（岩土工程专业论文）基桩自平衡测试法的理论及工程应用研究.pdf

湖北工业大学硕士学位论文 摘要 国内目前运用最广泛桩承载力的测试方法是传统的静载荷试验法，但其测试 周期长、费用高以及需要大量的堆载物，特别是对于当下大量使用的大直径和超 长桩，传统的静载荷试验法就更无法应用了。自平衡测试法是在成桩过程中，将 单桩竖向承载力检测的专用加载装置一荷载箱预埋在桩身相应位置，在测试桩达到 规范要求的期限后，通过荷载箱加载，用于测试出荷载箱上、下桩侧阻力和端承 力及相应位移，并可准确判定竖向抗压( 拔) 极限承载力的测试方法，在欧美己 得到较广泛的应用。其特点可以弥补传统静载试验的不足，目前只在个别省份得 到推广，在我国拥有广阔的应用前景。由于自平衡测试法与传统静载试验的加载 方式的不同，造成了侧摩阻力、桩身受力状态以及桩身位移传递的差异，从而加 大了自平衡曲线向传统静载曲线转换的难度。 本文分别对传统静载试验和自平衡试验的测试原理与测试方法进行了简要阐 述。对竖向抗压以及自平衡情况下单桩工作性状进行了归纳，并分析了桩侧阻力 与桩端阻力对各自荷载和位移传递的影响。根据自平衡桩实际受力情况以及工作 性状，应用a n s y s 有限元模拟软件，选择了合理的单元类型及材料特性建立了自 平衡测试上段桩的有限元模型，讨论桩土间的刚度比、土层之间的刚度比对自平 衡试桩上段桩荷载及位移传递的影响。 对自平衡法的上下桩段极限荷载的确定原则以及外推法进行了总结，介绍了 自平衡法的极限承载力的确定方法。分析了自平衡曲线向传统静载曲线转换的转 换方法，以及确定平衡点的方式，并实例对它们进行了对比分析，讨论了各自的 利弊。在实际工程温州七都大桥自平衡测试中，具体讲述了自平衡测试的全过程， 对工程中实际出现的问题分别从自平衡曲线、桩身轴力曲线、转换后的静载曲线 方面进行了分析研究并对其中传统静载试验结果进行了对比研究，从原理上分析 了造成两者差异的原因。对造成承载力不足的原因进行了总结并提出相关建议， 并对在自平衡测试中应注意的方面进行了经验性的总结。 关键词：自平衡测试法荷载传递机理承载力转换方法平衡点 湖北工业大学硕士学位论文 a b s t r a c t t l 。a d i t i o n a ls t a t i cl o a dt e s ti sw i d e l yu s e di nd e t e r m i i l i n gt h eb e a r i n gc a p a c i t yo fp i l e s ， b u ti tc 砌o tw o r kw e l lb e c a u s eo ft h e1 0 n gt i m et h et e s ts p e i l d s 柚dt h el a r g e 锄叫n t s o fm o n e yi tc o s t s m o r e o v e r ，i tc a nn o tb eu s e dt od e t e m l i n em eb e a 】r i n gc a p a c i t yo f p i l e sw i t hm 旬0 rd i 锄e t e r so rl o n gl e n g t h s e l f - b a l a n c e dt e s tm e t h o d at e s tu s i n gal o a d c e l lp u t t e di nt l l eb o d yo ft h ep i l et od e t 锄i n et h eb e a r i n gc a p a c i t yo ft h ep i l e - i sa l r e a d y w i d e l yu s e di nw e s t 锄c o u n t i e s n o wi ti sj u s ta p p l i e di ns e v e r a lp r o v i n c e so fc l l i n a ，s 0 i th a sab e a u t i m l 如t u r e s i n c et h ed i f f ；e r e n c e so ft h el o a d i n gw a y s1 e a dt h ed i 岱；r e n c e so f t h et m n s f e r r i n go fs h a rr 商s t 锄c ea n dt h ed i s p l a c e m e n to fm eb o d yo ft h ep i l e ，i t b e c o m et o u g l l e rt ot r 锄s f 旨t h er e s u l tt ot h et r a d i t i o n a ls t a t i cl o a dt e s to n e t h et e s t i n g 研n c i p l ea 1 1 dw a y so ft h et r a d i t i o n a ls t a t i cl o a dt e s t 锄dt h es e l 仙a 1 锄c e d t e s tm e t h o dh a v eb e e ni n 仃o