自平衡樁基靜載試驗在工程中的應用

□ 杜 靜

樁基礎是一種最為常見的基礎形式，在高層建筑、公路、橋梁、水利及港口工程中應用極其廣泛。樁基礎屬于地下隱蔽工程，尤其是灌注樁，很容易出現夾泥、縮頸、斷樁或樁底沉渣過厚等問題，這些質量缺陷嚴重影響樁身的結構完整性和承載力，因此必須對基樁進行質量檢測[1]，以減少隱患，這也是保障地下結構安全穩定的有效措施，對保證工程質量至關重要。傳統的基樁荷載試驗方法有堆載法和錨樁法，前者需要大量的堆載，后者需要設置錨樁及反力大梁，不僅耗時長、費用高，存在一定的危險性，而且對試驗場地要求高。甚至受到荷載噸位、交通運輸、場地條件等限制，許多樁基檢測試驗無法正常開展。

20世紀80年代，美國學者Osterberg提出了自平衡法，將荷載箱預埋在樁底，通過試樁自身的反力平衡，測試樁基的端阻力和樁側摩阻力[2]。20世紀90年代，清華大學教授李廣信首次將自平衡法引進國內[3]，隨后，龔維明團隊在國內開始自平衡法的實用性研究和應用，并制定了相應規程進行推廣[4]。目前，自平衡法已在全國20多個省市的多個工程中應用。

1 自平衡樁基靜載試驗原理

自平衡樁基靜載試驗是將一種特殊設計的加載設備—荷載箱，與鋼筋籠焊接在一起，埋入樁的指定位置，澆筑混凝土成樁，待混凝土強度達到設計強度后，由高壓油泵向荷載箱充油施壓，利用樁身自重、樁側阻力及樁端阻力相互提供反力的試驗方法[5-7]，試驗裝置原理如圖1所示。與傳統的堆載法和錨樁法相比，自平衡法樁基靜載試驗具有以下優點：

圖1 自平衡法檢測示意圖

第一，試驗裝置簡單，運輸方便，試驗占地面積較小，無須堆載和大型反力架，安全省事。第二，節省時間，當土體穩定或壓漿達到設計強度即可測試，幾根樁可同時測試，大大節省了試驗時間。第三，試驗后測試樁可作為工程樁使用。第四，試驗費用低，相比傳統方法可節省30%～60%成本。第五，應用范圍廣，可應用到水上試樁、坡地試樁、狹窄場地試樁、斜樁、嵌巖樁等復雜工況[8-9]。

除此之外，由于沿試樁樁身安裝了應力（變）計和位移測點，自平衡法靜載試驗還可得到樁側各土層的分層摩阻力和端阻力，不僅可以用于工程樁承載力檢測，也可為樁基優化和設計提供依據。因此，自平衡法在樁基承載力測試中得到廣泛應用[10-12]，工程技術人員對其也進行了大量的研究。自平衡法因提供反力的方式與傳統靜載試驗不同，故而荷載傳遞規律與樁側摩阻力發揮不同于傳統靜載試樁，技術人員對此開展大量對比試驗，蔡雨等開發自平衡室內模型試驗裝置，實行上、下段樁加載分離，避免因加載點位置設置不當，導致某段樁無法測得極限承載力的問題[13]。陳雪峰對7個自平衡試樁項目30根自平衡試樁的平衡點位置進行統計分析，明確平衡點設置在樁身長度的1/5～1/3處（距樁端），能夠提高自平衡試樁的成功率[14]。徐長節等在試驗中發現自平衡法試樁的上部樁與靜載法試樁的樁身受力特性差別較大[15]，前者樁側摩阻力由下及上發揮，后者樁側摩阻力由上及下發揮。自平衡法試樁經轉換后的Q～s曲線較平滑，加載值兩種方法的Q～s曲線有一定差異，隨著加載值的增大，兩者的曲線趨于一致。

本文結合實際工程對自平衡樁基靜載試驗的工程應用進行探討，說明自平衡樁基靜載試驗的試驗原理和試驗過程，并結合具體的檢測試驗結果，對試驗樁的承載力進行評價，希望對自平衡樁基靜載試驗在實際工程應用中提供一定的參考[11]。

2 工程應用

2.1 工程概況

本工程位于南寧市，場地較平整，根據勘察單位提供的資料，土層自上而下分為素填土、細砂、強風化巖層和中風化巖層。

（1）素填土：黃褐色、灰褐色，結構松散，稍濕，主要由粉質黏土組成，表層含植物根系，揭示層厚2.10m～13.50m，層底高程79.03m～87.88m，屬高壓縮性土。

（2）細砂：灰色、黃色，濕～稍濕，松散狀，礦物成分為長石、云母、石英等，揭示層厚1.80m～10.80m，層底高程76.92m～81.96m，取擾動土試樣6組做顆粒篩分，粒徑大于0.075mm的顆粒質量平均占比為91.24%。

（3）強風化巖層（E3b）：青灰色、灰褐色，泥質結構，巖體較完整，呈硬塑土狀，層厚1m～10.80m，層底高程48.50m～84.48m。屬極軟巖，巖體完整程度為較破碎，巖體基本質量等級分類為Ⅴ級。

