基樁豎向承載力不同檢測方法對比探析

聶建國

山西省建筑科學研究院有限公司 山西 太原 030001

在當前我國經濟持續高速發展的背景下，各種高（超高）層建筑物和大跨度橋梁的大量興建，樁基礎以其承載能力高、沉降量小、可適用于各種地層等特點被廣泛應用[1]。在樁基礎工程中，基樁的承載力和變形很難通過計算進行準確預測，需要通過檢測方法驗證基樁的承載力和變形是否與設計要求一致。基樁檢測主要分為單樁承載力檢測和樁身完整性檢測，而單樁的承載力檢測按檢測時間又分為試樁檢測和驗收檢測，根據基樁受力性狀不同可分為抗壓、抗拔和抗水平力樁檢測，按檢測形式分為直接法、半直接法、間接法。

目前常用的基樁豎向承載力檢測方法主要為靜載試驗法（直接法）、自平衡靜載試驗法和高應變法（半直接法）。檢測方法基本依據建筑行業的標準規范JGJ 106—2014《建筑基樁檢測技術規范》[2]，JGJ/T 403—2017《建筑基樁自平衡靜載試驗技術規程》[3]。

對于單樁的承載力檢測方法應用[4]，陳健等[5]、熊征等[6]、戴國亮等[7]、朱建民等[8]、史佩棟等[9]均對自平衡靜載試驗的發展歷程進行了介紹，并針對我國標準JGJ/T 403—2017《建筑基樁自平衡靜載試驗技術規程》、美國標準ASTM D8169/D8169M—2018、國際標準ISO 22477-1：2018中自平衡靜載試驗標準的差異之處，對其加載系統、位移量測系統、位移穩定標準、終止加載條件、適用條件等內容進行了比較探討；鄭賀等[10]、孫小剛等[11]對大質量灌注樁開展動靜對比研究，指出高應變法在大質量灌注樁領域應用較少的原因，結合實際工程進行動靜對比，結果顯示檢測樁高應變擬合分析和靜載檢測結果吻合性較好，證明擬合分析采用的樁土模型、參數是合理的，從多個方面介紹了高應變檢測技術的現存問題與改進方向。吳志偉等[12]介紹了采用美國標準及相關手冊計算單樁承載力的方法，評價了該方法與中國標準的區別及各計算參數取值問題。

鑒于不同單樁豎向承載力檢測方法的優缺點，本文將通過多方面對比進行探析，以便針對不同的條件合理選用正確的基樁承載力檢測方法。

1 檢測方法及優缺點

1.1靜載試驗

靜載試驗是在基樁頂部逐漸施加豎向壓力或上拔力，觀測基樁頂部隨時間產生的豎向沉降位移或上拔位移，以確定相應的單樁豎向抗壓、抗拔承載力的試驗方法。該方法是目前國內外普遍認可的基樁承載力檢測最直觀、最可靠、最準確的方法。但由于其反力裝置（如配重）運輸成本較高、檢測時間長、對場地條件要求高，使其在某些工程上的使用會受到一定限制。

1.1.1 單樁豎向抗壓靜載試驗

單樁豎向抗壓靜載試驗常用的加載反力裝置為錨樁橫梁反力裝置（錨樁法）、壓重平臺反力裝置（堆載法）等（圖1）。

圖1 基樁抗壓靜載試驗示意

根據文獻[2]要求，現場檢測為設計提供依據的單樁豎向抗壓靜載試驗應采用慢速維持荷載法，最大加載量應加載至樁側與樁端的巖土阻力達到極限狀態，當基樁的承載力由樁身強度控制時，可按設計要求的加載量進行加載；工程樁驗收檢測多采用慢速維持荷載法。

1.1.2 單樁豎向抗拔靜載試驗

單樁豎向抗拔靜載試驗常采用的加載反力裝置有以工程樁提供支座反力的（圖2），也可根據現場具體情況，采用天然地基提供支座反力的。

圖2 基樁抗拔靜載試驗示意

根據文獻[2]要求，現場檢測應采用慢速維持荷載法，設計有要求時，可采用多循環加、卸載方法或恒載法。

1.2自平衡靜載試驗

自平衡靜載試驗法滿足在狹窄場地、深基坑底、超大質量及其他特殊不適合采用傳統靜載試驗的情況下進行基樁豎向承載力檢測，但其試驗條件與樁的實際工作狀態不同，試驗結果需進一步探討。

