自平衡试桩法在高层桩基检测中的应用与思考

自平衡试桩法在高层桩基检测中的应用与思考[摘要]针对高层桩基单桩设计承载大、试桩场地不便等特点，采用东南大学研制的一种新的静载试桩专利产品┅自平衡试桩法对其进行测试，它成功地解决了采用传统静载试验方法难以解决的特殊现场试验条件与大吨位试桩问题，在桩基检测中具有广泛的应用前景。[关键词]钻孔扩底灌注桩自平衡法静载试验荷载箱前言自平衡测试法是确定单桩承载力的一种新方法，该方法的原理是在桩的中下部埋设一个荷载箱，沿垂直方向通过油压管加压，随着压力增大，荷载箱将自动脱离，从而调动桩侧阻力及桩端阻力的发挥，直到破坏。通过测得的两条向上、向下的Q-S曲线就可得出桩的抗拔承载力及桩下段的抗压承载力，再经过换算，可得到单桩的抗压承载力。一、工程概况金凤凰·南湖御景工程位于广西南宁市桃源路与教育路交界处，本工程基础设计为354根钢筋混凝土钻孔扩底灌注桩。主楼桩端持力层为中风化粉砂质泥岩⑧，桩端端阻力特征值为1800KPa。裙楼桩端持力层为圆砾层⑥，桩端端阻力特征值为1500KPa。要求桩端进入中风化粉砂质泥岩⑧和圆砾层⑥分别不小于2米和1.5米。该工程单桩承载力检测数量为6根，其中3根采用静载荷试验法，3根采用自平衡法。2006年4月20日～5月21日，南宁市建筑工程质量检测中心完成了对270#、327#、351#三根基桩的单桩竖向抗压自平衡法静载试验。试桩参数见表1。表1试桩号桩径施工桩长（m）荷载箱上部桩身身长度L上（m）桩端持力层设计单桩承载力力特征值最大试验荷载检验类型桩身扩大头270#1300250025.7023.35中风化粉沙质泥泥岩8600KN2×8600KN验收检验327#1100240030.1227.92中风化粉沙质泥泥岩7900KN2×7900KN验收检验351#1100230022.4720.27中风化粉沙质泥泥岩7500KN2×7500KN验收检验二、工程地质特征根据工程《岩土工程详细勘察报告》，该场地土层岩性特征自上而下概况如下：1、填土①（Q4ml）:杂色，稍湿～湿，结构松散，属高压缩性土。层厚0.20m～2.80m。2、粘土②（Q3Al）：灰黄色，呈硬塑性，局部坚硬，属中等偏低压缩性土，层厚1.30m～5.20m。3、粉质粘土③（Q3Al）：褐黄色、黄色，稍湿，呈硬塑状，局部可塑，属中等压缩性土，层厚1.10m～7.00m。4、粉土④（Q3Al）：灰色，稍密，饱和，属中等偏高压缩性土，层厚1.40m～7.70m。5、粉砂⑤（Q3Al）：黄色、灰黄色，稍湿，呈松散状，属中等偏高压缩性土，层厚0.80m～5.00m。6、圆砾⑥（Q3Al）：灰色、灰黄色，稍密～中密，含水，属低压性土，层厚7.80m～20.10m。7、粉砂质泥岩⑦（E3n）：褐色、灰色，硬塑，呈强风化状，属低压缩性极软岩，层厚0.70m～6.90m，为本工程桩端持力层。8、粉砂质泥岩⑧（E3n）：灰色，坚硬，呈中风化状，中～厚层构造，属低压缩性极软岩，该层尚未揭穿，最大钻进厚度10.60m，为本工程桩端持力层。9、煤⑨（E3n）：黑灰色、黑色，呈硬塑状，片状构造，具中压缩性。层厚0.20m～2.10m。四、检测仪器设备（见表2）表2仪器名称型号/规格制造厂出厂编号精度荷载箱YG215-1145×6南京塞宝液压设设备有限公公司1#、2#、3#、4#、5#、6#/YG195-1119×61#、2#、3#、4#、5#、6#/YG215-1145×63#、4#、5#、6#、7#、8#/超高压油泵站BZ63-2..5上海千斤顶厂008/压力表0～100MPa上海为民仪表厂厂008精度：1.5级百分表50mm成都量具刃具股股份有限公公司90128、002811502825、901167精度：0.011mm五、检测原理及方法1、加载系统加载采用东南大学土木工程学院研制的专利产品┄荷载箱（荷载箱的安装位置按DB32/T291—1999第2.5条执行），通过高压油泵输（回）油加（卸）载。荷载的大小读数通过与高压油泵相联接的压力表读取。试桩荷载箱上下、下部桩位移量的测试由百分表直接读取，其中上、下部桩的位移量均用2只百分表测试。具体见下图。2、加（卸）载方法本次测试采用慢速维持荷载法。（1）、加载分级进行，采用逐级等量加载。