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自平衡法承载力试验在某工程中的应用1.1 自平衡法简介在此项技术问世之时，为保持其在当地检测和施工行业的优势竞争力，通莫静载法的发明人并没有着力对外推广此项技术。 直到90年代中后期，随着荷兰通莫系统有限公司- 这家由专利持有人的后人创办，并致力于将Afar Vasela 公司系列技术进行市场化推广的企业走入人们的视野， 这项技术的初创者才广为世人所知。1980年代中期，通莫静载法(T-pile )传入了美国，并通过美国西北大学教授Osterberg先生的推广，在国际基础工程行业进行了成功的应用。其在美国的应用被称为Osterberg试桩法，由于知识产权等方面的原因，Osterberg先生在美国自行开发了加载装置，并申请了专利（美国专利号4614110）。1990年代后期，通过美国和中国的学术交流，由东南大学于1993年从美国将该法引进,并称之为“自平衡法”。 1.2 自平衡法试验原理该方法是接近于竖向抗压桩实际工作条件的试验方法，其加载设备是荷载箱,它与钢筋笼连接后安装在桩身，并将高压油管和位移棒一起引到地面。试验时，从桩顶用高压油泵通过高压油管对荷载箱内腔施加压力，箱顶与箱底被推开，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，直至破坏。将桩周土的侧阻力与桩端土的端阻力迭加，即得到桩的抗压极限承载力。1.3 自平衡法测试系统图1-1 自平衡试验测试及桩身轴向应力测试系统1.3.1 加载装置：包括荷载箱（图1-2、图1-3）、加载泵和加压管，用于在桩体内部对桩基进行加载，一般采用普通油缸组装，或装有荷载箱。 图1-2 传统荷载箱 图1-3 囊式荷载箱1.3.2 位移检测系统：用于测读桩体各关键层面的位移值。包括位移传送装置（位移管、位移丝和测量结构组成）、位移传感器（图1-4）和电脑测读系统（或人工记录）。1.3.3 应变检测系统（需要测量具体土层的摩阻系数时）：用于测读桩体各关键层面的应变值。包括应变传感器和电脑测读系统。1.3.4 数据测读系统：用于测读测量值，并对数值进行存储记录。一般采用专用电脑系统（图1-5）。图1-4 位移传感器 图1-5 数据采集系统1.4 自平衡试验方法试验按建筑基桩检测技术规范（JGJ106-2003）、建筑桩基技术规范（JGJ94-94）和桩承载力自平衡测试技术规程（DB32/T291-1999）进行：1.4.1 试验条件在桩身强度达到设计要求的前提下，对于砂类土，不应小于10d；对于粉土和粘性土，不应少于15d；对于淤泥或淤泥质土不应少于25天。1.4.2 试验加载方式 一般采用慢速维荷法，即逐级加载，每级荷载达到相对稳定后加下一级荷载，直至试桩破坏或达到试验要求，然后分级卸载至0。当考虑缩短试验时间，对工程桩做验证性试验时，可采用快速维荷法，及每小时加载一级。1.4.3 加卸载与位移观测1) 加载分级：每级加载为预估极限荷载的1/101/15，第一级可按2倍分级荷载加荷。2) 位移观测：每级加载后在第1h内应在5、15、30、45、60（min）测读一次，以后每隔30min测读一次，每次测读值记入试验记录表。3) 位移相对稳定标准：每一小时的位移不超过0.1mm并连续出现两次（由1.5h内连续三次观测值计算），认为已达到相对稳定，可加下一级荷载。4) 终止加载条件：当出现下载情况之一时，即可终止加载。（a）已达到极限加载值；（b）某级荷载作用下，桩的位移量为前一级荷载作用下位移量的5倍；（c）某级荷载作用下，桩的位移量大于前一级荷载作用下位移量的2倍，且经24h尚未达到相对稳定；（d）累计上拔量超过100mm。5) 载与卸载位移观测：每级卸载值为每级加载值的2倍。每级卸载后隔15min测读一次残余沉降，读两次后，隔30min再读一次，即可卸下一级荷载，全部卸载后，隔34h再读一次。2 单桩竖向抗压极限承载力的确定2.1 根据位移随荷载的变化特征确定极限承载力对于陡变型Q-S曲线（图2-1）取Q-S曲线发生明显陡变的起始点；对缓变形Q-S曲线（图2-2），按位移值确定极限值，极限侧阻取对应于向上位移S上=4060mm对应的荷载；极限端阻取S下=4060mm对应荷载，或大直径桩的S下=（0.030.06）D(D为桩端直径，大桩径取低值，小桩径取高值)的对应荷载。 