自平衡法在大直徑樁基檢測中的探討

張 智

（陽泉煤業集團吉成建設工程檢測有限責任公司，山西 陽泉 045000）

自平衡法的發展歷史：以色列AfarVasela公司1960年提出并使用通莫法（Tomer法），轉變為荷蘭TomerSystensB.S.，2005年通莫公司進入中國市場，杭州歐感科技有限公司。美國西北大學推廣，Osterberg試樁法聞名于世發展推廣。90年代后期，東南大學由美國引入國內叫“自平衡”。

自平衡法原理：自平衡法的試樁法基本的原理是千斤頂埋到樁身。首先把某種特別制作的加載裝置—在樁身定點指定的位置放置荷載箱，然后把荷載箱的高壓油管和位移桿牽引到地面的平臺。在地面的平臺經高壓油泵向荷載箱充油加載，荷載箱把力量再傳遞到樁身，它的上部樁和自重與下部樁以及極限端3種極限側摩阻力相互平衡來維持加載，因此達到樁的承載力。

1 工程簡介

該工程位于某縣區，該建筑樁基設計等級為乙級，樁型采用鉆孔樁基，試驗樁樁長18m～25m，樁徑1200mm，有擴底為1500mm。混凝土設計的強度為C30，樁端的持力層是中風化砂巖，樁底高壓注漿，靜載試驗要求的最大加載值為18600kN。

2 試驗方法

2.1 試驗概況

由設計和勘察單位指定，對編號為D1＃，E1＃的2根試樁采用自平衡法靜載荷試驗檢測單樁豎向抗壓極限的承載力。

2.2 自平衡法靜載試驗

依據《建筑樁基自平衡法靜載試驗的技術規程》（JGJ／T403－2017）單樁豎向抗壓極限承載力的按公式2.21來計算：

上式中：

Qu是單樁豎向抗壓的承載力極限值（kN）；

Quu是上段樁的極限加載值（kN）；

Qud為下段樁的極限加載值（kN）；

W是荷載箱上段樁自重（kN）；

γ1是受檢樁的抗壓摩阻力來轉換系數。

依據《基樁自平衡法靜載試驗的技術標準》（DBJ04／T345－2017），自平衡法載荷試驗推定單樁豎向抗壓的極限承載力，需要按下列公式計算：

公式（2）和（3）中：

Qu—單樁豎向的抗壓承載力極限值（kN）；

QPU—樁端承載力極限值（kN）

Qu上—上段樁的極限加載值（kN）；

Qu下—下段樁的極限加載值（kN）；

W—荷載箱上段樁的自重（kN）；

WP—有效堆載重量（kN）

A—荷載箱的承壓底板面積（m2）；

Ap—樁底面積（m2）；

ψp—大直徑樁端阻力的尺寸效應系數，依據《建筑樁基的技術規范》JGJ94－2008中有關的規范取值；

γ—荷載箱上段樁側阻力修正系數，根據荷載箱上部土的類型確定：黏性土、粉土γ ＝0.8；砂土γ ＝0.7；巖石γ ＝1，若上部有不同類型的土層，γ取土層厚度加權平均值。

2.3 上段樁極限加載值Qu上和下段樁極限加載值Qu下應按下列方法綜合確定：

1）依據位移隨著荷載變化的特點來確定時，對于陡變型曲線，需要取得曲線發生明顯陡變的起始點對應的荷載值；

2）依據位移隨著時間變化的特點來確定極限承載力，需要用位移量與加載時間的單來對數曲線尾部發生比較明顯彎曲的前一級的荷載值；

3）當出現第1、2款相同的問題時，需要用前一級的荷載值；

4）針對緩變型的曲線可以依據位移量來確定，上段樁極限加載值來取得相對應的位移為40mm時的荷載值，如果上段樁的長度大于40m時，則應該考慮樁身的彈性壓縮量；下段樁的極限加載值取位移為40mm相對應的荷載值，對于直徑大于或者等于800mm的樁，則可以用荷載箱來向下位移量為0.05D（D為樁端的直徑）相對應的荷載值；

5）如果依據本條的第1到第4款都不能確定時，則需要分別取向上和向下的兩個方向最大的試驗荷載值來作為上下段樁的極限加載值。

2.4 檢測數據計算及分析結果

D1＃：樁自重W≈650kN，樁長21.96m，樁徑1.2m，擴底直徑1.5m，荷載箱直徑1.0m，擴底面積1.77m2，荷 載 箱 面 積0.79m2。由 公 式 （2.22），（2.23）計算得：Qu上＝Qu下＝（Qu×A×γ ＋A×W）／（A ＋Ap×ψp×γ） ＝（18600KN×0.79×0.8＋0.79×650KN）／（0.79＋1.77×0.81×0.8） ＝6337KN，樁端荷載箱加載值為12674KN時樁端極限承載力滿足設計要求。

