自平衡檢測法在工程中的應用現狀及發展趨勢

楊桃 羅正東 李雨

隨著大型建筑工程的快速發展，上部結構對基樁承載力的要求迅速提高，如何快速準確的確定基樁承載力已成為當下檢測工程領域面臨的關鍵問題。

目前，按檢測方式分類，基樁承載力檢測主要可分為靜載試驗法、高應變法及鉆芯法，靜載試驗法又包括堆載法、自平衡法等。堆載法對檢測場地有一定需求且檢測時間較長;高應變法雖然檢測速度較快，不受場地限制，但影響檢測結果的因素較多，檢測結果不夠準確;而鉆芯法屬于破壞性試驗，當基樁承載力檢測完成后，試樁樁身結構會遭到破壞。

自平衡檢測法不需笨重的反力裝置、對檢測場地沒有任何要求、試樁檢測完后能繼續作為工程樁使用，且檢測速度快，準確度高，本文對自平衡檢測法的應用現狀及未來發展趨勢進行了總結和分析，為后續自平衡檢測法的應用與發展提供借鑒和參考。

1自平衡法檢測原理

自平衡檢測法所使用的檢測儀器主要包括預埋在樁身平衡點處的荷載箱，為荷載箱提供壓力的高壓泵及量測樁身位移的基準梁。在制作樁身時，將荷載箱預埋在樁身平衡點處，待樁身混凝土達到檢測要求后，高壓油泵向荷載箱加壓，荷載箱使樁身在平衡點處斷裂分離成上段樁與下段樁，并使上段樁、下段樁發生位移，通過分析荷載箱提供的壓力與兩段樁身發生的位移間的關系獲得基樁承載力。

2自平衡檢測法研究進展

2.1荷載箱

荷載箱是自平衡檢測試驗中的關鍵設備，20世紀80年代中期Osterberg根據日本學者用樁側阻力作為樁端阻力的反力測試樁承載力原理，提出了O-cell荷載試驗法，并研制出O-Cell荷載箱;1996年東南大學在國內開始推廣應用自平衡檢測法，并基于O-Cell荷載箱特制出O-Cell壓力盒。隨著自平衡檢測技術在我國的迅速推廣，杭州歐感科技有限公司推出組合式荷載箱、環型荷載箱等一系列設備;北京智機科技有限公司改變傳統壓力式單元結構，以囊式壓力單元為基本力學原件，推出了囊式荷載箱系列，能避免沉渣堆積，杜絕大段空樁出現。

2.2平衡點位置

平衡點即樁身某點處，上段樁樁身自重與上段樁負摩阻力之和等于下段樁樁端阻力及下段樁摩阻力之和的點，在理論上平衡點的位置是唯一確定的，平衡點的選擇直接影響到基樁承載力檢測結果的準確性。目前常用的平衡點確認方法主要分為規范經驗值法、相似模擬實驗法、數值模擬法。經驗法是基于大量的試樁結果以及樁周土層的理化性質進行數據分析，獲得基樁承載力與樁周土層理化性質之間的經驗關系，然后確定平衡點的位置。經驗法因計算簡單得到了廣泛應用，但局限性在于缺乏有效理論支撐，且每根試樁檢測環境都具有獨特性，因此導致平衡點取值誤差較大。相比之下，相似模擬實驗法所獲得的平衡點位置更為準確，它能對樁周環境進行相似模擬，但該方法實驗條件嚴格，周期長，費用高，多應用在大型樁基工程檢測之中;數值模擬法是利用有限元分析軟件對樁及樁周環境進行模擬，通過試驗分析樁身平衡點位置，但該方法獲取的平衡點準確性依賴于建模用的實際工程土層及試樁參數。

