自平衡法在青岛地区基桩检测中的应用
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【摘 要】自平衡试桩法是近些年兴起的一种新试桩方法，与传统试桩法相比具有装置简单，节省费用，结果可靠，不受场地限制等优点，因此应用越来越广泛。本文以青岛某客站工程自平衡法试桩为背景，介绍了自平衡法的原理、特点及测试系统，为工程中的类似问题提供经验。
【关键词】自平衡法；试桩；测试系统
在桩基础检测中单桩竖向承载力的检测是至关重要的一个环节，实际工程中为设计提供单桩竖向承载力的方法只有静载荷检测，传统的桩基静载试验方法有堆载法和锚桩法两种，长久以来被工程界广泛采用，但是其缺点也显而易见：堆载法需要建设庞大的堆载平台，并且必须解决几百吨甚至上千吨的配重来源、堆放及运输等问题，锚桩法则需要设置多根锚桩及反力大梁，不仅所需费用昂贵，时间较长而且易受吨位和场地条件的限制，是一直困扰工程界多年的难题，为此近年来我们开展了自平衡的应用研究。自平衡法与传统试桩法相比具有装置简单，节省费用，结果可靠，不受场地限制等优点，因此应用越来越广泛，下面结合一个工程实例介绍一下该方法在青岛地区首次应用的情况。
一、自平衡法基本原理
是接近于竖向抗压（拔）桩的实际工作条件的试验方法。把一种特制的加载装置-荷载箱，预放置在桩身指定位置，将荷载箱的高压油管和位移杆引到地面（平台）。由高压油泵在地面（平台）向荷载箱充油加载，荷载箱将力传递到桩身，其上部桩侧极限摩阻力及自重与下部桩侧极限摩阻力及极限桩端阻力相平衡来维持加载，从而获得桩的承载力。其原理见图1
图1
二、检测设备
1.加载设备：每根受检桩采用一只环形荷载箱，其加载值的率定曲线由计量部门标定。
2.高压油泵：最大加压值为60MPa，加压精度为每小格0.5MPa，其压力表亦由计量部门标定。
3.位移量测装置
1）电子位移传感器（dy-20）
量程50mm（可调），每桩4只，通过磁性表座固定在基准钢梁上，2只用于量测桩身荷载箱处的向上位移，2只用于量测桩身荷载箱处的向下位移。
2）笔记本电脑及数据自动采集仪一套。
三、检测方法
加载采用慢速维持荷载法，测试按《基桩自平衡法静载试验技术规程》JT/T738-2009进行：
1）检测间隙时间及荷载分级
（1）成桩后至试验间隙时间：桩身强度达到设计要求的70%不少于15MPa且不少于15天；压浆后试桩不少于20天。
（2）荷载分级：将预估加载值分10级加载，第一级按两倍荷载分级加载，卸载分5级进行。
2）位移观测
每级加载后在第1h内分别于5、15、30、45、60min各测读一次，以后每隔0min测读一次。电子位移传感器连接到电脑，直接由电脑控制测读，在电脑屏幕上显示Q-s、s-lgt、s-lgQ曲线。
3）稳定标准
每级加（卸）载每一小时的向上、向下位移量在下列时间内不大于0.1mm。
a桩端为巨粒土、粗粒土或坚硬粘质土，最后30min。
b桩端为半坚硬黏质土或细粒土，最后1h。
4）终止加载条件
对于单桩竖向抗压静载试验，加载终止条件和相应的最终加载值应分别从向上、向下两个方向按以下规定进行判定和取值：
（1）总位移量大于或等于40mm，且本级荷载的位移量大于或等于前一级荷载的位移量的5倍时，加载即可停止。取此终止时荷载小一级的荷载为极限加载值。
（2）总位移量大于或等于40mm，且本级荷载加上24h后未达稳定，终止加载，取此终止时荷载小一级的荷载为极限加载值。
（3）累计位移量小于40mm，但荷载已大于或等于设计荷载乘以设计规定的安全系数，终止加载。取此时荷载为极限加载值。
（4）Q-s曲线出现明显陡变，终止加载。取发生明显陡变的起始点对应的荷载为最终加载值。