d u c e di nt h ep a p t h es 咖a r i z a t i o no ft 1 1 ef a c tt h a tm e s h a rr e s i s t a n c e锄de 1 1 dr e s i s t a l l c ei n f l u e i l c et h el o a d锄dd i s p l a c 锄c n tt r a n s 衙 p e r f o 彻a 1 1 c ei sd o n e t 1 1 em o d e lo fw o r k i n g b e h a v i o ro ft h eu pp a no fs e l f b a l a n c e dp i l e i sc o n s t m c t e dt oa 1 1 a l y z et h eh o wt h ef a c t o r s ，s t i n n e s sr a t i oo fp i l ea n ds o i la i l do fu p p e r 锄dl o w e rp a r to fs o i l ，i n f l u e n c et h e 饥m s f 醯o fl o a da i l d d i s p l a c e i i l e n tb ya n s y s p r o 伊锄 t h e 趴珊m a 巧o ft l l ed e t e 肌i n i n gp r i n c i p l eo fu l t i m a t eb e a r i n gc a p a c i t ) ，o ft 1 1 e s e l 仆a l a n c e d p i l e i sd o n ei nt h ep a p e lt l ew a y so ft m s f 酾n gm er e s u l to f s e l 仙a l a i l c e dm e t h o dt om eo n eo ft r a d i t i o n a ls t a t i c1 0 a dt e s t 锄do ff i n d i n gm e e q u i l i b r i 啪p o i n ta r ea 1 1 a l y z e d ，a i l ds o m ee x a p l e sa r et a l ( e 1 1t oi l l l l s r a t em ed i c e s b e m e 锄t h 锄t h es p e c 语cp r o c e s so fs e l f b a l 锄c e dm e t h o dt e s t i l l go fp r o j e c to fq i d u b d d g ei sd e s 嘶b c da i l dm ep r o b l e n li nm i sp r o j e c ti s d i s c u s s e dw i t ha l lm ea s p e c t s c o n s i d e r e d c o m p a r a t i v es t i l d y o ft 1 1 er e s u l t so f 删i t i o n a ls t a t i cl o a dt e s ta n d s e l f b a l a l l c e dm e t h o di sd o n ei nt h i sp a na i l dt h er e a s o n so ft h ed i 行矗e n t i a lo ft h e ma r e i l l u m i n a t e di nt h e 0 哆r e a s o n a b l ep r o p o s a li sa d v a l l c e dt od e a lw i t ht h ep r o b l e m si nt l l i s p r o j e c ta 1 1 ds o m ea s p e c t sw l l i c hs h o u l db en o t i c e di ns e l 仙a l a l l c e dt e s tm e t l l o da r e s 1 帅m 撕z e di nt h ee n d k e y w o r d s ：s e l 仙a l 锄c e dt e s tm e t h o d ，l o a d 仃趾s 衙m e c h a l l i 锄 b e 撕n gc a p a c i t y w a y so f t r 蛆s f e 耐n g ，e q u i l i b r i u mp o i n t 湖咖j 堂大謦 学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究工作所取 得的研究成果。除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经 发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：肖凯 日期：加。罗年r 月歹。