E1：樁自重W ≈650kN，樁長22.06m，樁徑1.2m，擴底直徑1.5m，荷載箱直徑1.0m，擴底面積1.77m2，荷 載 箱 面 積0.79m2。由 公 式 （2.22），（2.23）計算得：Qu上＝Qu下＝（Qu×A×γ ＋A×W）／（A ＋Ap×ψp×γ） ＝（18600KN×0.79×0.8＋0.79×650KN）／（0.79＋1.77×0.81×0.8） ＝6337KN，樁端荷載箱加載值為12674KN時樁端極限承載力滿足設計要求。

D1＃樁：加載至6337kN，基于此級的荷載影響下，樁端總沉降量大于40mm，曲線發生陡變形，曲線的尾部也發生急劇下降直線段。基于此得出結論Qu下為5703kN。依據公式來推算極限端的阻力：Qpu＝ψp×QU下× （AP／A） ＝0.81×5703×1.77／0.79＝10350KN，QU＝（QU上－W－WP）／γ ＋QPU＝（5703－650）／0.8＋10350＝16666kN，由此可以得出該樁的樁豎向抗壓極限的承載力測定值是16666kN；達不到設計需求。

E1＃樁：加載至6337kN，基于此級的荷載影響下，樁端總沉降量大于40mm，曲線呈陡變形，曲線的尾部也發生急劇下降直線段。基于此得出結論Qu下為5703kN。依據公式來推算極限端的阻力：Qpu＝ψp×QU下× （AP／A） ＝0.81×5703×1.77／0.79＝10350KN，QU＝（QU上－W－WP）／γ ＋QPU＝（5703－650）／0.8＋10350＝16666kN， 由此可以得出該樁的樁豎向抗壓極限的承載力測定值是16666kN；達不到設計需求。

3 試驗經驗總結及探討

參加統計的2根鉆孔樁基的單樁豎向抗壓極限承載力，取值16666kN為單樁豎向抗壓極限承載力統計值。

1）樁基的荷載－－－沉降（Q－－S）曲線，是單樁荷載傳遞特征的宏觀反映，主要可分為陡降型和緩變型。D1＃及E1＃試樁的每級荷載增量為633.7kN，當施加荷載至6337kN時，荷載箱下樁段的本級位移增量大于前一級位移增量的5倍，且荷載箱下樁段的位移總量超過40mm，而上段樁位移很小，就證明上部荷載及側阻力足夠，由此推斷樁端達到極限承載狀態。或者有人會質疑會不會是樁底有沉渣固結物？首先，下鋼筋籠前已經要求清底，并且查驗，即便是灌注混凝土時，底部離析，由于前幾級的加載過程中，樁底的沉渣有個壓密實的過程；但是數據顯示前9級的沉降很穩，所以就基本排除了樁底沉渣這個因素而后一級的加載過程中，樁端位移陡降突變。就證明持力層提供不了足夠的承載力。可見，樁底清渣效果很關鍵，如果清渣不完全很可能導致試驗失敗或者造成對試驗結果的誤判。

2）在測試試驗時，為了確保減少自然環境等外部原因而造成的影響，需要搭建防風的蓬架，保障測試試驗的各個設備，比如基準梁、基準樁、儀表及管線等在檢測試驗的時候不會受到自然環境變化的影響。

3）荷載箱位置確定及安裝很關鍵。估算時，優先保證下段不破壞。對于抗壓樁，荷載箱位于樁身中部某一平衡點位置，如果估算的上部側阻力，小于下部側阻力加端阻力，則試驗時可考慮樁頂增加配重。對于抗拔樁，荷載箱位于樁底截面時，如果估算的上部側阻力，大于下部樁端阻力，則可考慮增加荷載箱以下樁長。荷載箱位置樁主筋必須斷開。上、下主筋分別與荷載箱上、下鋼板焊接，同時設置加強的喇叭筋。澆筑混凝土時，一定要保護好油管、位移桿，一旦油管或位移桿損壞或者有泥漿、水泥漿進入，則試驗無法繼續進行。由于試驗相當于將千斤頂置于樁身內部，故試驗后，荷載箱位置樁身會開裂，故試驗結束后，應施工單位須利用位移桿進行注漿。

4 結語

自平衡法靠樁身自身提供試驗反力，避免了龐大的反力裝置；省去了堆載法的配重和錨樁法的試驗鋼梁；其試驗裝置簡單，安裝簡便，準備工作簡單；由于避免了反力裝置，配重和鋼梁的運輸、安裝費用，可以大量節儉；節省大量檢測時間，沒有配重進出場和安裝，檢測工期大大縮短；試驗現場占地面積小，交叉作業少，試驗現場干凈、整潔、安全。但是該法荷載箱位置較難確定合適；油管、位移桿損壞無法試驗；試驗加載量其實為傳統加載量一半，尤其在樁頂受力與實際不同，壓縮變形也不同。試驗過程樁身產生裂縫，后期無法檢驗注漿效果。計算公式及轉化曲線，均有經驗性和假定。荷載箱下部宜產生沉渣，豎向位移測試產生誤差。自平衡法測試過程中，從前期的查驗現場，安裝，預埋設備，每一個因素都影響著后期檢測結果，并影響著對結果的分析跟判定。