Q Q S S 图2-1陡变型Q-S曲线 图2-2缓变型Q-S曲线2.2根据位移随时间的变化特征确定极限承载力下段桩取S-lgt曲线尾部出现明显向下弯曲的前一级荷载值，上段桩取S-lgt曲线尾部出现明显向上弯曲的前一级荷载值。 分别求得上、下段桩的极限承载力Qu上、Qu下，然后考虑桩自重影响，得出单桩竖向抗压极限承载力为Qu =(Qu上- W)/+ Qu下 （1）式中：W荷载箱上部桩自重；土的容重；对于粘性土、粉土取0.8；对于砂土取0.7。2.3自平衡测试曲线的等效转换假定：1)等效的受压桩也分为上、下段桩，分界截面即为自平衡桩的平衡点截面，侧摩阻力用平均值qsm表示，下段桩Q下=oAp；2)自平衡法的下段桩与等效受压桩下段的位移相等；3)受压桩上段的桩身压缩量S为桩端及桩侧荷载两部分引起的弹性压缩变形之和，即：S=S1+S2 （2）式中，S1受压桩在桩端Q下作用下产生的弹性压缩变形量；S2受压桩上段在桩侧摩阻力作用下产生的弹性压缩变形量。S1=S2=由于在受压过程中桩身的侧阻力先发挥，所以在转换曲线中，分两段来进行转换。首先，在上段桩身侧阻力完全发挥之前，根据Q上S上上曲线，求出相应的Q、S值，具体过程如下：S=S1+S2= （3）式中，L为上段桩长度，Ep为桩弹性模量，Ap为桩身截面面积。由此，可以将自平衡法测得的向上、向下两条QS曲线转换为受压桩的一条等效桩顶QS曲线。此时，受压桩桩顶等效荷载即为：Q=+Q下与等效桩顶荷载Q对应的桩顶位移为S，则有：S=S上+S （4）在式中，Q上、S上可由Q上S上曲线直接测定，W、S可通过计算求得。有关Q下的取值如下：对自平衡法而言，每一加载等级上荷载箱产生的向上、向下的力是相等的，但所产生的位移量是不相等的。因此，Q下应该是对应于自平衡法Q下S下中，下段桩位移绝对值等于S上时的下段桩荷载，即在自平衡法向下的Q下S下曲线上使S下=S上时所对应的荷载。当上段桩身侧阻力发挥至极限时Q上不变，再根据相应的Q下S下曲线测定Q下和S下，由下述公式求出等效荷载Q和对应的桩顶位移S：Q=+Q下S=S下+SS=S1+S2= （5）sQss-+0Q-Q+0sQ转换曲线静载曲线Q由此得到传统的静载荷试验的一系列点（Qi，Si），i=1,2,n，从而得到等效的桩顶荷载、位移曲线（如图3-1）。图3-1 自平衡测试曲线的等效转换3 自平衡法试桩施工及设备安装注意要点试桩严格按设计图纸施工。同时，由于自平衡测桩法的需要，应做到以下几点：1）试桩成孔后，垂直度用可靠的检测设备检测；2）地面上绑扎和焊接钢筋笼。由施工单位负责，测试单位配合，位移棒与钢筋笼绑扎成整体，确保护管不渗泥浆；3) 荷载箱立放在平整地面上，吊车将上节钢筋笼吊起与荷载箱上顶板焊接，保证钢筋笼与荷载箱在同一水平面上，在电焊喇叭筋，喇叭筋上端与主筋、下端与内圆边缘电焊，保证荷载箱水平度小于3%，然后将荷载箱下底板与下节钢筋笼连接，焊接下喇叭筋；4）埋荷载箱前检查桩径，桩长（包括荷载箱），油管及钢管长度，钢管距离。吊车将测试设备与钢筋笼放入桩底，埋完荷载箱，保护油管及钢管封头，以防杂物漏入；5）试桩混凝土标高同工程桩，灌注混凝土时导管通过荷载箱到达桩端进行混凝土灌注，当混凝土接近荷载箱时，拔导管速度放慢，当荷载箱上部混凝土大于2.5m时，导管底端方可拔过荷载箱，浇灌混凝土至设计桩顶。荷载箱下部混凝土塌落度宜大于180mm，以便于混凝土在荷载箱处上翻。4 工程实例4.1 试桩概况表5-1工程名称桩号桩长(m)桩径(m)设计承载力(kN)最大加载量(kN)试桩方法1#桥251521.25648713000锚桩法1#桥404521.25647913000自平衡法1#桥15201.50637013000堆载法4.2 自平衡法测试曲线 海口双线特大桥404#试桩采用自平衡承载力试验方法，最大加载量为1300吨（上下各650吨），其荷载位移测试曲线如图5-1所示。图 5-1 自平衡法荷载位移测试曲线4.3 自平衡法转换曲线与锚桩和堆载法曲线对比 把上面自平衡法测试曲线经转换方法转换后与海口双线特大桥251#锚桩法试桩和青莱高速潍河特大桥5#堆载法试桩所测曲线进行比较可以看出，该方法测试曲线经转换后跟传统方法测试曲线基本吻合（如图5-2）。图5-2 自平衡法转换曲线与锚桩和堆载法曲线对比4.4 三种静载方法比较通过对三种承载力检测方法在安全性、经济性、时间、受场地限制程度、最大吨位等方面的对比，得出自平衡较传统静载方法的优势（表5-2）。表5-2桩号最大加载量(kN)试桩方法安全性经济性所需时间受场地限制程度最大吨位25113000锚桩法一般15万左右2.5天较大4000吨左右40413000自平衡