日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授 权湖北工业大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文作者签名：尚岔u 日期：h 污年r 月歹。日 指导教师签名：慨 日期：沙。吝年j 月岁。日 湖北工业大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 基础工程是土建工程的重要组成部分，地基基础工程的质量直接关系到整个建 筑物的结构安全，直接关系到人民生命财产安全。桩基础是主要的基础形式之一， 而且随着高层建筑与大型桥梁的飞速发展，结构体型复杂的建筑与桥梁以及地下 空间的开发利用越来越广泛，桩基础是许多工程的首选或必选基础形式。我国每 年的用桩量超过3 0 0 万槲，如此大的用桩量，如何保证质量，一直备受建设、施 工、设计、勘察、监理各方以及建设行政部门的关注。同时由于我国地质条件复 杂，桩基工程除因受岩土工程条件、基础与结构设计、桩土体系相互作用、施工 以及专业技术水平和经验等关联因素的影响而且有复杂性外，桩的施工还具有高 度的隐蔽性，从而使得桩基工程的设计、施工、质量检测等方面往往比上部建筑 结构更为复杂，更容易存在质量隐患。大量的事实表明：工业与民用建筑中的质 量问题和重大质量事故多与基础工程质量有关，其中有不少是由于桩基工程的质 量问题，而直接危及主体结构的正常使用与安全。 1 2 基桩检测技术的发展及现状 桩基础能否既经济又安全的通过设置在土中的基桩，将外荷载传递到深层土 体中，主要取决于基桩桩身质量与基桩承载力是否能达到设计要求。基桩检测是 指：( 1 ) 对基桩桩身质量进行检测，查清桩身缺陷及位置，以便对影响桩基承载 力和寿命的桩身缺陷进行必要的补救，同时达到对桩身质量普查的目的；( 2 ) 对 基桩承载力进行检测，达到判定与评价基桩承载力是否满足设计要求的目的。基 桩检测可进一步延伸到对桩基础质量的验收与评定。 目前，基桩承载力的较普遍测试方法：包括静荷载试验乜喝1 ；动力测试。 1 2 1 静荷载试验 静荷载试验通过反力装置用千斤顶给桩施加竖向荷载，桩顶沉降量采用大量 程百分表或位移传感器量测。该方法可以确定单桩竖向极限承载力，结合在桩身 和桩端预埋测试元件还可以测定桩侧摩阻力分布情况、桩端反力和桩身轴力等。 湖北工业大学硕士学位论文 静荷载试验方法按提供反力的方式可分为下列三种形式： ( 1 ) 锚桩法：通过锚桩承受抗拔提供反力，锚桩和钢反力架组成反力装置。可 根据荷载大小确定所需锚桩数量，实际工程中，一般都采用4 根。目前国内用该 方法可以检测单桩极限承载力小于2 5 0 0 0 l ( n 的桩【6 】； ( 2 ) 堆载法：在堆载反力平台上堆放重物，配重按单桩极限承载力的1 2 倍设计。 目前国内用该方法可以检测单桩竖向极限承载力小于1 5 0 0 0 k n 的桩【6 1 。由于堆载 对基桩周围土体有压实作用，使得用该方法确定的单桩极限承载力比实际偏大； ( 3 ) 锚桩一堆载法：当锚桩抗拔力不够时，可以在反力钢架上增加配重，由锚桩 和堆载系统共同组成反力装置，进行静荷载试验。 1 2 2 动力测定桩承载力的方法 动力测定桩承载力的方法最早出现在国外，其初始主要是以能量守恒或动量 原理为基础，根据牛顿撞击定律通过打桩时的贯入度来计算桩的极限承载力。国 外近代动测技术是以应力波理论为基础发展起来的【7 1 。动力测桩法一般是在桩顶作 用一动荷载，使桩产生显著的加速度和土阻尼效应，通过在桩侧安装传感器测量 桩土系统的振动响应，并用波动理论分析和研究应力波沿桩土系统的传递和反射， 从而判断桩身阻抗变化和确定单桩承载力【引。早在2 0 世纪3 0 年代，应力波理论就 开始被用来分析打桩工程，到1 9 6 0 年史密斯( e a s m i m ) 发表了“打桩分析的波 动方程法”，波动方程开始进入实用阶段。此后在世界各国相继开展了动力试桩的 动测设备和计算软件的研制和应用。 按测试时土的动应变大小，动测法又可以分为低应变动测法和高应变动测法 两类p j ：目前，低应变动力测桩是采用低能量的瞬态或稳态激振，使桩在弹性范围 内作低幅振动，利用振动和波动理论判断桩身缺陷。因此，国内外将低应变应力 波反射法用于检测桩身完整性。高应变动测是采用足够大的重锤敲击桩项，使桩 顶产生的动位移接近常规静力压桩时的沉降量，以使桩周土阻力充分发挥。通过 波动方程的求解，直接计算土的静动阻力及桩的缺陷程度，从而对桩的承载力和 桩身结构完整性进行定量评价【1 0 】。由于低应变法无法在一定程度上激化桩周土的 阻力并加以实测，实测的仅是桩土系统的某些动力参数，然后通过经验来估算承 载力，所提供的承载力绝非实测的承载力。高应变动测法是建立在一维杆件中应 力波传递原理的基础上，试验方法相对于静载荷试验方法简单，费用低，宜于增 加检测比例，提高检测结果的代表性，但其依据应力波传播原理，动态成分高， 检测结果的可靠性较差。动静试桩法兼有静载荷试验和高应变测试的优点，试验 2 湖北工业大学硕士学位论文 原理简单，从本质上讲仍然是一种动测法，动态现象的存在使得必须通过一些假 定来调整实测数据，致使分析方法带有一定的限制条件【1 1 】。 