浅谈自平衡法测定桩基承载力

摘要：传统的单桩承载力的测定方法有堆载法、锚桩法，这两种方法往往受到现场条件的制约。本文通过自平衡法在国外桩基工程中的成功应用，来介绍自平衡法测桩的工作原理、平衡点的选取、加载过程以及如何将上下两段桩的Q-S曲线转换为桩顶的Q-S曲线，以便确定单桩的极限承载力。

关键词：静载试验；自平衡；Q – S曲线；极限承载力

中图分类号：TU473.1 文献标识码：A

1、引言

科威特巴比延岛BP项目坐落在科威特的东北部，该项目包含一座连结科威特大陆与巴比延岛的跨海大桥。该桥全长为1.42公里，共46跨，上部结构为30m预应力T梁，采用架桥机架设，下部结构基础为钻孔灌注桩，全桥共有桩基320根。其中有40根桩基为岸上施工，其他桩基为水上施工。

为了确保实际单桩竖向极限承载力达到设计要求和检验桩基础的施工质量，规范中要求对桩基静荷载试验以确定单桩极限承载力。传统的静荷载试验主要有堆载法和锚桩法，这两种方法受试验场地的限制，特别是水上试桩时，这两种方法很难进行测试。桩承载力自平衡法（Osterberg Cell）是将荷载箱埋设在桩身平衡点处，使上下两段桩的反力相等以维持加载，分别得到荷载箱上段桩与下段桩的极限承载力。同传统的堆载法、锚桩法等静载试验方法相比，自平衡法具有技术先进、加载装置简单、测试自动化程序高和试验费用较省等优点，所以该项目试桩采用自平衡法测定桩基极限承载力。

2、荷载箱距桩底距离（即平衡点）的确定

从平衡原理来看，在加载过程中，荷载箱加压时，上下压板反力相等，靠桩周总摩擦力与持力层反力平衡确定，只有两者同时达到极限值，才能确定桩的极限承载力。因此，荷载箱距桩底距离（即平衡点）是确定极限承载力的关键。所谓的平衡点就是上段桩桩身自重与桩侧摩阻力之和与下段桩的桩侧摩阻力及桩端阻力之和基本相等的位置。根据试桩处的钻孔柱状图及土层参数，可以按公式2-1确定荷载箱的位置。

公式2-1

其中为上段桩侧摩阻力；为上段桩自重；为换算系数，该试桩对于粘性土、砂性土均取0.8，，为下段桩桩侧摩阻力；为持力层的极限承载力；A为桩端面积。

公路桥的试桩桩长为40.8 m，桩径为1500 mm，根据土层资料，计算试桩自平衡点的位置为距离桩底9.3m的位置，所以在该位置安装囊式荷载箱，如下图2-1所示。

3、试桩施工

钻孔灌注桩采用直径为1500mm反循钻机，钻孔至设计标高进行第一次清孔，钻孔结束后采用超声波孔径检测仪检测桩的孔径与桩的垂直度，使之满足规范要求，钢筋笼和导管安装完毕后经行第二次清孔，清孔后实测底部沉渣的厚度不超过规范要求。

根据结构配筋形式，钢筋笼在现场分段制作将各节段编号，保证安装有钢筋应力计的钢筋笼顺序安装，为防止钢筋笼变形，在笼内设置了1 m间距的加强箍圈，确保了钢筋笼对接时上下节中心线保持一致，及上下节钢筋搭接长度满足规范要求。钢筋笼子制作过程中，将钢筋应力计安装焊接在设计要求的位置，同时保证钢筋龙入孔的时候有足够的搭接长度。为避免焊接过程中钢筋应力计受热、人为损坏其中的电子元件采用软布或棉纱裹住钢筋外壳。因荷载箱中间预留孔直径仅为600 mm，插入导管后很难保证泥浆翻出，因而影响荷载箱上下混凝土的质量，为了保证荷载箱上下混凝土均匀，不出现应力集中现象，在荷载箱上下各加 6根 1.5m长直径为150mm的钢棒，以保证荷载箱上下强度均匀传递。为了防止荷载箱的高压油管破损，在其外加金属保护管。在钢筋笼制作时，将荷载箱立于平地上，将事先分好节的钢筋笼子，先用 L型钢筋将上节笼子焊接。 将荷载箱安装到测试桩设计的位置，然后在荷载箱上预留的混凝土灌注导管口处加设导向钢筋， 确保导管顺利通过荷载箱，桩身混凝土强度为C40，二次清孔后经行水下混凝土灌注。

