月份：2017年1月

 

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（6）荷载箱埋设技术

 

经过二十余年的工程积累，东大自平衡逐渐摸索出了整套的荷载箱埋设技术，现简述如下，供各位同仁参考。

 

 

 

图1  荷载箱埋设位置

 

 

图（a）将荷载箱摆放在了桩端。此法适用于桩侧阻力与桩端阻力大致相等的情况，或端阻大于侧阻而试桩目的在于测定侧阻极限值的情况。

 

 

图（b）是将荷载箱放于桩身中某处。当荷载箱以下的桩侧阻力与桩端阻力之和达到极限值时，荷载箱以上的桩侧阻力同时达到极限值。

 

 

这两类荷载箱埋设位置是最常见、最基本的，本站“（5）平衡点的计算”一文即主要讨论的这两类情况。

 

 

图（c）为钻孔桩抗拔试验。由于抗拔桩需测出整个桩身的侧阻力，故荷载箱摆放在桩端；若桩端无法提供所需要的反力，故可将该桩钻深，加大桩侧阻力。

 

 

图（d）为挖孔扩底桩抗拔试验的情况，荷载箱摆在扩大头底部进行抗拔试验。

 

 

图（e）适用于大头桩或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的情况，此时是将桩底扩大，将荷载箱置于扩大头上。

 

 

图（f）适用于测定嵌岩段的侧阻力与桩端阻力之和。此法所测结果不会与覆盖土层侧阻力相混。如仍需测定覆盖土层的极限侧阻力，则可在嵌岩段侧阻力与端阻力测试完毕后浇灌桩身上段混凝土，然后再进行试桩。

 

 

图（g）适用于桩顶标高位于地面以下一定距离时（如高层建筑有多层地下室情况），此时可将输压管及位移棒引至地面方便地进行测试。

 

 

图（h）适用于需测定两个或以上土层的侧阻极限值的情况。可先将混凝土浇灌至下层土的顶面进行测试而获得下层土的数据，然后再浇灌至上一层土，进行测试，依次类堆，从而获得整个桩身全长的侧阻极限值。

 

 

图（i）采用二只荷载箱，一只放在桩下部，一只放在桩身上部，便可分别测出三段桩极限承载力。

 

 

图（j）适用于在地下室中进行试桩工程。

 

 

图（k）为管桩测试示意图。

 

 

图（l）为双荷载箱或单荷载箱压浆桩测试示意图。下荷载箱摆在桩端首先进行压浆前两个荷载箱测试，求得桩端承载力桩身承载力，然后进行桩端高压注浆再进行两个荷载箱测试，这样就可求得压浆对端阻力，桩承载力提高作用。

 

 

图（m）将荷载箱埋设在扩大头里面，使得荷载箱底板两边成45^o扩散覆盖整个扩大头桩端平面，直接测量扩大头桩端全截面端阻力。

 

 

图（n）在人工挖孔扩大头桩中埋设两个荷载箱，上荷载箱用于测量直身桩桩侧摩阻力，下荷载箱用于测量单位桩端阻力，再换算成整桩端阻力，最后得到整桩承载力。

 

 

图（o）为桩侧摩阻力较小，无法测出扩大头端部承载力的情况，此时可在桩顶施加配载提供反力。

 

 

总之，荷载箱的埋设不仅有寻找平衡点的问题，还有相当重要的实践经验问题。如您想做进一步的了解，可参考东大自平衡主编的《桩承载力自平衡测试技术研究与应用（第二版）》（中国建筑工业出版社，2016年）一书。

 

 

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（5）平衡点的计算

 

 

自平衡法的基本原理，是以桩侧阻力、桩端阻力互为反力来测试整桩极限承载力，但在很多情况下，侧阻与端阻并不相同。为了取得更好的测试结果，东大自平衡提出了“平衡点”的概念，这也是将本法命名为“自平衡法”的原因所在。

 

 

对于桩端阻力大于桩侧阻力的情况，桩底位置即为“平衡点”。有时候出于工程需要，还可在桩顶增加配重，以便测出真实的桩端极限承载力。

 

 

对于桩侧阻力大于桩端阻力的情况，应遵循的计算原则为：上段桩的反向摩阻力＋上段桩自重＝下段桩摩阻力＋端阻力，如下图所示。

 

 

 

图1  平衡点计算示意图

 

 

虽然计算原理较为简单，但在工程实践中，想要精确找出“平衡点”的位置还是很困难的。一般来说，可以先根据已有的地勘资料估算侧阻和端阻，粗略界定平衡点的大概范围，然后结合自身试桩经验来确定较为准确的“平衡点”。当然，由于各种原因，找出的“平衡点”有时难免存在一定的误差。

 

 

东大自平衡已完成数千根试桩的检测，结果都满足了设计加载要求，因此按照上述方法来确定平衡点，其精度是能够满足工程要求的。另外，可参考本站“（6）荷载箱埋设技术”一文做进一步研究。