高应变动测法的问题主要有： ( 1 ) 由于混凝土的模量在低应力水平下要高于高应力水平下的模量，导致冲击 应力水平越高，非线性影响带来的误差也越大。 ( 2 ) 在波形拟合法中，桩侧静阻力靠桩与土间的剪切变形传递，假设桩侧土不 随桩一起运动，则桩端与岩土介质的相互作用与刺入破坏模式相近。对嵌岩桩、 大直径桩和扩底桩，将出现不符的情况。如嵌岩桩在嵌固段的岩体可能随桩一起 运动，大直径桩特别是扩底桩桩端的破坏模式与刺入破坏模式不同【1 0 】。 ( 3 ) 存在辐射阻尼问题，桩在易被打动的场合，可能出现高估承载力的危险。 低应变动测法的问题主要是在： ( 1 ) 桩产生的应变量小，很难使桩体与土产生相对位移，主要是通过经验的方 法来确定静刚度。 ( 2 ) 低应变法无法在一定程度上激发桩周土的阻力并加以实测，实测的仅是桩土 系统的某些动力参数，然后经过经验来估算承载力，所提供的桩承载力绝非实测的 承载力【1 2 ，13 1 ，不可靠性较大。 1 2 3 各种检测技术的适用性对比分析 1 2 3 1 测试结果的准确性 十多年来的桩基工程静、动检测研究和工程实践表明，目前国内外的动力检 测方法仍程度不同地带有一定经验成份，尚是一种处于发展阶段的新兴技术，尚 在不断完善之中。1 9 9 4 年进行的全国桩动测单位资质考核结果及近年来各地位基 动测单位资质考核情况也表明，目前动力试桩精度还较低，检测队伍的理论水平 和实践经验也不足，因而只能是静载试验的一种补充，可作为工程桩验收的手段 之一，尚不能代替桩的静载试验。 2 0 0 3 年7 月起实施的建筑基桩检测技术规范( j g j l 0 6 2 0 0 3 ) 也对各种检测 方法及检测目的做了强制性的规定( 见表1 1 ) ，仍把静荷载试验作为设计参考依据、 验证高应变法检测结果的标准。 湖北工业大学硕士学位论文 表卜1 检测方法及检测目的 检测方法检测目的 确定单桩竖向抗压极限承载力 静荷载试验判定竖向抗压承载力是否满足设计要求 验证高应变法的单桩竖向抗压承载力检测结果 高应变法判定竖向抗压承载力是否满足设计要求 低应变法判定桩身缺陷 1 2 3 2 适用条件 传统的静荷载试验( 包括锚桩法、堆载法及锚桩堆载法) ，需专门的反力系统。 如锚桩法需要增加4 根锚桩，每根锚桩的规模等同于试桩，且需要通长配筋，同 时也需要强大的反力架来承受试桩的反力，试验准备时间长，工程量大，试验费 用高：堆载法同样需要强大的反力架，同时必须配备大量的规则的堆载物来代替锚 桩，如一根承载力为2 0 0 0 0 k n 的试桩，则堆载物的重量至少是其承载力的1 2 倍， 这就造成堆载物难找，且堆码困难，同样也带来了试验周期长、试验费用高的问 题，而且对试验场地的要求更为苛刻：锚桩堆载法是介于锚桩法和堆载法之问的一 种试验方法，同样存在上述问题。由于静载试验费时、费力、费用高、环境条件 要求高，做不到随机抽检，检测桩数也不可能太多【2 。5 】，对整个基础工程不能进行 概率统计分析，所以静载试验的代表性不高。多数工程桩的承载力均参照勘测部 门已有的试验资料或根据设计人员的经验确定。 相对而言，动力测桩方法更为简便、快速，因而，就一根桩而言，静载试验 结果的精度高于动测法，就整个工程而言，由于桩基工程的复杂性以及抽样检查 的样本数量，其保证率反而不如抽检率高的动测结果。但同时，动力检测方法也 因加载需要，如拼装试验反力架或力锤进场等问题，同样对试验场地有着较高的 要求。 1 3 国内外自平衡试桩法研究现状 基桩自平衡测试方法思路最早由日本的中山( n a l ( a y 锄a ) 和藤关( f u j i s e k i ) 提出，并在1 9 7 3 年取得钻孔桩的测试专利。1 9 7 8 年，s u l n i i 获得预制桩的测试专 利。1 9 7 3 年，g i b s o n 和d e v 锄e y 采用类似技术测定在钻孔中混凝土与岩石间的 胶结应力【1 4 】。但限于当时的科学技术水平和桩基工程发展现状，自平衡测试技术 并未得到应有的重视和认可。直到美国西北大学学者o s t e r b e r g 于1 9 8 5 1 9 8 7 年期 4 湖北工业大学硕士学位论文 间，在分析、总结前人经验的基础上，对自平衡测试技术进行了系统的研究、开 发，并于1 9 8 9 年在桥梁钢桩中( 水中试桩) 成功进行了首次商业试验，后来逐渐推 广至各种桩型，因此又名o s t 拍e r g c e n 载荷试验或o c e l l 载荷试验【”】。三年后， o c e l l 载荷试验方法逐渐被美国工程界接受，现己成为在美国广泛应用的一种载荷 试桩新技术，美国深基础协会( d f i ) 为此授予d to s t e r b e r g “杰出贡献奖”，并称试 桩己进入“0 s t e r b e r g 新时期”。至今，该法已在美、英、日本、加拿大、新加坡、 菲律宾及我国香港等1 0 余个国家和地区得到推广应用，在北美已被公认为是进行 基桩静荷载试验的首选方法，并且制订了相应的测试规程。该测试方法己成功应 用在水上试桩、坡地试桩等多种特殊场地试桩。