4、自平衡法桩基检测过程

4.1加载与卸载

试桩的混凝土达到设计强度后开始加载，试桩的加载方式采用慢速维持荷载法，即逐级加载，每级荷载达到相对稳定后方可下一级荷载，直至达到12.68 MN，然后分级卸载到零。此次加载共分为三个阶段，第一阶段荷载从0到9.3 MN，分18级加载，每级加载的时间为20分钟；第二阶段荷载从9.3 MN到12.68 MN，分7级加载，每级加载的时间为30分钟；第三阶段荷载从12.68 MN到零，分5级卸载，每级卸载的时间为60分钟。在加载与卸载的过程中记录相应的位移传感器与应变片的读数，所有的数据采集由电脑自动完成。

4.2加载与卸载过程的数据记录如表4-2

表4-2

数据项 第一阶段（加载） 第二阶段（加载） 第三阶段（卸载）

O-Cell加载力（MN） 9.13 12.68 0

桩顶位移（mm） 40.68 63.14 61.99

O-Cell顶面位移（mm） 42.14 60.05 62.62

O-Cell 张开距离（mm） 58.34 86.64 81.20

O-Cell底面位移（mm） -16.20 -21.59 -18.56

桩底位移（mm） -13.39 -17.58 -16.35

应变片L1（MN） 1.7 2.5 0.8

应变片L2（MN） 6.4 8.9 4.3

应变片L3（MN） 6.4 8.7 2.0

应变片L4（MN） 3.0 3.3 1.4

应变片L5（MN） 1.1 1.2 0.6

4.3加载与卸载过程中桩顶与桩底的Q-S曲线如图4-3

图4-3

4.4加载过程中，不同高度的应变片所测得的桩体的竖向的受力状态如图4-4

图4-4

5、桩基承载力的确定

5.1将上下两段桩的Q-S曲线转变成桩顶的Q-S曲线

由于自平衡法试桩得到的是上段桩与下段桩的Q-S曲线，每加一级荷载上段桩向上的位移与下段桩向下的位移是不同的，而传统的试桩得到的是桩顶的Q-S曲线，因此需要将自平衡法达到的两个Q-S曲线转变成一个桩顶的Q-S曲线。

自平衡法试桩时，上段桩受力与抗拔的受力想相似，上段桩侧摩阻力的方向是向下的，与传统的静载法试桩侧摩阻力方向相反。传统的静载法试桩时，桩侧摩阻力使桩侧土层加压密实，自平衡法试桩时，上段桩桩侧摩阻力则使得桩侧土层减压松散，通过大量的对比试验研究表明，拔桩负摩阻力小于压桩正摩阻力,为抗拔负摩阻力/抗压负摩阻力比值，对于粘性土、沙土本试桩均取0.8 。通过公式5-1，考虑桩的自重影响，求出桩顶抗压承载力。

公式5-1

其中为桩顶竖向抗压承载力，为上段桩与下段桩的承载力，为上段桩身自重。

将上下两段桩的Q-S曲线转变成桩顶的Q-S曲线如下图5-1、图5-2所示，首先将上下两段桩的Q-S曲线按照一定的位移量平均分成12段，由于下段桩的位移量较小，需要用双曲线函数模拟出与上段桩位移相同的点如5-12号点，然后在图5-1中分别查出位移量相同的点的上段桩与下段桩的承载力，通过公式5-1的方法将上段桩与下段桩的承载力相加，得出在该位移下，桩顶的Q-S曲线如图5-2，通过Q-S曲线来确定桩的极限承载力。

图5-1

图5-2

5.2通过桩顶的Q-S曲线确定桩基承载力

按照江苏省地方标准《桩承载力自平衡测试技术规程》规定：根据沉降荷载的变化特征曲线确定极限承载力，对于陡降型Q-S曲线，取Q-S曲线发生明显的陡降的起始点；对于缓型的Q-S曲线一般可取S=（40-60）mm对应的荷载，对于大直径桩可以取S=（0.03-0.06）D（D为桩端直径，大直径取低值，小直径取高值）所对应的荷载。

按照5.1中所描述的方法，将图4-3所示的上下两段桩的Q-S曲线转换成如图5-3所示的桩顶Q-S曲线。由桩顶的Q-S曲线可以查出，正常使用状态下，桩顶荷载为6.3MN相应的沉降值为6.4mm，极限状态下，桩顶荷载为15.75MN相应的沉降值为28mm均满足设计要求。

图5-3

参考文献：

[1]江苏地方标准《桩承载力自平衡测试技术规程》

[2]Report on bored pile load testing (osterberg method) by FUGRO MIDDLE EAST BV.