2.3基樁承載力確定方法

自平衡法檢測試驗中，基樁承載力計算包括簡化計算法以及精確轉化法。簡化計算法根據計算理論的不同又分為分段總和法以及等值位移插值法。分段總和法與等值位移差值法的計算公式均為Q=K（Qu-W）+QA，其中Qu為上段樁極限承載力，W為上段樁身自重，QA為下段樁極限承載力;兩者不同之處在于等值位移差值法是假定上段樁身不可壓縮。簡化計算法主要通過轉換系數來獲得基樁承載力，轉換系數的選取具有普適性，其精確度存在很大偏差，王伯惠結合相關規范對修正系數K的選取進行了理論計算，并提出了自平衡點位置計算公式。譚現江考慮樁周和樁底土體的附加應力，對傳統簡化計算法進行了優化改進，使簡化計算法在大變形樁基沉降計算中更為準確。相比較于簡化計算法，精確轉化法是基于荷載傳遞解析方法，根據樁周土實際土層的τ～s曲線及荷載箱處下的Q～S曲線，結合位移協調法逐步推導出整樁樁頂的Q～S曲線，然后計算獲得基樁承載力，精確轉化法理論嚴謹合理，能夠適用所有的自平衡法基樁檢測，并且計算精確度高。

3自平衡檢測法應用進展

自20世紀80年代日美等國開始應用自平衡檢測法以來，自平衡檢測法憑借檢測速度快，難度低，精確性高等優勢而得到迅速推廣。1993年，李廣信教授將該方法引入國內，1996年東南大學開始進行現場應用推廣，并于1999年聯合制定了第一部關于自平衡檢測法的地方標準《樁承載力自平衡測試技術規章》（DB32/T291-1999）。自此，自平衡檢測法在我國進入了快速發展期。對于大直徑超長樁，東南大學創新性使用了雙荷載箱，龔成中對雙荷載箱檢測基樁承載力的原理及工程應用進行了詳細總結，為自平衡檢測法的推廣與應用提供了非常有價值的參考，高魯超將FBG傳感器用于自平衡檢測法，通過分析樁身軸力和樁側摩阻力傳遞規律的差異性，剔除溫度變化和混凝土膨脹產生的預應力對檢測結果的影響，進一步提高了自平衡檢測精度。

4自平衡檢測法的發展趨勢

自平衡檢測法裝置簡單，不受場地限制，而且試驗時間短，價格低，試樁檢測完后仍可作為工程樁使用，相比于傳統的靜載試驗，其優勢極其明顯。但自平衡法檢測法的理想條件是樁身質量均勻，荷載箱位于樁身平衡點處，但目前平衡點的選定方法任存仔很多不足，這也造成了自平衡檢測法的理想條件在工程中難以實現并且很難逼近，而且荷載箱所檢測的樁周阻力為負摩阻力，這和實際工況存在一定的差異，雖然通過轉化系數可進行調整，但實際計算所得的基樁承載力偏小。為提高自平衡檢測法的精度，其研究發展應主要集中在平衡點位置的確定以及承載力計算方法上。

另外，自平衡檢測法主要應用于灌注樁的檢測，在其他類型的基樁檢測中應用較少，隨著我國基礎設施建設投入的不斷加大，高層及超高層建筑、跨海大橋等對基樁承載力要求高的建筑不斷涌現，基樁也朝著大直徑，長樁身發展，而且基樁類別也極其繁多，這加大了基樁承載力檢測的難度，如何將自平衡檢測法應用在不同類型工程及基樁中，提高自平衡檢測法的普適性，這需要亟待集中力量進行研究攻關。

5結語

自平衡檢測法自發明并投入使用以來，憑借不受場地限制，不需要笨重的反力結構以及不會對試樁造成破壞等獨特優勢在工程中迅速推廣。但盡管自平衡檢測法對基樁的檢測優勢明顯，目前仍存在許多不足和需要完善的地方，例如平衡點位置選取不夠準確、承載力計算理論還不夠完善、以及適用的樁基類型不夠廣泛等。隨著我國工程數量與規模的不斷增大，超長樁、大直徑樁等大型復雜地質環境樁基工程愈發常見，自平衡檢測法將會有更為廣闊的發展空間及應用前景。

作者簡介

楊桃，男，漢族，工程師，學士，主要從事建筑工程檢測工作。