应用十余年来，世界范围内已进 行了5 0 0 多次o c e l l 试验，安装近7 0 0 个o c e l l ，其中约半数是工程桩，试桩类型 包括桩型有打入式钢管桩、打入式预制混凝土桩、钢桩、混凝土预制桩、钻孔灌 注桩、沉管灌注桩、人工挖孔桩及矩形( 或条形) “壁板桩”等多种桩型，试桩最大 深度为9 0 m ，最大直径3 m ，国外试桩的承载力己达1 3 3 0 0 0 k n l 5 。 清华大学李广信教授于1 9 9 3 年将此法引入国内，但因自平衡试桩法作为一种 新兴的测试技术其自身并不完善以及限于当时国内环境、技术、信息等条件的限 制，并未引起国内工程界的注意。直到浙江省建筑科学研究院史佩栋教授在工 业建筑1 9 9 6 年第1 2 期“国际科技交流”专栏发表了国外高层建筑深基础及基 坑支护技术若干新进展一文，并报道了美、日、英、加、新加坡等国和我国香 港特别行政区等地正在广泛应用的自平衡试桩法之后，引起了广泛关注。随后， 国内多家单位对自平衡试桩法展开了大量的理论研究、模型试验和大范围学术争 论。东南大学土木工程学院在理论研究的基础上，首先于1 9 9 6 年开始将该法应用 于实际工程。目前，我国的北京、江苏、甘肃等地己开始小范围试用此方法，但 试桩类型只限于钻孔灌注桩。 自平衡试桩法的最终目的是建立单桩桩顶的q s 曲线并依据传统静载试验 q s 曲线的数据分析方法，判定单桩的极限承载力。但因自平衡试桩法加载方式与 桩身实际受力状态的不同以及桩土相互作用机理上的差异，使得白平衡试桩法与 传统静载试验存在一定的区别，如：自平衡试桩法上段桩正负摩阻力的问题、桩身 的轴向变形问题、泊松效应、桩周土的应力变化及剪涨性、桩周土主应力方向旋 转及应力劳德角的变化以及边界条件的影响等。对此，国内外曾作了大量的对比、 模拟试验。同本建筑研究促进会简化试桩方法研究委员会发表了1 6 组用o s t e r b e r g 试桩法和用传统静载试桩法进行对比的试验研究，结果表明，两种方法所得到的 桩顶荷载位移曲线和桩端荷载位移曲线均十分接近。清华大学水利水电工程系也 在国内率先利用该法结合大型渗水土工模型试验，进行了“桩底受托桩 、“桩顶 5 湖北工业大学硕士学位论文 受压桩”及“桩顶受拉桩”三者侧阻力发挥机理差异的试验研究，并建立了从 o s t e b e r g 法试验结果推导抗压桩及抗拔桩承载力的关系式【1 6 】。东南大学土木工程 系也与江苏省建委合作对0 s t e r b e r g 试桩法进行研究，并在国内率先将该法付诸实 用，编制了桩承载力自平衡测试技术规程地方标准。 目前，关于自平衡试桩法的问题主要集中在三个问题上： 上、下两段桩的平衡点的确定问题 自平衡试桩法提出了“平衡点概念，即：上段桩的负摩阻力+ 上段桩自重= 下段桩摩阻力+ 端阻力。而荷载箱应摆在“平衡点”维持加载才能测出最终极限承 载力。对于持力层受力非常好的情况下，桩底可看作桩的自平衡点。但是其缺点 是上下两段试桩的反力和位移平衡上与实际情况有出入。“平衡点”的位置确定一 般是在试验开始之前通过对已有资料和试桩经验来确定，因此它是有一定的偏差 的，这也会造成上，下两段桩很少同时达到早先拟定的极限条件，即可能是其中 一段达到极限承载力，另一段可能还没有达到极限承载力，从而导致上下两段桩 的极限承载力不相等。这样得到的极限承载力小于真实状态的极限承载力，结果 是偏于保守的。这样的测试结果对于工程来说是安全的，但对于充分使用工程资 源来说有进一步研究以提高测试准确度的必要。 承载力的确定问题( 包括自平衡试桩等效转换问题) 利用自平衡法测试单桩承载力时，荷载箱上部桩身自重方向与桩侧阻力方向 一致，故在判定桩侧阻力时应当扣除。该法测出的上段的摩阻力方向是向下的， 与常规摩阻力方向相反。传统加载时，侧阻力将使土层变得密实，而该法加载时， 上段桩侧阻力将使土层减压松散，故该法测出的摩阻力小于常规摩阻力，国内外 大量的对比试验已证明了这点。自平衡试桩法是通过在桩身或桩底预埋单层或多 层荷载箱，利用桩身自身反力平衡实现对单桩的加载，专家认为这种前提决定了 自平衡试桩法只能用于特例，而不能普遍应用。也有专家指出，在有多种不同性 质土层构成的地质条件下，由桩身某一位置向桩顶发展的桩侧阻力与桩顶向桩底 发展的桩侧阻力及其破坏规律是不同的，因此，自平衡试桩法上段桩的试验结果 不能真实地反映单桩的实际受力状态，即使对于特例，得到的极限承载力也是不 真实的，或者说是错误的。而在自平衡试桩法加载过程中，荷载箱附近上下桩段 也存在着相互影响，其影响程度如何也是一个问题。目前国外对如何利用该法测 试值得出抗压桩承载力的方法也有不同【l7 1 。有些国家将上下两段实测值相叠加而 得抗压极限承载力，这样偏于安全、保守。有些国家将上段桩摩阻力乘以大于l 的系数再与下段桩叠加而得抗压极限承载力。我国则将向上向下摩阻力的比值根 据土性划分。对于粘性土层向下摩阻力为( o 6 o 8 ) 倍向上摩阻力；对于砂土层， 6 湖北工业大学硕士学位论文 向下摩阻力为( o 5 o 7 ) 倍向上摩阻力。 国内日前主要采用的数据转换方法有两种：一是分段总和法，即将上段桩桩侧 总阻力扣除上段桩自重后乘以一个综合转换系数和下段桩总阻力相加得到单桩承 载力【l 副；二是等值位移插值法，即根据每一加载级别下上段桩向上位移与下段桩向 下位移相等的原则，从上下桩段荷载位移曲线上查得相应的向上、向下荷载值即 可建立桩顶的荷载位移曲线【l9 1 。