自平衡基樁承載力檢測技術淺議

許強強 甘肅省建筑科學研究院（集團）有限公司工程師

1 自平衡基樁承載力檢測技術背景

近年來，我國基礎設施建設突飛猛進，實際工程中地質概況復雜多變，樁基礎由于應用范圍廣、承載力高、沉降小、抗震性能好而得到了廣泛應用。樁基承載力關乎工程質量和安全，因而以合理方法取得其承載力情況意義重大。傳統檢測方法有靜荷載試驗、低應變動力測試、高應變動力測試及靜—動試樁法，這些方法雖大量應用于實際工程并取得一定成果，但都存在一定的缺陷[1]。多年工程實踐表明，動力檢測方法精度較低，參考時需借助一定的工程經驗；靜載試驗雖然可以獲得較準確的結果，但其對場地要求高，且耗時耗力。對于直徑大于1 m、承載力極高的工程樁進行靜載試驗檢測，使用了一種新的檢測方法，即自平衡檢測技術。基樁承載力自平衡檢測法對環境要求低、對場地適應性強，試驗最大加載量可根據設計試驗樁的要求進行專門設計，加載量不受限制。該技術在國內的發展應用已有十余年的時間，是住房和城鄉建設部、科學技術部2002 年重點推廣項目[2]。

2 自平衡基樁承載力檢測技術的適用范圍及特點

自平衡基樁承載力檢測適用于新建、改建、擴建工程的大直徑（直徑大于800 mm）混凝土灌注樁的豎向承載力檢測，尤其適用于海洋湖泊中的試樁、傾角較大的陡坡上的試樁、開挖深度大的基坑底試樁、狹窄場地試樁、超高承載力試樁等。

基樁自平衡檢測法為我國很多重、特大項目的安全實施起到了保駕護航的作用，具有以下優點[3]。

（1）試驗裝置簡單，便于操作，節省堆載材料及設備，可靠性高；

（2）節省場地和實驗空間；

（3）節省試驗費用，與靜載試驗相比可節省30%～60%的費用；

（4）測試樁可作為工程樁使用；

（5）適用性強，可應用于各種傳統方法難以進行的樁基測試。

基樁承載力自平衡檢測法與堆載法、錨樁法靜載試驗檢測樁基承載力的優點進行對比，如表1 所示。

表1 三種樁基承載力檢測方法對比結果

3 基樁自平衡法檢測技術原理

自平衡檢測系統包括加載裝置、位移傳感器及應力測量裝置，如圖1 所示。其主要裝置是一種特制的自平衡荷載箱，如圖2 所示，需根據樁設計參數由具有生產資質的商家提前生產。試驗樁成孔后，在澆筑混凝土前，把加壓管、位移桿與荷載箱連接，并將其固定于鋼筋籠，一并埋設于樁孔中后澆筑混凝土。荷載箱的位置為平衡點，根據地質土層參數計算確定。在地面用油泵對荷載箱加壓，荷載箱產生上下兩個力，上段樁發生向上的位移，下段樁發生向下的位移。通過對采集的實驗數據進行計算和分析，即可測得樁基承載力。

圖1 自平衡試樁技術示意圖

圖2 三種常用荷載箱

試驗時，通過荷載箱對上、下段樁身施加荷載，從而迫使上段樁身上抬，使上段樁樁側摩阻力徐徐發揮，同時迫使下段樁下沉，使下段樁樁側阻力及樁端阻力徐徐發揮。此時，上下樁段的反力大小相等、方向相反，從而達到試樁自身反力平衡加載的目的。如此，隨著荷載箱壓力的不斷增加，直至達到樁承載力極限狀態，試驗終止。

在此過程中，可由均壓力表測得的壓力及位移傳感器測得的位移繪制自平衡曲線，如圖3（a）所示，然后根據轉換之后的Q—s 曲線，如圖3（b）所示，得到最終基樁承載力[4]。

