自平衡基樁承載力檢測技術淺議

許強強 甘肅省建筑科學研究院（集團）有限公司工程師

1 自平衡基樁承載力檢測技術背景

近年來，我國基礎設施建設突飛猛進，實際工程中地質(zhì)概況復雜多變，樁基礎由于應用范圍廣、承載力高、沉降小、抗震性能好而得到了廣泛應用。樁基承載力關乎工程質(zhì)量和安全，因而以合理方法取得其承載力情況意義重大。傳統(tǒng)檢測方法有靜荷載試驗、低應變動力測試、高應變動力測試及靜—動試樁法，這些方法雖大量應用于實際工程并取得一定成果，但都存在一定的缺陷[1]。多年工程實踐表明，動力檢測方法精度較低，參考時需借助一定的工程經(jīng)驗；靜載試驗雖然可以獲得較準確的結(jié)果，但其對場地要求高，且耗時耗力。對于直徑大于1 m、承載力極高的工程樁進行靜載試驗檢測，使用了一種新的檢測方法，即自平衡檢測技術?；鶚冻休d力自平衡檢測法對環(huán)境要求低、對場地適應性強，試驗最大加載量可根據(jù)設計試驗樁的要求進行專門設計，加載量不受限制。該技術在國內(nèi)的發(fā)展應用已有十余年的時間，是住房和城鄉(xiāng)建設部、科學技術部2002 年重點推廣項目[2]。

2 自平衡基樁承載力檢測技術的適用范圍及特點

自平衡基樁承載力檢測適用于新建、改建、擴建工程的大直徑（直徑大于800 mm）混凝土灌注樁的豎向承載力檢測，尤其適用于海洋湖泊中的試樁、傾角較大的陡坡上的試樁、開挖深度大的基坑底試樁、狹窄場地試樁、超高承載力試樁等。

基樁自平衡檢測法為我國很多重、特大項目的安全實施起到了保駕護航的作用，具有以下優(yōu)點[3]。

（1）試驗裝置簡單，便于操作，節(jié)省堆載材料及設備，可靠性高；

（2）節(jié)省場地和實驗空間；

（3）節(jié)省試驗費用，與靜載試驗相比可節(jié)省30%～60%的費用；

（4）測試樁可作為工程樁使用；

（5）適用性強，可應用于各種傳統(tǒng)方法難以進行的樁基測試。

基樁承載力自平衡檢測法與堆載法、錨樁法靜載試驗檢測樁基承載力的優(yōu)點進行對比，如表1 所示。

表1 三種樁基承載力檢測方法對比結(jié)果

3 基樁自平衡法檢測技術原理

自平衡檢測系統(tǒng)包括加載裝置、位移傳感器及應力測量裝置，如圖1 所示。其主要裝置是一種特制的自平衡荷載箱，如圖2 所示，需根據(jù)樁設計參數(shù)由具有生產(chǎn)資質(zhì)的商家提前生產(chǎn)。試驗樁成孔后，在澆筑混凝土前，把加壓管、位移桿與荷載箱連接，并將其固定于鋼筋籠，一并埋設于樁孔中后澆筑混凝土。荷載箱的位置為平衡點，根據(jù)地質(zhì)土層參數(shù)計算確定。在地面用油泵對荷載箱加壓，荷載箱產(chǎn)生上下兩個力，上段樁發(fā)生向上的位移，下段樁發(fā)生向下的位移。通過對采集的實驗數(shù)據(jù)進行計算和分析，即可測得樁基承載力。

圖1 自平衡試樁技術示意圖

圖2 三種常用荷載箱

試驗時，通過荷載箱對上、下段樁身施加荷載，從而迫使上段樁身上抬，使上段樁樁側(cè)摩阻力徐徐發(fā)揮，同時迫使下段樁下沉，使下段樁樁側(cè)阻力及樁端阻力徐徐發(fā)揮。此時，上下樁段的反力大小相等、方向相反，從而達到試樁自身反力平衡加載的目的。如此，隨著荷載箱壓力的不斷增加，直至達到樁承載力極限狀態(tài)，試驗終止。

在此過程中，可由均壓力表測得的壓力及位移傳感器測得的位移繪制自平衡曲線，如圖3（a）所示，然后根據(jù)轉(zhuǎn)換之后的Q—s 曲線，如圖3（b）所示，得到最終基樁承載力[4]。

