淺談靜荷載試驗中的自平衡測試方法

王啟淵

摘 要：簡述了自平衡法的發展與實驗原理及要點，從實驗原理、現場試驗方法、荷載轉換以及試驗中荷載箱布置情況進行了總結。自平衡法作為一種新發展的測試方法具有操作方便，實驗設備簡單的特點，非常具有發展潛力。

關鍵詞：河道治理；河流生態修復；修復技術

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.03.243

1 引言

隨著經濟發展和工程建設的需要，大直徑大噸位樁基的應用越來越普遍，確定樁基礎承載力通常采用靜荷載試驗。靜載荷試驗法測試樁基承載力，其結果簡潔、可信，普遍作為是一種標準試驗方法。作為一種近年來新發展的靜載測試技術，自平衡測試技術在國內外得到廣泛認可和應用。自平衡法具有操作簡單，設備使用方便的優點，彌補了傳統堆載豎向抗壓試驗的不足，在大噸位試驗樁、高深基坑樁和由于場地空間受到限制的試樁等情況中相比傳統靜載試驗更加實用。

2 試驗方法原理及要點

2.1 實驗原理

根據試樁的自身反力平衡的力學原理，自平衡測試法主要是靠預先在樁身的截面處埋設單層（或多層）荷載箱，當進行試驗時，試驗人員從樁頂通過荷載箱對荷載箱的上、下段樁身施加荷載，從而上段樁體會由于壓力而向上抬，此時樁側會產生摩阻力，并且摩阻力會慢慢的發揮作用，與此同時下段樁體也同樣由于壓力而慢慢下沉，在此過程中下段樁會產生樁側阻力和樁端阻力，并隨著試驗的進行慢慢的發揮作用，所以試樁會由于自身的反力而達到平衡加載。

2.2 現場試驗方法

頂板、底板、活塞以及箱壁四者組成的荷載箱是自平衡測試法的主要測試裝置。在荷載箱的頂蓋和底蓋上設置位移棒，并將荷載箱和預制的鋼筋籠焊接在一起將其放入樁孔，然后進行澆搗便可制成測試樁。荷載箱中的壓力可由地面上與荷載箱相連的壓力表測出，荷載箱的向上、向下位移可由頂板和地板的位移由地面上的位移傳感器測出。通過不斷增加荷載箱中的壓力，記錄下不同壓力下的位移值，便可在計算機中繪出相應的向上向下的力與位移的力—位移圖，即兩條Q-S曲線。

2.3 等效荷載轉換方法

在得到兩條Q-S后，利用荷載相等原則和位移相等原則進行轉換便可得到整個樁的Q-S曲線，假定測試樁為彈性體且分為上、下段樁，分界面為樁的平衡點同時下段樁與等效受壓樁下段的位移相等，即Sa=S下 。在自平衡測試法中，樁端的承載力—沉降量關系及不同深度的樁側摩阻力—變位量關系與傳統靜載荷試驗法是相同的，受壓樁上段的樁身壓縮量S為樁端及樁側荷載兩部分引起的彈性壓縮變形之和， 即：。

式中： S1—受壓樁上段在荷載箱下段力作用下產生的彈性壓縮變形量；

S2—受壓樁上段在荷載箱上段力作用下產生的彈性壓縮變形量；

Q下—某一位移對應的荷載箱向下加載值；

Q上—某一位移對應的荷載箱向上加載值；

L—上段樁長度；

γ—修正系數；

Ep—樁身彈性模量；

Ap —樁身截面積；

Gp—荷載箱上部樁自重。

樁頂等效荷載： （4）

等效樁頂荷載對應的樁頂位移： （5）

由（4）、（5）可得等效樁頂Q-S曲線。

2.4 荷載箱埋設位置設置

不同的地質環境會導致荷載箱的埋設位置不同，所以在自平衡測試中，對荷載箱的埋置位置的研究是很有必要的。根據前人經驗以及在試驗中檢測樁實例，歸納了在不同情形下，荷載箱的位置布置，如圖1所示。