該方法的檢測原理是在基樁施工前將一種特制的加載裝置——自平衡荷載箱，固定在鋼筋籠指定位置，即估算的平衡點位置，然后澆灌混凝土成樁。待混凝土達到設計強度后，在工作面上通過從埋設的荷載箱引出的高壓油泵向油管加壓，使得樁身內部產生加載力（圖3），使樁身同時向上、向下持續產生位移，使上段樁的側阻力與下段樁的側阻力和端阻力形成反力。當樁的側阻力和其端阻力充分發揮，達到樁身自平衡后，根據靜載測試儀采集位移傳感器測試的相關位移數據計算分析，可得出單樁豎向抗壓、抗拔極限承載力。

圖3 基樁自平衡靜載試驗示意

該檢測方法是在基樁自身內部尋求反力進行加載，不同于傳統方法借助外部反力（堆載或錨樁）進行加載。根據自平衡規范[3]要求，該方法現場檢測的加卸載分級與沉降觀測、位移相對穩定標準、終止加載條件等要求與傳統靜載試驗基本要求一致，試驗時最大加載量應滿足設計對單樁極限承載力的檢測與評價要求。

1.3高應變法

高應變法具有檢測周期快、成本相對低、檢測樁數覆蓋面較大的優點，但基樁類型、錘擊能量、激振高度、基樁的尺寸效應、場地條件以及測試技術人員的經驗和技術能力等因素對其結果有較大影響。

該方法精確性比靜載試驗的結果差，其測試原理是通過重錘（錘重符合要求）錘擊樁頂（向樁頂軸向施加一個沖擊力），使樁土系統產生一定的塑性動態位移，以充分激發樁周土側阻力和樁端土端承力，實測樁頂附近或樁頂部的速度和力時程曲線，以分析樁的結構完整性和豎向抗壓極限承載力。

2 適用范圍

選擇基樁豎向承載力檢測方法要根據基樁設計要求、檢測目的、地質條件、場地條件和工程重要性等情況綜合確定，同時也要兼顧項目的經濟合理性。

2.1靜載試驗

根據文獻[2]第3.3.4、3.3.8條規定的幾種情況，進行承載力驗收檢測應采用單樁豎向抗壓靜載試驗。第3.3.5條規定，除本規范第3.3.4條規定外的工程樁可采用單樁靜載試驗進行檢測。

2.2自平衡靜載試驗

根據文獻[3]第1.0.2條規定，適用于傳統靜載試驗條件受限時的基樁豎向承載力檢測和評價。第1.0.2條條文說明認為：該方法適用于建筑工程和市政橋梁工程基樁的豎向承載力檢測與評價。“傳統靜載試驗條件受限”是指傳統靜載試驗方法難以實施的大直徑、大質量、狹窄場地、基坑底部、逆作法等基樁的檢測情況，不適用于預制實心樁的檢測與評價。

2.3高應變法

高應變法作為一種半直接檢測豎向抗壓承載力的方法，假設樁-土力學模型及其參數是近似的、經驗性的，檢測技術人員的技術能力和實踐經驗在很大程度上決定了結果的準確與合理性。因此，文獻[2]第3.3.5、3.3.6條規定了高應變法適用的檢測范圍，并說明當有本地區相近條件的對比驗證資料時，高應變法可作為單樁豎向抗壓承載力驗收檢測的補充方法。但對于大直徑擴底樁和預估Q-s曲線具有緩變型特征的大直徑灌注樁，不宜采用高應變法進行豎向抗壓承載力檢測。

3 基樁檢測數量

根據相關文獻[2]的規定，采用靜載試驗、自平衡靜載試驗進行基樁豎向承載力驗收檢測時，檢測數量要求不應少于同一條件下樁基分項工程總樁數的1%，且不應少于3根；當總樁數小于50根時，檢測數量不應少于2根；采用高應變法進行基樁豎向承載力驗收檢測時，檢測數量要求不宜少于總樁數的5%，且不得少于5根。

4 單樁豎向承載力的確定

4.1靜載試驗單樁豎向承載力確定

樁基工程中通常做單樁豎向抗壓、抗拔靜載試驗，下面主要討論單樁豎向抗壓受力性狀的單樁承載力確定方法。

文獻[2]第4.4.2條規定了單樁豎向抗壓極限承載力的分析確定方法，其中第1條對于陡降型Q-s曲線，應取其發生明顯陡降的起始點對應的荷載值（常見的情況是在某一級荷載作用下樁身破壞或樁周側阻力和樁端阻力對樁的極限支撐能力失效，表現為前期沉降量較小，在某一級荷載下沉降量明顯增大，壓力值迅速降低）。第2條應取s-lgt曲線尾部出現明顯向下彎曲的前一級荷載值（應結合各級荷載下曲線的間距是否明顯增大來判斷，如果s-lgt曲線尾部明顯向下彎曲，本級荷載對應的s-lgt曲線與前一級荷載的間距會明顯增大）。

