自平衡載荷試驗在基樁靜載檢測中的運用

陳本初，羅林，趙堅華

（中建隧道建設有限公司，重慶 400000）

1 引言

雄安新區建設具有質量要求高、建設速度快、交叉作業多、施工環境較復雜等特點，試樁施工臨近主便道，來往車輛、施工人員出入頻繁。目前，針對試樁承載力檢測運用較多的方法是堆載靜壓法，此檢測方法成熟可靠，但堆載靜壓法在配重支架搭設時需要對周邊的場地進行封閉，所以，采用堆載靜壓法進行試樁承載力檢測時將影響多方單位正常施工通行，還會影響整體施工進度，并存在一定的安全風險。與堆載靜壓法相比，錨樁法不會影響施工主便道的通行，但試樁周圍4 根樁基是正方形四角分布，不能利用現有樁基進行錨固，重新施作錨固樁基成本高。自平衡荷載試驗法是將荷載箱提前根據基樁尺寸預制后進行埋設，不受工期場地影響。

2 自平衡法檢測原理

自平衡荷載檢測法的儀器設備主要由5 部分組成，分別為：加壓裝置、頂蓋、底蓋、箱壁、應力計及導線。箱壁內用不低于基樁強度等級的混凝土填充振搗密實。荷載箱外徑應略小于基樁鋼筋籠的內徑，在荷載箱的頂蓋及底蓋位置上分別使用連接位移桿進行固定。按檢測方案焊接至試樁鋼筋籠指定位置，將位移傳感器及線圈固定在基樁鋼筋籠外側，并與鋼筋籠一體放入鉆孔內，即可澆筑混凝土成樁。在澆筑完成28 d后，當試樁強度滿足設計要求時即可進行試驗，通過油泵加壓使荷載箱內部壓力增大，荷載箱的頂蓋及底蓋將分別向上向下發生位移變化，基樁樁側阻力及樁端阻力也隨之發生變化（見圖1）。荷載箱中的壓力變化通過壓力傳感器進行傳輸，由數據采集系統記錄相應數值，荷載箱向上及向下的位移變化量由固定在基樁頂蓋及底蓋位置的位移傳感器記錄。根據實測數據繪出相應的向上的力與位移曲線及向下的力與位移曲線，繪制2 條Q-s 曲線及相應的s-lg t、s-lg Q 曲線（Q 為荷載；s 為位移；t 為時間），分別計算得出荷載箱上段樁及下段樁的極限承載力，將上段樁極限承載力經一定處理后與下段樁極限承載力相加即可得到試驗樁的極限承載力（見圖2）[1]。

圖1 試驗示意圖

圖2 自平衡試樁法承載力計算圖

3 自平衡法樁基指標檢測實操

以雄安某項目二標段某橋N1-1 樁基數據整理分析為例，荷載值與位移量關系如圖3 所示。

圖3 荷載值與位移量關系圖

4 自平衡法靜載試驗樁身內力檢測

4.1 檢測原理

基樁內力檢測應預先埋設應變計，埋設位置要通過巖土工程勘察報告確定埋設高度，且處于兩種不同土質的交界處，通過靜載荷載檢測時記錄樁身內力變化，計算得出基樁側面不同土層的抗壓摩阻力。因受荷載作用，處于樁身內部的應變計會有微量變形，通過對鋼弦自身狀態下的自震頻率與荷載作用下變形后的振動頻率進行對比，并參照應變計與自動頻率的標定曲線，可以得出樁身鋼筋所受的軸向力。因此，可以在樁體不同位置設置應變計，由應變得到不同截面的樁身軸力，由軸力可以計算出不同樁段的樁側阻力。將應變計埋設于基樁端處，可以得到基樁端阻摩擦力[2]。

