自平衡法完整版

自平衡法静载试验技术

2014年11月28日一、自平衡静载试验概述

传统单桩竖向抗压静载试验需要较大的反力装置，除非埋设桩底反力和桩身应力、应变测量元件，试验结果不能划分桩侧阻力和桩端阻力。对于大直径大吨位的桩和大开挖的桩基工程，由于试验设备无法安装，静载试验难以进行。静载试验工作费时、费力、费钱。以致许多重要的建筑物的大吨位基桩往往得不到准确的承载力数据，基桩的承载潜力不能得到有效地发挥。

自平衡测试方法的基本出发点是利用试桩自身反力平衡的原则,在桩身截面处预先埋设单层(或多层)荷载箱，试验时,通过荷载箱对荷载箱上、下段桩身施加荷载,从而一方面迫使上段桩身上抬,使桩侧摩阻力徐徐发挥,另一方面同时迫使下段桩身下沉,使下段桩桩侧阻力及桩端阻力逐步发挥,从而达到试桩自身反力平衡加载的目的。

自平衡测桩法的主要装置是一个主要由活塞、顶板、底板及箱壁四部分组成的荷载箱。在顶、底盖上布置位移棒,将荷载箱与钢筋笼焊接成一体放入桩孔后,即可浇捣砼成桩。试验时荷载箱的压力由压力表测得,顶板和底板的位移由位移传感器测得,并将其传至数据采集和分析系统,当荷载箱内压力增加时,可根据读数绘出相应的向上、向下力与位移的关系图(两条Q-S曲线)及相应的s-lgt,s-lgQ图,据此可得到上下段桩的极限承载力,再将上桩极限摩阻力经转换,再与下桩极限承载力之和即为所求试桩极限承载力。二、自平衡法的特点相对于传统的堆载法或者锚桩法,自平衡测试技术具有许多优点:(l)试验装置简单:不需要构筑庞大笨重的反力架及堆载物,试验省时、省力、安全、环保。占用场地少;(2)试验费用较省:虽然埋入的荷载箱为一次性投入,但与传统静载法相比约降低30%至50%的费用。而且加载吨位越大,效益越明显;(3)试验桩可利用:自平衡检测完毕后,通过压浆管对载荷箱空腔进行灌浆后仍可作为工程桩使用;(4)应用范围广泛:不仅可用于普通施工场地的试桩,对诸如高吨位试桩、水上试桩、坡地试桩、基坑底试桩、狭窄场地试桩、嵌岩桩等情况下更显其优越性。三、测试方法原理基本出发点是利用试桩自身反力平衡的原则,在桩端附近或桩身截面处预先埋设单层(或多层)荷载箱,测试时,从桩顶通过输压管对荷载箱加压,随着压力的增加,荷载箱的箱盖和箱底被推开,从而调动桩侧土向下和桩底土向上的阻力,两者互为反力。随着压力继续增加,桩侧阻力和桩端阻力不断发挥出来,直至达到桩承载力极限状态。根据加载及向上、向下位移的唯一对应关系,可以绘出向上、向下Q-S曲线。这样能直观地反映荷载箱上、下两段桩各自的承载力。从而达到试桩自身反力平衡加载的目的。如此随着荷载箱压力的不断增加,直至试桩破坏,试验终止。将上段桩侧阻力经一定处理后与下段桩承载力相加即为桩极限承载力。这种测桩系统可以省去传统单桩竖向静载试验中,用锚桩横梁反力装置和压重平台反力装置来提供所需的物料、经费和时间。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下图：

自平衡测试法测试时,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,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-S、S-lgt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一S曲线.自平衡加载受力状态及试验曲线示意见下图。四、荷载箱的埋设位置