同樣，文獻[2]第5.4.2條規定了單樁豎向抗拔極限承載力分析確定方法。

4.2自平衡靜載試驗單樁豎向承載力確定

自平衡靜載試驗能否準確測試出試驗樁的單樁豎向極限承載力，其荷載箱位置，即平衡點的確定很關鍵。根據文獻[3]第4.2.1條規定，樁身平衡點應為預估上段樁的側阻力極限值≈下段樁側阻力極限值＋端阻力極限值的位置，可根據勘察報告等資料初步計算得出，而真正的平衡點位置確定比較困難，受土層巖土參數的準確性和符合性、計算準確性等影響較大。

根據文獻[3]的規定，單樁豎向抗壓極限承載力 為：

Ap——樁身截面面積，m2。

4.3高應變法單樁豎向承載力確定

高應變法主要采用凱司法和實測曲線擬合法來判定承載力。凱司法較適用判定中、小直徑預制樁和截面較均勻的灌注樁的承載力，但由于該方法假設條件苛刻且樁土模型理想化，與工程樁實際受力性狀差別較大，樁身阻抗有較大變化時，計算結果的可靠性降低，承載力計算公式使用的阻尼系數Jc為地區性經驗系數，取值的人為因素較多，需要通過動、靜對比試驗來確定，因此多采用實測曲線擬合法。

實測曲線擬合法通過波動問題數值計算，選取合適的樁土模型，將所選的樁土參數控制在合理范圍內，利用實測的速度（或力、上行波、下行波）曲線作為輸入邊界條件，數值求解波動方程，反算樁頂的力（或速度、下行波、上行波）曲線；使計算曲線與實測曲線吻合程度良好，認為較真實反映出樁承載性狀，可得出較準確樁承載力。

5 需要注意的問題

5.1靜載試驗需要注意的問題

5.1.1 對受檢樁承載力的影響

單樁豎向抗壓靜載試驗會遇到樁端有沉渣或吊角時樁身存在水平整合型裂縫，在試驗開始前幾級出現本級荷載沉降量大于前一級荷載的對應沉降量5倍的陡降現象，隨著加載時間或荷載增加，當樁身縫隙閉合或樁端與硬持力層接觸后，變形梯度逐漸變緩，可以完成試驗。但出現樁端持力層破壞或樁身強度不足而被壓碎時，則會出現陡降現象，荷載不能維持甚至大幅降低，會達到終止試驗條件。

5.1.2 主梁壓實千斤頂對試驗結果的影響

當采用大質量壓重平臺反力裝置時，試驗前壓重全部由支撐墩承受，支撐墩尺寸較小時，施加于地基土的壓應力可能會大于地基土承載力的1.5倍，造成地基土明顯下沉，嚴重時會造成試驗前主梁壓實千斤頂的情況，受檢樁承受了豎向抗壓荷載而其沉降量未及時記錄。

在這種情況下繼續試驗，前幾級荷載對應的樁頂沉降量非常小，原始記錄實際上不是真實記錄，會影響試驗結果的判斷。

5.1.3 邊堆載邊試驗對試驗的影響

采用邊堆載邊試驗可以避免主梁壓實千斤頂或避免支撐墩下地基土可能破壞而導致安全事故等，但實際操作應注意根據配重吊裝速度控制試驗開始的時間，應在堆載量達到最大加載量的60%～70%后開始試驗，確保試驗過程中提供的反力不小于試驗加載量的1.2倍，且保證每級荷載不能大于本級要求的維持荷載值，試驗結果是可靠的。

5.1.4 加載偏心問題

無論何種反力裝置在試驗過程中出現試驗施加的荷載與受檢樁樁身軸線嚴重偏離，都會直接影響數據的準確性，甚至引發人員、儀器設備安全問題，因此試驗過程應觀察并分析受檢樁偏心受力狀態。

5.2自平衡靜載試驗需要注意的問題

由于自平衡靜載試驗的荷載箱需放置在樁身進行試驗，因此該方法需要注意以下幾點：

1）根據勘察報告等資料較合理地試算出其荷載箱位置，即確定平衡點很關鍵，但影響因素比較多。

2）試樁位置缺乏隨機性，在施工前需提前確定并將荷載箱焊接在鋼筋籠上。

3）試驗所用到的自平衡荷載箱尺寸應該大于或者等于鋼筋籠內徑尺寸，如果小于鋼筋籠內徑尺寸，在換算試樁的檢測數據時，會使得試樁承載力推定值出現較為嚴重的誤差，影響基樁檢測的結果可靠性。

