樁基礎豎向承載力模型試驗方法回顧

彭序陽

樁基礎作為一種十分重要的基礎形式，在建筑工程、道路工程、橋梁工程以及港口工程中得到廣泛的使用[1～2]。樁側的摩阻力和樁端的端承力共同組成了樁基的豎向承載力，全世界范圍的從業人員就該項課題實施了大量的室內模擬試驗和現場試驗，就測定樁基的豎向承載力歸納總結出多種測試方法。本文則重點回顧了靜載荷試驗法、動力測樁試驗法、自平衡測試法和原位測試法等四種方法的基本原理、重要性及各自的適用范圍。通過以上方式分別測試獲得單樁與土相互作用的樁側阻力和樁端阻力，并以此來最終確定單樁的豎向承載力。

1 靜載荷試驗法

對于工程現場中原型樁的研究，靜載荷試驗法被廣泛認可為針對該場合目前最有效可靠的試驗方法。因為相比其他方法，樁的類型、入土深度、尺寸、施工方法、所在地質條件和荷載特性等都能最大程度接近實際的工程情況。其它的方法，例如經驗參數法[1]，是在靜荷載試驗方法的基礎上提出的；而靜力觸探法、動測法等[1]，靜載荷試驗法則被用作其試驗的校驗標準。

靜載荷試驗法有很多優點，它是檢測確定樁基承載力的基本方法，同時也是目前最可靠最直接的方法，在國際上得到了廣泛的應用，國內外很多地基的基礎設計和工程實踐都是基于此方法，并作為依據跟其他試驗方法相比較。但是，靜載荷試驗法也并非沒有缺點，例如：該方法的工期長、成本高、占用施工場地等，由于這些原因的存在，也促使更多的研究人員更加努力的尋求其余更好的方法用于工程實踐中。

2 動力測樁試驗法

動力測試法是一系列測試方法的總稱，這些測試是通過在被研究的樁上施加動力作用，然后測定其在被施加動力作用下的響應，并以測定的結果來分析樁的工作狀態。在樁上施加的動力（或稱激振力）可以是沖擊力，也可是瞬時脈沖荷載（瞬態激振）或持續的周期荷載（穩態激振）等。

IssacsD.V[3]提出了一種解應力波波動方程的動力測樁法，然后SmithE.A.L[4]在此基礎做了更深層次的研究，并把該方法投入實際運用之中。將應力波理論作為基礎，再經過不斷發展，形成了現有的動力測樁技術。運用該種測樁方法原理為將一動荷載施加于樁頂，這樣在樁上會出現明顯的加速度以及土的阻尼效應，然后測量樁一土系統的振動響應，以波動理論為基礎來分析應力波在樁土系統上的傳播和反射，分析樁身的阻抗變化情況，最終確定單樁的豎向承載力。

動力測試法的應用非常廣泛，可用于測量樁在動力荷載作用下的樁身性狀變化情況、確定樁的豎向承載力、檢驗樁身質量、打入樁沉樁的性狀預測及樁基施工機械設備（錘等）性能的監控等。在目前，樁基動力測試領域中最常見、最注重的工作之一就是確定樁的承載力。動測法有多種實現形式，高應變法是以應力波理論為基礎，而通過實測波形的擬合法，在當下被看作是最有效的動測法[4]。采用這種測樁方法，是在樁的頂部施加一較大的沖擊荷載（沖擊錘重一般大于等于預估樁極限承載力的1%），這樣瞬時的高應變狀態將在樁一土系統產生，并使樁產生明顯的貫入深度（貫入度的要求一般為大于等于2mm），然而很多情況下在分析計算決定樁土參數仍然要依靠經驗。所以，要進一步提高高應變法精度的關鍵就是必須將參數值的選取和常規的土工試驗參數結合起來。

3 自平衡測試法

采取自平衡測試法測定大直徑樁的單樁承載力時，該方法比其他方法更加可靠和有效。在20世紀80年代中期，美國的Osterberg教授率先進行了對樁承載力自平衡測試法的研究。在美國，目前該方法已被大范圍的使用，而這些年來在加拿大、法國、日本及香港自平衡測試法也漸漸被推廣開來。自1996年起，龔維明等[5]在這種方法的研究上取得了顯著而有效的成果，他們對關鍵設備-荷載箱、位移量測和數據采集處理系統進行了大量的研究開發。這種方法是將一個荷載箱埋設置樁的中下部，然后通過油壓管在垂直方向上施加壓力，當壓力增大到一定程度時，荷載箱就會分離，進而引發了樁側阻力及樁端阻力的相互作用，直至樁達到極限狀態而被破壞。然后通過對測得的兩條向上、向下的曲線進行分析，被測樁的抗拔承載力和樁下段的抗壓承載力都可被相對精確的獲得，然后通過計算，即可確定到單樁的抗壓承載力。但是Osterberg法在純摩擦樁和端承樁上的運用遇到了一些阻礙，因為若沒有采取輔助措施或進行預處理等辦法，一旦樁身阻力或樁端阻力其一達到極限而是樁遭到破壞，后續的測試很難繼續進行。針對這一問題，黃鋒等[6]在進行大量研究之后提出了對該測試法的改良措施，可以證實在Ostetherg法中樁承載力的發揮受樁周圍土體非連續變形的影響相當有限，并且Ostetherg試驗和傳統的壓樁試驗測得的樁的總承載力（摩阻力和端承力之和）的結果是非常接近的。