探究两种数据转换方法的理论前提，都是建立在 刚性体假说的基础之上，若不是超长桩，桩身的弹性压缩量会很小，理论上可以 忽略，但研究结果表明，超长桩在工作荷载作用下，桩项沉降量的约8 0 是桩身 的弹性压缩【2 眦5 1 。虽然也有文献对建立在弹性体理论基础上数据转换方法进行了 初步尝试，但仍然不够深入，因此如何根据自平衡加载方式下桩身真实受力状态 建立合理的数理模型，并采取科学的数据转换方法，实现自平衡测试结果向传统 静载的准确转换，也己经成为自平衡试桩法应用于实际工程的瓶颈。 在规范计算公式中没有给出相应的桩项荷载作用下位移，故在重要工程中一 般由等效转换曲线来确定承载力，利用荷载传递解析方法，将每层土实测的t s 曲 线( 图1 1 ) ，荷载箱处向下q s 曲线推导出桩顶静载q s 曲线，具有一定的精度， 但仍需要有大量的理论和试验研究来验证和改善。 图1 1 桩单元及每层土t s 曲线 自平衡法用于工程桩的问题 自平衡法由于自身的特点使得试桩加载到极限状态时，上下段桩分别受力为 极限状态时承载力的一半，故桩身材料不会发生破坏。桩周土层承载力随时间是 可以恢复的，可以在试验完成后对其注浆填充试验断层，使该断层处强度略大于 桩身强度即可。通过国内外大量的工程实例证明，试验后通过预埋管对荷载箱处 进行压力灌浆后，可作为工程桩直接使用，但是毕竟改变了工程用桩的初始状态， 会不会对桩其它性能有所不利影响，这也是需要大量对比试验才能得出结论。 7 钆出掣 湖北工业大学硕士学位论文 1 4 课题研究内容 由于传统桩承载力测试技术存在各种弊端，自平衡桩基测试方法的出现为桩 基测试研究提供了一种新方向。本文的研究内容包括： ( 1 ) 分别对常规静载试验和自平衡试验的测试原理及测试方法作了比较全面 的归纳。 ( 2 ) 对竖向抗压以及自平衡情况下单桩工作性状进行了研究，并分析了桩侧 阻力与桩端阻力对各自荷载和位移传递的影响。根据自平衡桩实际受力情况以及 工作性状，应用a n s y s 有限元模拟软件，选择了合理的单元类型及材料特性建立 了自平衡测试上段桩的有限元模型，讨论桩土间的刚度比、土层之间的刚度比对 自平衡试桩上段桩荷载及位移传递的影响。 ( 3 ) 讨论了自平衡法的上下桩段极限荷载的确定原则、外推法以及自平衡法 的极限承载力的确定方法。分析了自平衡曲线向传统静载曲线转换的转换方法， 以及确定平衡点的方式，并实例对它们进行了对比分析，讨论了各自的利弊。 ( 4 ) 结合温州七都大桥自平衡测试实际工程，具体讲述了自平衡测试的全过 程，对实际工程中出现的问题进行了分析研究并对其中传统静载试验结果进行了 对比研究，从原理上分析了造成两者差异的原因。 8 湖北工业大学硕士学位论文 第二章传统静载与自平衡试桩法的试验方法 2 1 桩基静压试验方法 2 1 1 传统反力装置 桩的静载试验是确定单桩轴向或横向承载能力最为可靠的方法，也是基桩质 量检测中一项很重要的方法。传统的桩基轴向静载试验一般采用油压千斤顶加载， 千斤顶的反力装置有压重平台反力装置、锚桩承载梁反力装置和锚桩压重联合反 力装置，采用这些装置往往需要大量的人力、物力和时间。 ( 1 ) 压重平台反力装置( 图2 1 ) 压重平台有矩形反力平台、伞形反力平台等形式。堆载材料一般为铁锭、钢 筋、混凝土块或沙袋等，压载重量不得小于预估最大试验荷载的1 2 倍。一般来说 堆载宜在试验前一次性加上，均匀对称地放置于平台上，但对于试验荷载很大的 桩，一次堆载过大势必产生较大的地面荷载，致使桩周土下沉，对桩产生负摩阻 力，分级加载的前几级沉降过大，导致累计沉降过大而影响单桩极限承载力的确 定，这一现象应引起重视。另外，在软土地基上堆载时，应避免重量过大而导致 土体破坏。故建议施加于地基的压应力不宜大于地基承载力特征值的1 ，5 倍。堆载 的优点是能对试桩进行随机抽样，使用于所有桩型【2 6 】。 为减小压重对试验数据的影响，试桩中心至压重平台支承边缘的距离，当试 桩直径小于或等于8 0 0 m m 时，可为试桩直径的5 倍：当试桩直径大于8 0 0 n n 时， 上述距离不得小于4 m 【27 1 。 图2 1 压重支撑平台反力装置 图2 - 2 锚桩横粱反力装置 ( 2 ) 锚桩横梁反力装置( 图2 2 ) 采用工程桩作为锚桩时，锚桩数量不得少于4 根。用灌注桩作锚桩时，钢筋 笼要沿桩身通长配置：用预制桩作为锚桩时，要加强接头的连接。试验前应对锚 9 湖北工业大学硕士学位论文 桩的抗拔力按有关规范进行计算，钢筋面积、预制桩接头等应进行计算，反力装 置的横梁刚度、强度也应进行验算，保证锚桩、反力梁装置能提供的反力达到预 估最大试验荷载的1 2 1 5 倍。试验过程中，必须对锚桩的上拔量进行检测，一般 来说上拔量不得大于1 5 m m 。这种加载方法的不足之处在于它对承载力较大的桩无 法进行随机抽样，对不配筋桩、抗拔力较小的桩亦无法进行检测口6 1 。 ( 3 ) 锚桩压重联合反力装置 当试桩最大加载量超过锚桩的抗拔能力时，可在主梁和副梁上堆重或是悬挂 一定重物，由锚桩和重物共同承受千斤顶加载反力，以满足试验荷载要求。