根据自平衡法的测试原理可知，上段桩和下段桩是通过自我互为反力来达到自平衡的状态，“平衡点”的确定有几种方法，如数值模拟分析法、经验法等。在实际工程中，可以根据荷载箱上、下段桩身反力平衡的原则，考虑上段桩的自重的情况下，荷载箱可以位于桩身的不同部位。下图是根据不同情况下的地质情况，来确定埋设荷载箱的位置。方式（1）适用于当荷载箱以下的桩侧阻力加桩端阻力之和达到极限时，荷载箱以上的桩侧阻力也同时达到极限值，将二者相加便可以得到桩的总承载力极限值。但是在实际工程中往往很难达到平衡点的精确定位，所以还需要很多辅助措施来给以补足，如：当桩体上部摩阻力不足时可以增加堆载，底部端阻力不足时可以增加扩大头来调整使桩体达到自平衡状态。方式（2）适用于在桩侧阻力与桩端阻力大致相等时，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，可以很方便的测出自平衡上桩的桩侧摩阻力分布、变化情况。

方式（3）适用于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，将荷载箱放置在扩大头上。方式（4）适用于测定嵌岩桩嵌固段的侧阻力与桩端阻力之和。方式（5）适用于当桩体位于地面以下时，空余的部分可以将仪器设备数据线导引至地面上来进行测试。方式（6）适用于当桩侧阻力小于桩端阻力时，可以分开进行测试，从而获得各层的数据。方式（7）适用于桩长比较长时，桩端阻力远远小于桩侧摩阻力时，可以设计多个荷载箱，在不同的位置设置。分别对荷载箱进行施加压力，以得出荷载箱所在位置上下两部分的极限侧阻力，以及桩端的极限端阻力。五、自平衡试验装置自平衡试验的装置见下图1、荷载箱的连接荷载箱应平放于桩基及其钢筋笼的中心，以防止产生偏心轴向力；其位移方向与桩身轴线不应有夹角存在。2、位移杆与护套管位移杆把荷载箱处的位移传递到地面，必须具有一定的刚度；保护位移杆的护套管与荷载箱的顶盖焊接，焊缝应满足强度要求，并确保不漏水和泥浆。3、基准桩和基准梁试桩与基准桩之间的中心距离应符合JGJ106-2014的规定，基准桩打入地面以下，一般不小于2.5m。

基准梁的一端应简支在基准桩上，一端应固定在基准桩上，在试验中，整个基准梁和基准桩都必须用帐篷（帆布或雨布）等设备遮盖，以减少温度、湿度、恶劣天气等外界因素的影响。4、加卸载与位移观测可按JGJ106-2014规范第四章的相关内容进行。六、试验结果分析当自平衡试验完成后，应根据测试读数绘制出Q-S上、Q-S下、S上-lgt、S下-lgt、S上-lgQ、S下-lgQ

等曲线。根据位移随荷载的变化特征确定极限承载力，对于陡降型Q-s曲线取Q-s曲线发生明显陡降的起始点。对于缓变形Q-s曲线，按位移值确定极限荷载，极限侧阻Qu上取s上=40～60mm对应的荷载，极限侧阻Qu下取s下=40～60mm对应的荷载。当s-lgt尾部有明显弯曲时，取其前一级荷载为极限荷载。分别求出上、下段的极限承载力Qu上和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：就γ，对于粘性土、粉土取0.8，对于砂土取0.7；W为荷载箱上部桩的自重。

七、几个问题1、平衡点的计算：平衡点的计算是按照相关规范，参考岩土工程勘察报告临近勘探点测试的土侧摩阻力与端阻力，反复试算，使得平衡点上下段桩的阻力基本相当。由于计算中涉及多项经验系数的选取并且勘察本身存在勘探点有限分布而不能完全准确反映出试桩处的桩土阻力情况，造成上下两段桩几乎难以同时达到预先拟定的极限条件。无法准确找到平衡点，上下段桩无法同时达到极限承载力，无法测试全桩长的极限承载力。2、和传统静载试验的不相似性自平衡法提出了以修正系数γ修正上段桩阻力的等效转换法。等效转换法