4 原位測試法

常見的采用原位測試法確定基樁承載力的方法有：靜力觸探試驗、動力觸探試驗和旁壓試驗三種[6]。在它們之中，靜力觸探試驗己作為國家規范被多個國家采用，我國鐵道和建工等多個部門多年年來也針對試驗方法此做了大量的研究。動力觸探試驗主要可分為標準貫入和圓錐動力觸探兩種方式，而錘擊數N都是他們分析土層的物理力學性質的唯一試驗指標。標準貫入試驗在國際上被大量運用，并且累積了一定的經驗公式。圓錐動力觸探則因能夠連續貫入，并且操作簡單便捷，進而使標準貫入試驗的缺點得到彌補。旁壓試驗法為法國創造，并且已有一系列規范被制定。而在我國，國產的旁壓儀的工作壓力偏低，對于過深的土層強度和變形參數的測定尚有難度。

5 以上方法不足

上述方法的研究，基本都把三維的樁-土體系簡化為一維體系來研究，實質是把樁看作一維桿件，把土對樁造成的影響用若干參數進行替換。如果要用更加貼近真實情況的三維體系進行的理論分析研究，因為數學和力學上的障礙難以得到顯著的成效。曹勝敏[7]在其博士論文中研究了高樁碼頭樁豎向荷載下樁-土耦合作用。其研究結果指出：影響高樁碼頭樁基豎向承載性能的因素眾多，樁側土的性質及土層分布、樁端土層的性質、幾何特性等都對其性能造成影響。該試驗研究了豎向荷載作用下樁-土耦合作用，但碼頭高樁并非只承受豎向荷載的作用，還要承受水平荷載、傾斜荷載等多種荷載的聯合作用，多種荷載的作用使樁基的性狀更加復雜。因此，應進一步完善本文使用的模型，進行研究和計算分析，并獲得期望的成果。在建筑結構中，樁基并非一個獨立的個體，更多情況是的群樁基礎共同發揮作用，所以有必要在單樁研究的基礎上，進一步開展群樁基礎下的樁-土藕合及力學、穩定行為的研究[8]。

6 結束語

本文回顧并總結了當前評估樁基豎向承載能力模型試驗的幾種基本方法：靜載荷試驗法、動力測樁試驗法、自平衡測試法以及原位測試法的基本原理、重要性及適用范圍。靜載荷試驗法是檢測確定樁基承載力的基本方法，同時也是目前最可靠最直接的方法，但該方法并不是沒有缺點，如成本過高、工期過長、施工占地面積大等都制約了它的應用；動力測試法是通過在被研究的樁上施加動力作用，然后測定其在被施加動力作用下的響應，并以測定的結果來分析樁的工作狀態，其應用范圍十分寬廣。

采取自平衡測試法測定大直徑樁的單樁承載力時不失為一種更加可靠和有效的方法；原位測試法則主要是通過靜力觸探試驗、動力觸探試驗和旁壓試驗三種方式來確定基樁承載力。但以上幾種方法亦存在其各自的缺點，望在今后的科研工作中能夠對適宜于各種不同情況下的方法進行改進，為進一步研究樁-土系統之間作用的機制，確保樁基礎在工程使用中的安全、適用性和耐久性能等方面提供一定的參考。

[1]朱守鵬，劉齊茂.樁-土-結構相互作用研究綜述及展望[J].四川理工學院學報，2011，24（3）：253～257.

[2]張波.粘土與加筋材料接觸面力學特性研究與工程應用[D].南京：東南大學，2005.

[3]Issacs D.V.Reinforced concrete pile formulas[J].Transaction of the Institution of Engineers，Australia.1931：312～323.

[4]Smith E.A.L.Pile drivinganalysisby thewaveequation[J].Joumal of the Soil Meehanics&Foundations Division.Proceedings of the American Society of Civil Engineers，1960，86（SM4）：33～61.

[5]龔維明，鄒小平.鉆孔灌注樁樁底壓漿設計施工分析[J].建筑結構，1996，04：78～82.

[6]黃鋒，李廣信，鄭繼勤.單樁在壓與拔荷載下樁側摩阻力的有限元計算研究[J].1999，06：98～104.

[7]曹勝敏.高樁碼頭樁豎向荷載下靜動力學行為研究[D].四川：西南交通大學，2008.

[8]孫訓海.土工合成材料界面特性研究[D].天津：天津大學，2005.