinds of traditional pile foundation static-load testing methods including overloading method and anchorage pile method, analyzes advantages of new self-balancing static-load testing method comparing to traditional testing method, and describes application scope and correction coefficient of new testing method in Shanxi province, which will be good for improving the accuracy of the pile foundation detecting results.

pile foundation, self-balancing static load testing, overloading method, anchorage pile method

1009-6825(2016)34-0058-03

2016-09-21

郝志鵬(1975- )，男，碩士，高級工程師； 梁大偉(1980- )，男，碩士，高級工程師； 黃 浩(1989- )，男，碩士，助理工程師

TU473.16

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