4）荷載箱引入地面的油管、位移桿如損壞，則無法進行試驗。

5）計算公式及轉化曲線，均有假定和經驗性。

5.3高應變法需要注意的問題

1）選擇適當的重錘，確保錘的質量與單樁豎向抗壓承載力特征值的比值不得小于0.02，避免錘質量輕而難以發揮端阻力的情況，影響結果的可靠性。

2）“重錘低擊”是保障高應變法檢測承載力準確性的基本原則，既可避免“輕錘高擊”產生的應力集中，使樁身材料產生塑性變形甚至破壞，又可以使樁產生較大的沉降位移，使樁側、樁端巖土阻力的發揮更接近靜載作用時樁的荷載傳遞形狀；同時可減少動阻尼參數誤差對擬合分析的影響，提高擬合分析精度。

3）采用實測曲線擬合法進行承載力分析計算時，應結合勘察報告巖土參數，采用合理的樁土模型，盡可能反映樁與土的實際力學性狀，在巖土工程的合理范圍內選用擬合分析參數，提高擬合結果的準確性。

4）當出現文獻[2]第9.4.7條的情況，確定基樁承載力可能出現誤差過大或無法定論時，應采用靜載試驗方法進一步驗證。

5）動測儀器、分析軟件、測試技術人員素質是影響分析計算結果可靠性的因素，而具有堅實理論基礎和豐富實踐經驗的檢測技術人員起決定性作用。

6 實例應用1

6.1項目概述

山西省某市會展中心項目根據勘察報告可知，地基土主要由粉土、粉質黏土、砂土組成。考慮該工程對差異沉降敏感，采用樁基礎（后壓漿鉆孔灌注樁），施工12根試樁，樁長為35 m，樁徑為700 mm，樁端進入持力層第⑦層粉土1 m，試算得出單樁豎向極限承載力標準值為6 240 kN，預估單樁豎向極限承載力標準值為6 000 kN，試樁時單樁豎向抗壓承載力按6 600 kN選用。

6.2檢測方法確定

該工程根據使用功能，采用柱網布置，前期場地內交叉施工作業比較少，滿足靜載試驗檢測條件，考慮到工程樁施工后驗收檢測時場地難以滿足靜載試驗要求和工期需求。經多方討論，確定在試樁階段采用靜載試驗和高應變法進行檢測，以積累現場實測經驗和該工程相近條件下的可靠對比驗證資料，為后續驗收檢測時根據具體場地條件靈活合理選擇檢測方法創造條件。

6.3檢測結果

成樁滿足休止期后，對12根試樁進行單樁豎向抗壓靜載試驗。根據現場條件選擇壓重平臺反力裝置（堆載法），采用慢速維持荷載法，加至設計要求最大加載量6 600 kN，其最大沉降量介于11.76～20.63 mm之間，Q-s曲線呈緩變型，s-lgt曲線未發生向下彎曲，試樁沒有產生破壞趨勢。

對12根試樁進行了高應變法檢測，采用具有穩固導向架的自由落錘裝置，80 kN重錘，落距超過1.0 m，取2根試樁（S3和S7）進行對比分析，選取其中1根進行實測力F和速度V實測曲線擬合法分析（圖4、圖5）。

圖5 試樁S7

由實測力曲線和速度曲線波形可以看出：該樁的承載性狀為摩擦端承為主，2L/C（L為測點下樁長，C為受檢樁身波速）時刻前樁側土阻力發揮明顯，特別是第④層細砂，在2L/C時刻樁端土的阻力已發揮作用。

圖6表示的是試樁S3和S7的動靜對比曲線。通過對比高應變模擬Q-s曲線和靜載Q-s曲線呈相似形態，說明擬合分析采用的樁土模型、參數近似于樁與土的實際力學性狀，樁端土阻力未充分發揮。

圖6 試樁S3、S7動靜對比曲線

為了降低工程安全風險，沒有對樁的極限承載力進行外推，高應變得到的基樁極限承載力檢測值比靜載試驗結果略低，結果稍偏安全。

7 實例應用2

7.1項目概述

擬建某高鐵站北廣場綜合樞紐的配套工程——匝道橋梁，橋墩地基處理采用鉆孔灌注樁，樁徑以1 200 mm為主，樁長為30.0～50.0 m，總樁數為232根。該工程抽取3個匝道基樁各1根進行單樁豎向抗壓極限承載力檢測，其中試樁A04-3的直徑為1.2 m，樁長36.0 m，經設計單位核定后試驗加載量為8 250 kN；試樁GES20-3的直徑為1.2 m，樁長42.0 m，經設計單位核定后試驗加載量為10 000 kN。