采用 锚桩压重联合反力装置应注意两个问题：一是当各锚桩的抗拔力不一样时，重物 应相对集中在抗拔力较小的锚桩附近；二是重物和锚桩反力的同步性问题，拉杆 应预留足够的空隙，保证试验前期锚桩暂不受力，先用重物作为试验荷载，试验 后期联合反力装置共同起作用。 上述各种加载方式中，试桩、锚桩( 或压重平台支墩) 和基准桩之间的中心 距应符合表2 1 的规定【2 9 】。 表2 一l 试桩、锚桩( 或压重平台支墩) 和基准桩之间的中心距离 注：1 d 为试桩、锚桩或地锚的设计直径或边宽，取其较大者。 2 如试桩或锚桩为扩底桩或多支盘桩时，试桩与锚桩的中心距尚不应小于2 倍扩大端直径 3 括号内数值可用于工程桩验收检测时多排桩设计桩中心距离小于4 d 的情 况 4 软土场地堆载重量较大时，宜增加支墩边与基准桩中心和试桩中心之间的 距离，并在试验过程中观测基准桩的竖向位移。 除上述三种主要加载反力装置外，还有其他形式。例如地锚反力装置，适用 于较小的试验加载；对岩面浅的嵌岩桩，可利用岩锚提供反力；对于静力压桩工 程，可利用静力压桩机的自重作为反力装置，进行静载试验，但应架设合适的主 梁，采用千斤顶加载，且基准桩的设置应符合规范。 l o 湖北工业大学硕士学位论文 2 1 2 规范规定单桩竖向抗压极限承载力统计值 ( 1 ) 成桩工艺、桩径和单桩竖向抗压承载力设计值相同的受检桩数不少于3 根时，可进行单位工程单桩竖向抗压极限承载力统计值计算。 ( 2 ) 参加统计的试桩结果，当满足其极差不超过平均值的3 0 时，取其平均 值为单桩竖向抗压极限承载力。 ( 3 ) 当极差超过平均值的3 0 时，应分析极差过大的原因，结合工程具体情 况综合确定，必要时可增加试桩数量。 ( 4 ) 对桩数为3 根或3 根以下的柱下承台，或工程桩抽检数量少于3 根时， 应取低值。 2 2 自平衡测试方法 2 2 1 基本原理 桩承载力自平衡法是接近于竖向抗压桩实际工作条件的试验方法，自平衡测 试方法的理论基础是利用试桩自身反力平衡的原则，预先埋设单层( 或多层) 荷 载箱在桩端附近或桩身截面处，通过荷载箱对荷载箱上、下段桩身施加荷载，从 而一方面通过将上段桩身上抬，使桩侧摩阻力慢慢达到极限状态，另一方面同时 在荷载箱的作用下对下桩施加反向的压力使下段桩下沉，使下段桩桩侧阻力及桩 端阻力慢慢达到极限状态。试验时，从地面用高压油泵通过高压油管对荷载箱施 加油压对外部桩体施加压力，产生向上与向下的推力，从而调动桩周土的侧阻力 与桩端土的端阻力，如此随着作用在桩体上的压力不断增加使试桩承载力达到极 限状态然后破坏，试验后将通过试验得到的上桩的侧阻力与和下桩的侧摩阻力、 桩端土的端阻力相加，就可以得到近似的桩的抗压极限承载力，要得到比较精确的 桩体抗压极限承载力须通过数值方法的转换；就一般工程应用而言，简化的方法 精确度就可以满足工程的要求。 自平衡试桩法与传统静载试验的加载方式及桩身受力示意见图2 3 【刈。 湖北工业大学硕士学位论文 侧摩擦力 静荷载 侧摩擦力力 图2 3 传统静载试验与自平衡测试法试验桩身受力示意图 自平衡测试法的主要装置是特殊设计的液压千斤顶式荷载箱，实验时，在地 面上通过油泵加压，随着压力增加，荷载箱将同时向上、向下产生推力，在推力 的作用下，桩体和土体间的阻力不断增大直至破坏。由于加载装置简单，多根桩 可同时进行测试，同时也可根据试验桩径和试验荷载的大小，内由一个或多个千 斤顶并联而成，并按不同的桩型、截面尺寸和荷载大小设计制作，并连有油压管、 位移棒伸出桩项，以便加载和测量荷载箱顶底板的向上、向下位移。通过试验加 载过程中位移和压力的唯一对应关系，可获得上、下段桩的q 点孓印等曲线，采 用目前流行的按荷载相等的原则和按位移相等的原则转换可以得到整桩的q - s 曲 线。自平衡加载受力状态及试验曲线示意见图2 4 1 3 。 1 2 湖北工业大学硕士学位论文 之 一， i 卅r 十十 十长 一 l 罩jl ll 段桩s + 载箱 一一 。 段桩 一一一一一二二二二二7 彳 ：。 弋+ 图2 4 自平衡加载受力状态及试验曲线图 2 2 2 荷载箱埋设位置研究 q 根据试桩实际的地质情况及试验目的，按荷载箱上下段桩身反力平衡的原则， 可将荷载箱放置于桩端及桩身不同部位，见图2 1 3 p 引。 ( 1 ) 对于桩侧阻力与桩端阻力大致相等，或端阻力大于侧阻力而试桩目的在于 测定侧阻极限值的情况，可按图2 5 ( a ) 方式设置。放置荷载箱前先在孔底稍做注浆 或用少量混凝土找平。 ( 2 ) 如图2 5 ( b ) 根据力平衡原则，将荷载箱放在桩身中部某一平衡点处，使荷载 箱上段的桩侧阻力与荷载箱下段的桩侧阻力加端阻力之和同时达到极限值。 ( 3 ) 图2 5 ( c ) 适用于测定嵌岩桩嵌固段的侧阻力与桩端阻力之和；如需测定覆盖 层的极限侧阻力，则可在嵌岩段试验后再灌注上段混凝土，待混凝土达到足够强 度后再进行试桩。 ( 4 ) 当预估桩端阻力小于桩侧阻力而要求测定桩侧阻力极限值时，可将桩底扩 大，按图2 5 ( d ) 设置荷载箱。 ( 5 ) 当有效桩顶标高位于地面以下一定距离时( 如高层建筑的地下室) ，输压管及 测量器件均可自桩顶引至地面。如图2 5 ( e ) 。 ( 6 ) 若桩端阻力大于桩侧阻力而需测定分层侧阻极限值，可分层灌注进行测试 而获得各层的数据。