 

 

对于平衡点，经常产生的一种误解是：平衡点必须同时满足上、下两段试桩的反力和位移相等。其实，在测试过程中只要满足上、下两段试桩的反力平衡，即可得到向上、向下两条Q-S曲线，进而可对曲线进行处理（按公式计算承载力，或者由简化法/精确法得到转换曲线），得出需要的结果，并不强求整个加载过程中的位移始终相等。

 

 

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（4）自平衡法能否用于工程桩的问题

 

 

采用自平衡法测试，需要事先将荷载箱埋置于桩身平衡点附近；加载时桩身断为上、下两部分，因此很多人会担心，经过自平衡测试以后的工程桩能否正常使用。

 

 

首先，自平衡法试桩加载到极限状态时，作用在上、下段桩的力约为总极限承载力的一半，故桩身材料不会发生破坏。

 

 

其次，随着时间的推移，桩周土层的承载力是可以恢复的。

 

 

第三，自平衡测试结束后，会在荷载箱处压注水泥浆，填充荷载箱处试桩的断层，使其强度大于桩身强度。

 

 

第四，当采用高压注浆时，浆液不仅可以填充荷载箱处断层，还可以在该位置形成一个扩大头，浆液也可沿桩周上下渗透，提高该处承载力，如下图所示。

 

 

图1  荷载箱处压浆示意图

 

第五，到目前为止，包括东大自平衡、O-cell®公司在内的众多自平衡测试单位，已完成了数以万计的工程项目（尤其是一些重大工程项目）。很多项目业已安全使用多年，足以证明自平衡法的可靠性。

 

 

综上所述，自平衡法测试后的工程桩，承载性能并不会削弱。

 

 

另外，也有人担心试桩的水平承载力会受到影响。

 

 

在实际工程中，基桩的水平承载力主要是靠上部土层提供的，而自平衡试桩的荷载箱埋设位置，大都远在反弯点以下，故该处承受的水平荷载几乎为零，因此，自平衡法试桩对水平承载力也是没有影响的。

 

 

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（3）自平衡法与传统静载法的比较

 

 

当采用堆载法、锚桩法等传统方法进行基桩承载力测试时，试桩在荷载传递、桩土作用机理上与单桩的实际受荷情况基本一致，因此是业内一致认可的最基本、最可靠的测试方法。

 

 

但是，传统静载法的适用范围却受到了试桩吨位和场地条件的限制。当试桩的竖向抗压承载力达到千吨以上时，采用锚桩法、堆载法测试就很困难。另外，对水上、坡地、基坑底、狭窄场地以及斜桩进行承载力测试，传统静载法都是难以实现的。

 

 

另外，传统静载法的缺点也很明显，像成本高、工程量大和工期长等，其主要原因在于需要设置专门的反力系统。测试一根灌注桩的承载力，大约需要4根锚桩提供反力，试验成本成倍增加；如采用堆载反力系统，则运输和安装费用也占很大的比例。

 

 

针对传统方法的不足之处，自平衡法应运而生。

 

 

与传统静载法相同，自平衡法也是静载试验法，只是其测试结果有向上、向下两个方向的荷载—位移曲线。通过对自平衡法上、下桩段的受力特性进行分析，可将其等效成传统静载试验结果。

 

 

经过二十余年的工程积累，东大自平衡对二者间的等效转换进行了大量的分析研究，相关成果已纳入了各部委、省区的标准规范（见本站“资料下载”）。在进行工程应用研究时，东大自平衡对比了百余根可信度高的试桩，主要是如下两类：

一、原桩上先后进行自平衡法和堆载法试验的基桩；

二、在同一场地同时采用了自平衡法与传统静载法两种工艺的工程，其土层条件、桩径、施工工艺、现场条件等相似或相同。

 

 

从工程应用角度来看，自平衡法完全可以取代传统静载荷试验方法。当然了，自平衡法在理论上仍然有许多问题有待进一步的详细研究。

 

 

最后，将自平衡法的显著特点归纳如下：

1、装置较简单，不占用场地，不需运入数百吨或数千吨物料，不需构筑笨重的反力架，可同时测试多根桩，试桩准备工作省时、省力、安全；

2、自平衡法利用桩的侧阻与端阻互为反力，因而可清楚的分出侧阻力与端阻力分布和各自的荷载一位移曲线；

3、节省试验费用，尽管荷载箱为一次性投入器件，但与传统方法相比可节省试验总费用的30％-60%，具体比例视桩吨位与地质条件而定；

4、由于试验方便，费用低，时间省，该法有利于增加试桩的数量，扩大检测面；

5、试验后试桩仍可作为工程桩使用，必要时可利用预埋管对荷载箱进行压力灌浆；

6、在下列情况下或当设置传统的堆载平台或锚桩反力架特别困难或特别花钱时，该法更显示其优势，例如：水上试桩，坡地试桩，基坑底试桩，狭窄场地试桩，斜桩，嵌岩桩，抗拔桩等。