分级荷载为最大试验荷载的1/10，其中第一级取分级荷载的2倍。（2）、卸载分级进行，采用逐级等量卸载。每级卸载量取加载时分级荷载的2倍。（3）、加、卸载时应使荷载传递均匀、连续、无冲击，每级荷载在维持过程中的变化幅度不得超过分级荷载的±10%。3、位移观测（1）、加载过程的位移观测每级荷载施加后在第1h内按第5、15、30、45、60min各测读一次荷载箱上、下部桩的位移量，以后每隔30min测读一次，直到荷载箱上、下部桩的位移达到相对稳定。（2）、卸载过程的位移观测卸载时，生级荷载维持1h，按第15、30、60min测读荷载箱上、下部桩的位移量后，即可卸下一级荷载。当卸载至零后，应测读荷载箱上、下部桩的残余量后，维持时间为4h，测读时间为第15、30、60min，以后隔3h再读一次。4、位移相对稳定标准在每级荷载作用下，基桩每一小时的向上（下）位移量不超过0.1mm，并连续出现两次（从分级荷载施加后第30min开始，按1.5h连续三次每30min的位移观测值计算，）认为已达到相对稳定，可加下一级荷载。5、终止加载条件当出现下列情况之一时，即可终止加载。1）、已达到极限加载值；2）、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；3）、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；4）、累计上拔量超过100mm。6、单桩竖向抗压极限承载力的确定根据《桩承载力自平衡测试技术规程》DB32/T291-1999可知，自平衡法测试单柱竖向抗压极限承载力的计算公式为：式中：Qu—单桩竖向抗压极限承载力； Qu上—荷载箱上部桩的极限承载力； Qu下—荷载箱下部桩的极限承载力；W—荷载箱上部桩的自重；γ—荷载箱上部桩的桩侧摩阻力修正系数。对于粘土、粉土，γ=0.8；对于砂土，γ=0.7。六、检测情况270#、327#及351#桩的单桩竖向抗压承载力采用自平衡法进行测试，以270#桩为例。单桩竖向抗压静载试验概况表试桩编号270#静载形式自平衡法加载方法慢速维持荷载法法成孔工艺机械钻孔灌注桩桩桩径桩身1300mm配筋规格17Ф16扩大头2500mm长度通长混凝土等级C35桩长25.56m综合柱状图层次土层名称描述述桩身详图1粉土④（Q3AAl）灰色，稍密，饱饱和，属中中等偏高压压缩性土2圆砾⑥（Q3Al）灰色、灰黄色，稍稍密～中密，含含水，属低低压性土3粉砂质泥岩⑦（E3n）褐色、灰色，硬硬塑，呈强强风化状，属属低压缩性性极软岩4粉砂质泥岩⑧（E3n）灰色，坚硬，呈呈中风化状状，中～厚层构造造，属低压压缩性极软软岩土的物理力学指指标指标标土层名称及编号天然重度γ(KN/m3)粘聚力标准值CCk(KPa)内磨擦角标准值Фk(00)承载力特征值fak(KPa))压缩模量Es(MPa))粉土④20.520121907圆砾⑥20.203340020粉砂质泥岩⑦21.51062138024粉砂质泥岩⑧22.01162468030单桩竖向抗压静载试验结果表试验桩号：2770#桩长：25.770m桩径：13000mm日期：20066.5.118-199序号荷载（kN）历时(min)向上位移(mmm)向下位移(mmm)本级累计本级累计本级累计00000.000.000.000.0012×1720120120-0.43-0.432.612.6122×2580120240-0.22-0.652.044.6532×3440120360-0.29-0.941.856.5042×4300120480-0.38-1.322.609.1052×5160120600-0.47-1.793.1512.2562×6020120720-0.54-2.334.6216.8772×6880120840-0.62-2.954.4621.3382×7740120960-0.91-3.866.7928.1292×86001201080-1.07-4.938.7036.82102×68806011400.31-4.62-3.1233.70112×51606012000.51-4.11-4.4029.30122×34406012600.50-3.61-4.2625.0413267-2.94-5.3819.6614024015601.04-1.90-6.1413.52向上最大位移量量：-4..93mmm最最大回弹量量：3.003mm回回弹率：61.446%向下最大位移量量：36..82mmm最大回弹弹量：-223.300mm回弹率：63.228%备注:向上位移为负，向向下位移为为正。