圖3 測試結(jié)果轉(zhuǎn)換示意圖

4 自平衡檢測結(jié)果的影響因素及注意事項

4.1 影響因素

自平衡試驗檢測結(jié)果表明，采用泥漿護壁的成孔灌注樁，由于“泥皮”效應的存在，對樁長大于25 m 的樁基承載力檢測結(jié)果影響極其顯著。

在自平衡靜載試驗檢測時[3]，荷載箱體位置的確定需要綜合考慮樁長、樁周的土層側(cè)摩阻力和樁端阻力的影響。一般樁側(cè)摩阻力降低15%～35%，極限承載力則降低18%～24%。

以卵石、礫石和砂層為主土層，沖擊成孔工藝對土層松動影響明顯。自平衡測試需要考慮樁側(cè)土體的應力松弛現(xiàn)象。

對于人工挖孔灌注樁，由于人工挖孔樁側(cè)相對粗糙，盡管有應力松弛現(xiàn)象，但整體樁側(cè)摩阻力良好，需要結(jié)合人工挖孔樁的成孔質(zhì)量選擇土體參數(shù)估算平衡點位置，以提高自平衡測試效果。

4.2 需注意的問題

4.2.1 平衡點問題

荷載箱埋設位置即為平衡點。平衡點的準確性直接影響試驗的結(jié)果和準確性。平衡點的計算主要依據(jù)巖土工程勘察報告和相關規(guī)范，根據(jù)上段樁的自重加極限側(cè)摩阻力等于下段樁的自重加極限側(cè)摩阻力和極限端阻力確定。目前，由于勘察水平和規(guī)范取值的影響，平衡點的計算誤差一般較大，并不能十分準確地確定平衡點。

4.2.2 荷載箱處斷樁問題

自平衡靜載試驗檢測時，對于摩擦型工程樁，由于荷載箱的埋設及混凝土材料本身為脆性材料，致使該檢測樁一定為斷樁[4]，若不進行后注漿，會對工程樁的豎向和水平承載力及完整性產(chǎn)生不利影響。

4.2.3 組合荷載箱故障問題

在試驗檢測中，對于超大噸位工程樁承載力檢測，必須使用組合荷載箱，若在施工工程中組合荷載箱出現(xiàn)故障，必然導致該工程樁的自平衡試驗失敗[5]。

4.2.4 荷載箱在前提試驗樁施工過程中的安裝問題

在實際試驗樁承載力檢測過程中，荷載箱必須和鋼筋籠焊接組裝完成后安裝加壓油管和位移絲，最終荷載箱和鋼筋籠成為一個整體，待試驗樁成孔后一起吊入樁孔，然后進行樁身混凝土的澆筑。由于荷載箱的存在，使其下部的樁身澆筑空間變小，導致大量的沉渣和浮漿滯留樁底，對樁身質(zhì)量和承載力有較大的影響。試驗過程中，初期下段樁沉降較大，不能真實地反映樁端地層承載力，因此對于組合型荷載箱裝置的整體設計提出了很高的要求。

4.2.5 自平衡測試系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題

由于荷載箱需要埋設于地下，導致其在試驗過程中面臨各種各樣復雜的測試環(huán)境，對此需保證其測試系統(tǒng)的穩(wěn)定性，使試驗檢測能真實地反映試驗樁在相應場地的承載力，這就需要荷載箱整套設備具有很好的穩(wěn)定性。首先，必須保證荷載箱是經(jīng)過廠家自檢合格，并且經(jīng)有資質(zhì)的計量單位標定合格，同時出具標定證書。其次，必須保證油管、位移絲等在施工過程中和試驗過程中不被破壞，傳感器在測試過程中不出現(xiàn)故障等。最后，在試驗現(xiàn)場要有穩(wěn)定的電壓，且數(shù)據(jù)采集要在防風棚內(nèi)進行，防止周圍的大型機械振動等。

5 結(jié)語

基樁自平衡試驗技術還存在許多尚待解決的問題，但是其檢測設備簡單，對場地的使用面積較小。而傳統(tǒng)檢測方法如堆載法，需要幾百噸甚至幾千噸堆載配重，錨樁法需要架設鋼梁的反力架。而基樁自平衡試驗技術可同時進行多根樁的試驗檢測工作，且加載量不受限制，這使得自平衡試驗對場地平整性要求較低，在一些超長樁、大噸位樁基靜載試驗中具有無可比擬的優(yōu)勢，是一種行之有效的方法，值得推廣應用。