4.2 檢測方法

每個測試斷面放置4 個對稱測點，應力計布置間距按設計的文件要求并結合工程經驗綜合考慮確定，暫定每根樁樁頂標高布置1 組應力計（4 個），以下各地層分界標高位置每組均布置4 個。應力計與鋼筋籠綁扎牢固，將應力計導線順延鋼筋籠綁扎并伸出地面約1～2 m 即可。

5 自平衡法靜載試驗樁身內力檢測振弦式傳感器的設置安裝要求

1）傳感器按指定位置沿樁周均勻分布，并焊接或綁扎在基樁鋼筋籠主筋上。

2）傳感器導線需引出至基樁地表面約2 m，為了防止附近其他基樁施工、破除樁頭時對導線造成損壞，應對導線進行保護工作，一般情況下采用在導線外套鋼管進行保護。

3）儀器安裝完成后，對傳感器及導線進行測試工作，保證各處連接正常情況下，可進行混凝土澆筑工作。在混凝土澆筑過程中，應使用水下高流態混凝土進行澆筑，不得采用振搗、插搗等工藝，避免對傳感器和導線造成破壞。

4）傳感器及導線埋設完成后，應及時觀測初始值，并做好相應的記錄。

6 試驗結果整理

6.1 自平衡法靜載試驗樁身內力檢測及數據分析處理

在混凝土齡期滿足要求后，可對基樁進行檢測，根據測試結果對數據進行整理，在測試數據整理過程中需將無效測點刪除，計算出同一斷面有效測點的應變平均值，以及該斷面處樁身軸力，見表1、圖4。

表1 樁側極限側阻力和樁端阻力統計表

圖4 樁身刨面圖

6.2 后續處理

工程樁自平衡法靜載試驗完畢后，需對前期埋設荷載箱過程中預埋的注漿管，在荷載箱位置處進行注漿處理。荷載箱埋設于基樁樁身中，在荷載箱加壓過程中，荷載箱的頂蓋、底蓋發生位移將產生裂縫，通過對裂縫位置進行注漿處理，確保基樁測試后基樁能夠正常使用。

7 自平衡法樁基試樁應用分析

受檢樁不受破壞，反而具有更高的承載力。受檢樁在注漿后，能夠作為正常樁使用通過以下3 點進行分析論證：

1）通過注漿填滿荷載箱處縫隙，使該處樁身強度不低于試驗前，在注漿過程中，漿液會填充基樁側面，增加基樁側摩阻力，使基樁的承載力也相應提高。

2）進行自平衡荷載試驗時，通過荷載箱向下的壓力可使樁底的土層更密實，土層承載力更強，受檢樁沉降量相比普通樁要小。

3）由于荷載箱置于樁的平衡點處，較多數靠近樁底位置，安置荷載箱位置處樁身主要承受豎向壓力，且豎向壓力不會超出樁身總承載力1/2。

試驗結論可輔助選擇合理的施工方法、施工工藝、機具設備作相應的總結，在滿足施工階段檢驗試樁的前提下，可測定試樁穿越各土層側壁極限摩阻力和樁尖阻力，確定單樁容許承載力。

檢測結果類別齊全，能夠準確無誤地驗證基樁承載能力。

1）可經分析得出P-s 曲線，s-lg t 曲線、樁身極限承載力；

2）提供土層分段摩阻力及樁尖承載力；

3）判定試樁承載力。

8 結語

綜上優勢，平衡法試樁能夠驗證設計承載力、校核地勘資料信息，輔助設計單位樁基設計，同時，由于其不破壞樁基、且能夠提高摩阻力及樁尖承載力，還具有加載方便、后續處理簡單等優勢，是施工單位試樁的首選方法。試樁反映了真實承載能力，對于施工過程中的一些特殊情況，如掉入導管、串筒等鋼質材料，雖然其不影響樁基承載能力，但會對超聲波傳遞造成影響，導致超聲檢測不合格。此時，荷載箱自平衡法承載力檢測結果可作為判定性依據，以避免誤判結論造成返工損失。