由现场实测数据绘制的Q-s曲线和s-lgt曲线可以看出，3根试桩位移曲线均属缓变型，根据《建筑地基基础设计规范》GB50007-2002附录D和《桩承载力自平衡测试技术规程》DB32/T291-1999对各桩竖向抗压极限承载力确定如下：1、270#桩单桩竖向抗压极限承载力桩径D=1300mm=1.3m，桩长25.70m，荷载箱上部桩身长度为L上=23.35m，钢筋混凝土密度р=24.5KN/m3，荷载箱上部桩侧为圆砾和粉土，γ=0.8。Qu上=8600KNQu下=8600KNW=π×（D÷2）2×L上×р=3.14×(1.3÷2)2×23.35×24.5=759KN=（8600－759）/0.8+8600=18401KN2、327#桩单桩竖向抗压极限承载力桩径D=1100mm=1.1m，桩长30.12m，荷载箱上部桩向长度为L上=27.92m，钢筋混凝土密度р=24.5KN/m3,荷载箱上部桩侧为圆砾和粉土，γ=0.8。Qu上=7900KNQu下=7900KNW=π×（D÷2）2×L上×р=3.14×(1.1÷2)2×27.92×24.5=650KN=（7900－650）/0.8+7900=16963KN3、351#桩单桩竖向抗压极限承载力桩径D=1100mm=1.1m，桩长22.47m，荷载箱上部桩向长度为L上=20.27m，钢筋混凝土密度р=24.5KN/m3，荷载箱上部桩侧为圆砾和粉土，γ=0.8。Qu上=7500KNQu下=7500KNW=π×（D÷2）2×L上×р=3.14×(1.1÷2)2×20.27×24.5=472KN=（7500－472）/0.8+7500=16285KN七、检测结论南宁市建筑工程质量检测中心对金凤凰·南湖御景3根基桩采用自平衡法测试其单桩竖向抗压极限承载力，根据检测数据计算，270#桩（设计单桩竖向抗压承载力特征值8600KN）单桩竖向抗压极限承载力为18401KN；327#桩（设计单桩竖向抗压承载力特征值为7900KN）单桩竖向抗压极限承载力为16963KN；351#桩（设计单桩竖向抗压承载力特征值为7500KN）单桩竖向抗压极限承载力为16285KN。故均满足相应的设计单桩竖向抗压承载力（安全系数取2.0）的要求。八、认识和思考自平衡试桩方法是将荷载箱埋在桩的底部，压力向上顶桩身的同时向下压桩底，使桩的摩阻力和桩的端阻力互为反力，其工作原理与破坏机理与传统的静载荷试验也是有不同的。只有对其有了充分的认识，才能较合理的选择试桩的检测方法。1、自平衡试桩方法的条件与桩的实际工作状态不同，桩竖向承载力是由桩身从上向下传递的，静载试验方法与桩的实际工作状态相同，因此其试验结果是准确的，而桩承载力自平衡法是将力由桩端或桩身某个部位向上压使桩身向上移动，所产生的摩擦力是负摩擦力，从单桩抗拔和抗静载试验中可以得出，抗拔的负摩擦力远小于受压的正摩擦力，大直径人工挖孔桩摩阻力较小，通常设计时不予考虑。2、桩承载力自平衡法关键是找这个“自平衡点”，即荷载箱应放在桩身平衡点处，要找出这个平衡点，需精确计算出压力向上的负摩擦阻力加上桩身上部的重量要与桩端阻力相平衡，这个平衡点在很多大直径人工挖孔嵌岩桩中是找不出来的，比如6m～10m大直径嵌岩桩，把荷载箱放在桩端扩大头位置上，压力向上负摩阻力加上桩身的自重与桩端阻力相比要小得很多，甚至要小几倍，要使其平衡，必须在桩顶进行大量配重或将试验桩延长很多，否则，加到最大试验荷载时，就会将桩身砼顶碎甚至将桩身顶出孔外。这也正是《桩承载力自平衡测试技术规程》（DB32/T291-1999）“对直径D≥1.5m试桩检测可采用小直径桩模拟测试以确定单位面积的摩阻力、端阻力极限值，模拟桩的直径不应小于800mm，最后根据实际尺寸通过换算确定单桩极限承载力。当埋设有桩身应力、应变测量元件时，尚可直接测定桩周各土层的极限侧阻力。”的精髓所在。自平