（5）s-lgt曲线尾部出现明显弯曲，终止加载。取前一级荷载为最终加载值。
5）卸载及测试
（1）卸载应分级进行，共分5级卸载。每级卸载量取加载时分级卸载的两倍。
（2）卸载到零后，至少在1.5h内每15min观测一次，开始30min内，每15min观测一次。
6）单桩竖向抗压极限承载力判断标准
（1）《基桩自平衡法静载试验技术规程》（JT/T738-2009）
根据试桩的最终加载值，可按下式计算单桩承载力极限值：
抗压：
式中，Pui-试桩i的单桩极限承载力；
Quui-试桩i上段桩的加载极限值；
Qlui-试桩i下段桩的加载极限值；
Wi-试桩i荷载箱上部桩自重；
gi-试桩i的修正系数，对于黏性土、粉i=0.8；对于砂i=0.7；对于岩石gi=1。（本工程gi=0.8）
五、工程概况
青岛市某一客站工程设计桩型为冲击钻孔桩，桩径为Ф1.20m，施工总桩数为330根，地质分层：第1层杂填土、第6层淤泥质粉质粘土、第11层粉质粘土、第16-1层强风化泥岩、第16-2层强风化安山岩、第16-3层构造破碎带、第17层中风化花岗岩，设计要求：混凝土强度等级C45，桩端持力层为强风化泥岩，单桩竖向承载力极限值为5800kN。设计要求对4根单桩进行静载试验，如果进行堆载试验花费的检测费用需要二十几万元，时间耗费12天，为了节省开支和时间我们决定对其进行自平衡法基桩静载试验。
表1 加载分级表
序号 210#加载值（kN）
预加载 2×290
第2级 2×580
第3级 2×870
第4级 2×1160
第5级 2×1450
第6级 2×1740
第7级 2×2030
第8级 2×2320
第9级 2×2610
第10级 2×2900
（卸载）第11级 2×2320
第12级 2×1740
第13级 2×1160
第14级 2×580
第15级 0
表2 各土层物理性质指标一览表
表3
静载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。它主要由活塞、顶盖、底盖及箱壁四部分组成。顶、底盖的外径略小于桩的外径，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体后，即可浇捣混凝土成桩。
检测时，在地面上通过油泵加压，随着压力增加，荷载箱将同时向上、向下发生变位，促使桩侧阻力及桩端阻力的发挥。
我们选取了210#桩进行了检测，该桩φ1.2m，桩长19.0m，根据规范规定5.2.1.2之规定：极限桩端阻力大于桩侧摩阻力时，荷载箱置于桩端。在检测之前已将荷载箱至于桩端距离桩顶17m处。根据规范4.3.2之规定选取设计要求单桩极限值为最大双向加载值5800 kN。具体加载分级见表1。
210#桩检测情况统计表见表3
向上最大位移15.84mm，残余变形5.32mm，回弹率33.59%。
向下最大位移16.51mm，残余变形4.97mm，回弹率30.10%。
210#桩Q-s和s-lgt曲线（图3）
图3
210#桩lgQ-s和s-lgt曲线（见图4）
图4
自平衡测试结果表（见表4）
设计要求单桩竖向极限值为5800kN，210#桩的单桩竖向承载力极限值为5940 kN，可以满足设计要求。
自平衡法在青岛地区尚属首次应用，较传统静载试验方法比较有安全、省时、经济，不受场地条件及吨位限制等优点，本次检测取得了很好的测试效果，节约了大约三分之一的检测成本和近一半的检测时间，丰富了青岛地区桩基检测的手段，因此该方法完全可以满足工程应用的要求。
参考文献：
[1]龚维明等.《基桩静载试验自平衡法》JT/T738-2009
[2] Static loading test of foundation pile-Self-balanced method.