如圖1（a）所示，適用于當樁極限側摩阻力大于或小于極限端阻力兩者的值大致相同時，測定極限側摩阻力此法也適用。

如圖1（b）所示，適用于荷載箱下方的樁體的端阻力與側摩阻力之和達到極限時，并且與此同時荷載箱上半部分的樁側阻力也達到極限。

如圖1（c）所示，適用于樁基持力層較軟弱，此時樁體需要測出的極限側摩阻力是整個樁身而不僅僅只是其中的一部分，但是又由于此樁體的樁端處無法提供需要的反力，采用深鉆的方法可以增加其極限側摩阻力。

如圖1（d）所示，適用于測試挖孔擴底樁的抗拔情況，如圖所示形狀為荷載箱應該設置在底部的擴大頭的區域。

如圖1（e）所示，僅適用于大頭樁，或當要求測定樁的極限側摩阻力時，樁極限側摩阻力要比預估樁極限端阻力大的情形。此時的荷載箱正確的設置做法是將荷載箱設置到擴大柱底上。

如圖1（f）所示，存在鑲嵌巖石的地層，適合測定有嵌巖地層的極限側摩阻力和極限端阻力之和。如還需檢測巖層上面土層的極限側摩阻力，需要在鑲嵌巖層的側阻力與端阻力測試完畢后在重新進行測定上層土層的極限側摩阻力，即將樁體的上半部分進行混凝土澆灌，帶混凝土冷卻后再進行檢測。

如圖1（g）所示，適用于有效樁頂標高位于地面以下有一定距離時，試驗所需要的輸壓管以及位移桿可以直接牽引到地面以上，方便進行實驗。

如圖1（h）所示，可測得多個（2個及2個以上）土層的極限側摩阻力。需要進行分層測試，先將下層土用混凝土澆灌之后，在對其頂面進行試驗的測定，記錄下層土的數據之后，再往上層一層一層的測定，測定與第一層的測定一致，即澆灌混凝土之后再進行測定，依次往上類堆，整個樁身全長不同土層情況下的極限側摩阻力便可測得。

3 自平衡法與傳統靜荷載方法比較

3.1 相同點

試驗對象：自平衡法與傳統靜荷載實驗一樣，都是對樁體直接施加荷載的方法。

試驗原理：自平衡測試法是利用樁基內部反力的加載方法，經過等效荷載轉換方法得到與傳統靜荷載試驗相同的結果?？梢詫⒆云胶夥ㄒ暈閷痘?、下部同時進行傳統靜荷載方法加載，加載設備、荷載分級方法、加載速度、穩定判別條件等，與傳統靜荷載實驗方法基本相似，在實驗中可以按照傳統靜荷載試驗規范執行。

3.2 不同點

反力方式：自平衡法加載時，反力來自于樁基內部，這是自平衡法的主要特點。而傳統靜荷載方法加載時，反力來自于樁基外部，比如錨樁反力、堆載配重反力等。加載方向：傳統靜荷載方法試驗時，樁基整體承受載荷，且加載方向與試驗規范中的定義方向相同，得到的Q-S曲線不需經過處理，可直接使用。自平衡法加載完成后，得到的兩條Q-S曲線要經過等效荷載轉換法處理后，參照靜荷載試驗規范得出結論。加載位置：傳統靜荷載試驗法的加載點通常設置在樁頂；自平衡法的加載點，通常設置在樁基內部，傳力點-樁頭的概念發生了變化，無法采用傳統方式樁頭加固方式，一般采用樁體強度局部加強、降低樁截面載荷集中程度、采用中低壓荷載箱等方式來保證加載處局部樁體完整性。

4 總語

自平衡法測試方法作為一種新發展的技術，同傳統靜荷載試驗相比，試驗裝置省時、省力、安全，且檢測數據能夠滿足實際工程的需求，在樁基檢測工程中的應用會有更廣泛的前景和發展。

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