（4）中風化砂質泥巖：紅褐色、青灰色，泥砂質結構，巖體較完整，未鉆穿該層。屬極軟巖，巖體完整程度為較完整，巖體基本質量等級分類為Ⅴ級。

2.2 試樁概況

按照《建筑樁基檢測技術規范》（JGJ 106—2014）[16]第3.3.4條，《建筑基樁自平衡靜載試驗技術規程》（GJ/T 403—2017）[5]第3.1.1條，受檢基樁數量不應小于同一條件下基樁分項工程總樁數的1%，且不應小于3根，故本工程隨機抽取6根工程樁進行承載力檢測，樁號命名為SZ1～SZ6。根據《巖土工程勘察報告》中提供的各土層側摩阻力，計算出單樁豎向極限承載力，并結合超前鉆成果，確定SZ1、SZ3、SZ4三根試樁不做后注漿處理，以入持力層中風化砂質泥巖10m控制試樁樁長，SZ2、SZ5、SZ6三根試樁進行后注漿處理，并按此三根樁的側阻力的1.3倍計算出的單樁極限承載力大于等于13000kN控制樁長。按《建筑樁基技術規范》（JGJ 94—2008）第5.3.6條計算單樁豎向極限承載力標準值，并計算出各樁極限承載力及荷載箱安裝位置，試樁信息如表1所示。

表1 試樁信息表

2.3 試驗過程

試驗按《建筑基樁檢測技術規范》 和《建筑基樁自平衡靜載試驗技術規程》進行，采用慢速維持荷載法逐級加載。每級加載值為預估試驗最大加載值的1/20，第一級按兩倍荷載加載，每級荷載達到穩定后進行下一級加載，直至試樁破壞或達到試驗要求，然后分級卸載[6]。SZ1～SZ6的Q～s曲線分別如圖2—圖7所示。以不注漿的SZ1和注漿的SZ5為例進行說明，SZ1和SZ5樁預估試驗最大加載值分別為14800×2kN和13000×2kN，分20級進行加載，SZ1加載至13320×2kN時，上段位移增量為6.16mm，下段沉降量為18.11mm，比前一級荷載作用下位移分別增加9倍和35.5倍；SZ5加載至9750×2級荷載，較前一級荷載作用下位移分別增加1.1倍和11.6倍，根據《建筑基樁自平衡靜載試驗技術規程》JGJ/T 403—2017[2]第4.3.4條：“某級荷載作用下，荷載箱上段或下段位移增量大于前一級荷載作用下位移增量的5倍，且位移總量超過40mm”，終止加載。

圖2 SZ1試樁Q～s曲線圖

圖3 SZ2試樁Q～s曲線圖

圖4 SZ3試樁Q～s曲線圖

圖5 SZ4試樁Q～s曲線圖

圖6 SZ5試樁Q～s曲線圖

圖7 SZ6試樁Q～s曲線圖

2.4 結果分析

通過試樁Q～s曲線發現，SZ1、SZ3～SZ6試樁的荷載—位移變化曲線均為陡變型曲線，根據《建筑基樁自平衡靜載試驗技術規程》，對于陡變型曲線，確定極限加載值時，取曲線發生明顯陡變的起始點對應的荷載值[2]。因此SZ1、SZ3～SZ6試樁的極限加載值分別為：12580kN、12160kN、12040kN、9100kN和9100kN。SZ2試樁本次試驗曲線屬于緩變型曲線，按照《建筑基樁自平衡靜載試驗技術規程》，緩變型曲線極限加載值可由位移量確定[2]，因此，SZ5試樁的極限加載值為9100kN。

2.5 數據處理及評價

根據各試樁的極限加載值，可按下式確定試樁的單樁豎向抗壓極限承載力[2]：

式中：Qu為單樁豎向承載力極限值，kN；Quu為上段樁的極限加載值，kN；Qud為下段樁的極限加載值，kN；W為荷載箱上段樁自重與附加重量之和，kN；γ1受檢樁的抗壓摩阻力轉換系數[2]。

通過計算可得到每根樁的單樁極限承載力，見表2，實測極限承載力較地勘測算的極限承載力均有增大，3根后注漿的試樁極限承載力增大明顯，均增加1.7倍以上。

表2 自平衡法靜載試驗承載力極限值

3 結語

（1）自平衡法省時省力，安裝簡單、不受場地限制，無須配重，可進一步推廣應用。

（2）在計算單樁豎向承載力極限值的公式中，抗壓摩阻力轉換系數只是通過工程實踐經驗獲得，缺乏理論計算，有待進一步探索。

（3）在測試中，6根試樁的Q～s曲線上、下段樁的位移變化有所不同，上段樁曲線變化平緩，位移較小，沒有出現突變；而下段樁位移較大，曲線出現突變，這說明測試中上、下段樁沒有同時達到極限承載力，荷載箱的安裝位置并不是樁的平衡點位置。

（4）后注漿試樁的承載力極限值較由地勘測算的極限值增大1.7倍以上，樁基施工工藝可采用后注漿處理方式，為保證注漿質量，主要可采用樁端樁側復式注漿，并注意漿液水灰比及注漿流量，注漿順序為先樁側后樁端。