 

 

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（2）自平衡法的基本原理

 

 

自平衡法是一种在桩端附近安设荷载箱，然后沿桩身方向加载，同时测得荷载箱上下、部桩身各自承载力的静载试验方法。

 

 

自平衡法的主要装置是一种经特别设计可用于加载的荷载箱。荷载箱主要由活塞、顶盖、底盖及箱壁四部分组成，顶、底盖的外径略小于桩身外径，其上布置位移棒测量向上、向下变形。将荷载箱与钢筋笼焊接成一体后，即可浇捣成桩。

 

 

进行自平衡测试时，通过在地面上的油泵加压，荷载箱将同时向上、向下发生变位，促使桩侧阻力及桩端阻力的发挥，如下图所示。东大自平衡已开发了全套自平衡设备及配套测试软件，可同时对多根桩进行自平衡测试。

 

 

 

图1  桩承载力自平衡试验示意图

 

 

东大自平衡经过多年探索，已将自平衡法的应用范围从最初的灌注桩，扩展到了PHC桩、钢管桩、沉井、地下连续墙等类型。

 

 

利用传感器采集的数据，可以绘制出相应的“向上的力与位移图”及“向下的力与位移图”，以及相应的s-lgt、s-lgQ曲线等，用以判断桩基承载力、桩基沉降、桩弹性压缩和岩土塑性变形，如下图所示。另外，若在桩身不同标高处布设了钢筋计等应变量测仪器，即可同时测得桩身侧摩阻力的发挥曲线。

 

 

 

图2  荷载与向上、向下位移测试图

 

 

得出上段桩身和下段桩身的极限承载力之后，便可进行整桩极限承载力的计算了。

 

 

在国内，东大自平衡率先给出了自平衡测试结果向传统静载试验结果的转换公式及转换系数。对于极限承载力的计算，大体如下所示。

 

 

抗压桩极限承载力：

 

 

上段桩抗拔极限承载力：

 

 

需要说明的是，东大自平衡前后对比了百余根自平衡试桩与传统静载试验试桩（堆载法、锚桩法），一直在对公式与系数进行完善和调整，具体内容见相关规范规程，或者本站“资料下载”页面。

 

 

另一方面，除了极限承载力，工程技术人员还普遍关注桩的荷载沉降曲线，即将上、下两段桩身的测试曲线转换为桩顶荷载沉降曲线，如下图所示。

 

 

 

图3  自平衡测试曲线向传统静载试验转换示意图

 

 

东大自平衡给出了两种转换方法。一是简化法，适用于量测桩身位置的情况（荷载箱处向上、向下位移，桩顶位移）；二是精确法，适用于量测桩身位移的同时，沿桩身埋设应变量测装置（如钢筋计）进行轴力测试的情况。

 

 

简化法和精确法都可满足工程精度要求，但精确法可获得更多的数据，如侧摩阻力发挥曲线、端阻发挥曲线等。详细内容可见相关规范规程，或者本站“资料下载”页面。

 

 

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（1）自平衡测试技术发展简史

 

 

早在1969年，以桩侧阻力、桩端阻力互为反力测试整桩承载力的概念，就被日本的Nakayama和Fujiseki提出，称为桩端加载试桩法。

 

 

到了80年代中期，类似的技术也为Cernac和Osterberg等人所发展。Osterberg将此技术用于工程实践，并推广到世界各地，所以一般称这种方法为Osterberg-Cell®载荷试验或O-cell®载荷试验。该法是在桩端埋设荷载箱，沿垂直方向加载，即可求得桩极限承载力。

 

 

1993年，清华大学李广信教授首先将此方法介绍到国内，并在随后几年指导博士和硕士做了大量的理论研究和模型试验。

 

 

1996年以来，史佩栋教授多次介绍了该方法在国外的应用和发展情况，但由于专利保护的原因，相关技术的资料报道非常少。

 

 

同在1996年，东南大学土木工程学院经过努力，率先开始了此方法的实用性应用，并将其正式命名为“自平衡法”。在随后的几年时间里，东南大学对“自平衡法”进行了大量的理论研究、实践研究和应用推广工作，取得了很多的研究成果，积累了宝贵的工程经验，并且获得了自平衡、荷载箱的专利授权。

 

 

到了1999年，东大自平衡主编的国内首个自平衡标准——江苏省《桩承载力自平衡测试技术规程》（DB32/T291-1999）颁布实施，这是自平衡法在我国得到正式认可并进入快速发展阶段的标志性事件。

 

 

在随后的几年时间里，自平衡法先后被纳入了（前）建设部、交通部、铁道部的相关规范，很多省区也陆续编制了自平衡规程。

 

 

近年来，众多自平衡测试企业及荷载箱生产厂家的出现，更是将自平衡法这一成熟的先进技术推上了一个更高的台阶。

 

 

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