如图2 5 ( f ) 。 ( 7 ) 如图2 5 ( 曲分层设置荷载箱，分别对荷载箱施加油( 水) 压，以测出桩身上段、 1 3 湖北工业大学硕士学位论文 下段的极限侧阻力和极限端阻力。 翦翦 1 ： ：。 ! “ - _ j 【丑)( b ) t o )( d )( c )( o ( 丘 图2 5 荷载箱埋设位置 对于抗拔桩试验，荷载箱应布置在桩端，若桩端反力不足以提供平衡反力， 可进行桩底压浆；或增加桩长，荷载箱布置在设计桩端的位置，荷载箱以下桩段采 用扩大头处理，以此来增加桩端阻力。若桩侧阻力较小，不能平衡桩端阻力，可 在桩顶补充反力：将现场吊机或其它设备置于试桩顶部；在试桩附近设置地锚；在桩 顶架设补充反力架：在土层变化不大的情况下，将试桩打深一些，以增加桩侧阻力 等。另外还可将荷载箱的形状作成上大下小，将其置于桩端，这样当加至桩侧阻 力极限值时，可测得桩端单位面积极限承载力，然后按荷载箱底部尺寸与桩端尺 寸进行换算求得桩端承载力。 2 2 3 测试装置 自平衡法是在桩端附近或桩身力平衡点处设置荷载箱，沿垂直方向加载，即 可测得荷载箱上、下段或分段极限侧阻力和端阻力。为此，须测得各级荷载下相 应的向上、向下位移，以得到上、下桩段的曲线或口红曲线。 通过预先埋设在荷载箱顶、底板上的位移棒，在桩顶设置位移测点( 每个测试 截面的位移测点不应少于2 个) 和基准梁，用百分表或位移传感器即可测得荷载箱 顶板的向上位移、底板的向下位移及桩项位移，见图2 6 、2 7 。 1 4 湖北工业大学硕士学位论文 锄n 图2 6 荷载箱项、底板位移测量装置 2 2 4 试验加载方式 图2 7 自平衡测试系统示意 一般采用慢速维持荷载法，即逐级加载，每级荷载作用下，上、下两段桩均 达到相对稳定后再加下一级荷载，直到试桩达到极限状态，当一段桩未达到极限 状态时，应继续加至两段桩均达到极限状态，然后分级卸载到零。当考虑实际工 程桩的荷载特征，可采用多循环加、卸载法( 每级荷载达到相对稳定后卸载到零) 。 当考虑缩短试验时间，对于工程桩作检验性试验，可采用快速维持荷载法，即一 般每隔一小时加一级荷载。初始加载量为预估极限承载力的5 ，每级加载后分l 、 2 、4 、8 m i n 各测读1 次，然后进行下一级加载，直到加至预估极限荷载。卸载阶 段应至少有四级荷载一位移数据点。对于多次加卸载循环，最后一次循环之前的 湖北工业大学硕士学位论文 加载量应控制在设计极限荷载7 0 以下。在桩身混凝土强度达到设计要求的前提 下，成桩到开始试桩的时间：对于砂类土不少于1 0 天，对于粘性土和粉土不少于 1 5 天，对于淤泥或淤泥质土不少于2 5 天。国外一些嵌岩桩试验过程中，在混凝土 中掺入早强剂，从浇混凝土到试桩完毕仅用了4 天。在南京市政大楼挖孔桩试验 中，在砼中也掺入早强剂，从浇桩身混凝土到3 根试桩测试完毕仅用了1 2 天【3 8 】。 2 2 5 加卸载及位移观测 ( 1 ) 加载分级 每级加载为预估极限荷载的l 1 叽1 1 5 ，当桩端埋入巨粒土、粗粒土以及坚硬 的粘性土中时，第一级可按2 倍分级荷载施加。 ( 2 ) 位移观测 每级荷载加载完毕后，第一小时每隔1 5 分钟测读一次，以后再每隔3 0 分钟 测读一次。 ( 3 ) 位移相对稳定标准 在每级荷载作用下，若桩身位移量在每小时内小于o 1 m m ，或试桩的位移速率 虽未达到小于o 1 m m 小，但在连续观测的3 0 m i n 位移量中，出现相邻三次平均位 移速率( 由1 5 小时内连续观测的4 次位移量计算) 呈现衰减，即可认为该级荷载的 位移己经稳定。 2 2 6 终止加载条件 当出现下列情况之一时，即可终止加载： ( 1 ) 总位移量虽未达到4 0 n l i n ，但已达到极限加载能力或试验规定荷载； ( 2 ) 总位移量大于或等于4 0 i t 瑚，本级荷载下的位移量大于或等于前一级荷载 下位移量的5 倍； ( 3 ) 总位移量大于或等于4 0 m m ，本级荷载下位移2 4 h 未达稳定； ( 4 ) 总位移量达到4 0 1 1 珊，继续增加二级或二级以上荷载仍无陡变。 2 2 7 卸载与卸载回弹观测 卸载分级为加载分级的2 倍，每级卸载后每隔1 5 m i n 测读一次残余沉降，读 两次后，隔3 0 m i n 再读一次，即可卸下一级荷载，全部卸载后隔3 4 h 再读一次。 1 6 湖北工业大学硕士学位论文 第三章传统静载与自平衡法的荷载传递机理 3 1 单桩竖向抗压工作性状 3 1 1 桩的荷载传递机理 通常在竖向受压荷载作用下，桩项荷载由桩侧摩阻力和桩端阻力承担，且侧 阻和端阻的发挥是不同步的，即桩侧阻力先充分发挥出来，然后桩端阻力才逐渐 发挥，直到达到极限值。二者的发挥过程反应了桩土体系荷载的传递过程：对于 垂直受压桩，竖向荷载施加于单桩桩顶，最初的几级荷载作用下，由于桩身混凝 土的弹性压缩，桩身产生相对于土层的向下位移，由此桩侧表面产生向上的摩阻 力，桩身荷载通过发挥出来的桩侧摩阻力从上层到下层逐渐传递到桩周土层中去， 从而使桩身轴力沿深度逐渐减少，此时桩顶荷载由桩侧摩阻力提供。随着荷载增 大，桩侧摩阻力从桩顶土层到桩端逐渐发挥。桩端有位移时桩端阻力就发挥