圖3 測試結果轉換示意圖

4 自平衡檢測結果的影響因素及注意事項

4.1 影響因素

自平衡試驗檢測結果表明，采用泥漿護壁的成孔灌注樁，由于“泥皮”效應的存在，對樁長大于25 m 的樁基承載力檢測結果影響極其顯著。

在自平衡靜載試驗檢測時[3]，荷載箱體位置的確定需要綜合考慮樁長、樁周的土層側摩阻力和樁端阻力的影響。一般樁側摩阻力降低15%～35%，極限承載力則降低18%～24%。

以卵石、礫石和砂層為主土層，沖擊成孔工藝對土層松動影響明顯。自平衡測試需要考慮樁側土體的應力松弛現象。

對于人工挖孔灌注樁，由于人工挖孔樁側相對粗糙，盡管有應力松弛現象，但整體樁側摩阻力良好，需要結合人工挖孔樁的成孔質量選擇土體參數估算平衡點位置，以提高自平衡測試效果。

4.2 需注意的問題

4.2.1 平衡點問題

荷載箱埋設位置即為平衡點。平衡點的準確性直接影響試驗的結果和準確性。平衡點的計算主要依據巖土工程勘察報告和相關規范，根據上段樁的自重加極限側摩阻力等于下段樁的自重加極限側摩阻力和極限端阻力確定。目前，由于勘察水平和規范取值的影響，平衡點的計算誤差一般較大，并不能十分準確地確定平衡點。

4.2.2 荷載箱處斷樁問題

自平衡靜載試驗檢測時，對于摩擦型工程樁，由于荷載箱的埋設及混凝土材料本身為脆性材料，致使該檢測樁一定為斷樁[4]，若不進行后注漿，會對工程樁的豎向和水平承載力及完整性產生不利影響。

4.2.3 組合荷載箱故障問題

在試驗檢測中，對于超大噸位工程樁承載力檢測，必須使用組合荷載箱，若在施工工程中組合荷載箱出現故障，必然導致該工程樁的自平衡試驗失敗[5]。

4.2.4 荷載箱在前提試驗樁施工過程中的安裝問題

在實際試驗樁承載力檢測過程中，荷載箱必須和鋼筋籠焊接組裝完成后安裝加壓油管和位移絲，最終荷載箱和鋼筋籠成為一個整體，待試驗樁成孔后一起吊入樁孔，然后進行樁身混凝土的澆筑。由于荷載箱的存在，使其下部的樁身澆筑空間變小，導致大量的沉渣和浮漿滯留樁底，對樁身質量和承載力有較大的影響。試驗過程中，初期下段樁沉降較大，不能真實地反映樁端地層承載力，因此對于組合型荷載箱裝置的整體設計提出了很高的要求。

4.2.5 自平衡測試系統的穩定性問題

由于荷載箱需要埋設于地下，導致其在試驗過程中面臨各種各樣復雜的測試環境，對此需保證其測試系統的穩定性，使試驗檢測能真實地反映試驗樁在相應場地的承載力，這就需要荷載箱整套設備具有很好的穩定性。首先，必須保證荷載箱是經過廠家自檢合格，并且經有資質的計量單位標定合格，同時出具標定證書。其次，必須保證油管、位移絲等在施工過程中和試驗過程中不被破壞，傳感器在測試過程中不出現故障等。最后，在試驗現場要有穩定的電壓，且數據采集要在防風棚內進行，防止周圍的大型機械振動等。

5 結語

基樁自平衡試驗技術還存在許多尚待解決的問題，但是其檢測設備簡單，對場地的使用面積較小。而傳統檢測方法如堆載法，需要幾百噸甚至幾千噸堆載配重，錨樁法需要架設鋼梁的反力架。而基樁自平衡試驗技術可同時進行多根樁的試驗檢測工作，且加載量不受限制，這使得自平衡試驗對場地平整性要求較低，在一些超長樁、大噸位樁基靜載試驗中具有無可比擬的優勢，是一種行之有效的方法，值得推廣應用。