7.2檢測方法確定

該匝道工程圍繞高鐵站北廣場分布8條匝道，施工場地狹長，由于項目工期緊張，施工過程需交叉作業，便道條件受限，不利于大型載重汽車行進和吊車吊裝，試驗的配重無法進入現場進行常規靜載試驗。該工程無相近條件的對比驗證資料，不宜采用高應變法進行承載力驗收檢測。經參建多方商討確定采用自平衡靜載試驗檢測方法，既能為設計提供檢測數據，也能滿足工期要求，同時不影響其他施工作業。

7.3試樁平衡點的確定

考慮試樁試驗后仍作為工程樁使用，試驗最大加載量滿足設計要求即可，通過對勘察報告土層性狀分析和試算，估算出荷載箱的埋設位置。試樁A04-3樁端持力層為第⑨層粗礫砂，荷載箱位置設置在第⑦層粗砂；試樁GES20-3樁端持力層為第11 層粗礫砂，荷載箱位置設置在⑨層粗礫砂中。試樁的平衡點位置預估試算結果如表2所示。

表2 平衡點位置試算結果

7.4自平衡靜載試驗結果分析

按照文獻[3]的相關要求，試樁A04-3、GES20-3的預估最大加載量分別設定為4 130、5 000 kN，靜載試驗結果見表3。

表3 自平衡靜載試驗結果

根據檢測數據和Q-s曲線（圖7、圖8）分析，2根試樁加載至最大加載量時，位移達到相對穩定，未發生破壞，Q-s曲線呈緩變型，s-lgt曲線未發生向下彎曲，說明試樁的上下段在最后一級荷載下均未達到極限值，上下位移走勢都比較平緩，曲線呈緩變型，試樁A04-3（GES20-3）的上段樁側土極限摩阻力取最大加載量4 130（5 000）kN，同時按式（1）（本項目γ1＝0.8）考慮自重和修正因子后，單樁豎向抗壓極限承載力和樁頂等效位移計算結果如表3所示，滿足設計要求。

圖7 A04-3樁的Q-s等效曲線

圖8 GES20-3樁的Q-s等效曲線

其中，試樁GES20-3的向上最大位移量為2.59 mm，向下最大位移量為2.65 mm，向上、向下最大位移量相近，說明平衡點位置估算合理，上、下段樁極限承載力基本相等。試樁A04-3的向上最大位移量為4.16 mm，向下最大位移量為2.62 mm，向上最大位移量大于向下最大位移量較多，說明平衡點位置估算有一定偏差，受地基土性狀和巖土參數準確性影響，試驗結果偏于安全。

8 結語

通過對靜載試驗法（直接法）、自平衡靜載試驗法和高應變法（半直接法）這3種單樁承載力檢測方法進行探討，從檢測原理、適用范圍、檢測數量、承載力確定方法及試驗時應注意的問題等方面進行比對分析，得出以下結論：

1）靜載試驗是目前國內外普遍認可的基樁承載力檢測最直觀、最可靠、最準確的方法，但需要嚴格按照規范要求進行操作，確保數據真實、準確。

2）自平衡靜載試驗法滿足在狹窄場地、深基坑底、超大質量及其他特殊不適合采用傳統靜載試驗的情況下進行基樁承載力檢測，而較合理確定其荷載箱（即平衡點）位置，不僅準確測試出試樁的單樁豎向極限承載力，同時根據測試數據優化設計可以節約成本。

3）高應變法要選擇適當的重錘，確保錘的質量與單樁豎向抗壓承載力特征值的比值不得小于0.02，避免錘輕難以發揮端阻力，影響結果的可靠性。檢測應遵循“重錘低擊”的原則。在工程樁承載力驗收檢測時，對符合高應變法適用范圍或有本地區相近條件下可靠對比驗證資料的樁基工程，可選用高應變法進行檢測，但在確定基樁承載力可能出現誤差過大或無法定論時，應采用靜載試驗方法進一步驗證。

4）基樁承載力檢測結果的可靠性直接關系到上部結構的安全和正常使用，因此根據現場不同的條件選用正確的基樁承載力檢測方法，既能得到準確的單樁承載力數據，也可以節約工期、降低工程造價。