百米級樁基礎豎向承載力自平衡靜載試驗研究

曹學衛

（山西交控汾石高速公司有限公司，山西 汾陽 032200）

常規的堆載反力和錨樁反力加載法等樁基礎靜載試驗方法，對于小直徑短樁較為適合，但在超長樁基礎豎向承載力試驗時，常常受到場地空間、荷載大小、堆載條件，以及試驗成本等方面的限制而無法有效開展，自平衡靜載試驗正是在這一背景下應運而生的。通過提前埋設于樁內的加載裝置（荷載箱），由加壓泵向荷載箱加壓產生上、下方向的力，利用樁體自成反力測試樁基的承載力。這種方法操作簡單，試驗周期短，成本低，且可直接得到樁基反向側摩阻力，在樁基承載力測試中被廣泛使用。文獻[1]較早提出了樁基礎豎向承載力靜載試驗的自平衡法，介紹了該法的裝置、操作方法及適用樁型，并對若干問題進行了探討，為采用自平衡試驗方法進行樁基礎豎向承載力測試提供了依據。文獻[2]通過等效受壓樁和自平衡試樁上下樁段受力情況的對比分析，研究了負摩阻力對自平衡測試結果的影響，推導出樁承載力和位移的轉換公式，為采用多荷載箱進行超長樁基礎豎向承載力分段測試與結果判定奠定了基礎。文獻[3]通過樁基礎自平衡試驗方法，對港珠澳大橋中采用四翼刮刀鉆頭和球齒滾刀鉆頭等創新施工工藝樁基礎的豎向承載力進行了驗證，取得了良好的效果。文獻[4]通過對比分析自平衡法試樁與傳統錨樁法的荷載分擔比例、軸力分布形態和樁側阻力-位移曲線形態等試驗參數，表明自平衡法在驗證基樁承載力時可以替代傳統方法，其精度能夠滿足工程應用要求，為本文課題的開展提供了思路。文獻[5]通過自平衡靜載試驗法對深圳前海綜合交通樞紐T2基坑的6根抗拔樁基礎進行了試驗，試驗結果表明，自平衡法設備簡單，無需地面反力裝置，測試結果可靠。文獻[6]通過自平衡檢測法將每根樁的上段樁在同一土層處自平衡法測得的極限側摩阻力值與堆載法測得的極限側摩阻力值進行對比，得到了各層土自平衡轉換系數值，結果表明在黏性土中鉆孔灌注樁自平衡法與堆載法測得的上段樁極限摩阻力之比為0.7～0.8。文獻[7]對自平衡靜載試驗法在建筑樁基礎中的試驗條件、試驗參數取值、加載過程控制，以及試驗結果判定等進行了詳細規定，為樁基礎自平衡靜載試驗過程控制提供了參考。

文中結合某百米級超長樁基礎的豎向承載力試驗，詳細介紹了自平衡靜載試驗法的試驗原理、方案設計、試驗過程控制，以及試驗結果判定方法，可為今后類似工程的開展提供參考。

1 工程概況

本文擬試驗樁基礎的橋址處，大部分為第四系上更新統黃土覆蓋，部分溝谷底部出露中更新統粉質黏土，黃河谷地為第四系全新統沖洪積物所覆蓋。橋位地質勘察鉆孔深度150 m左右，100 m以下存在泥巖、砂巖，其余未見基巖。為了驗證地質勘察資料的準確性，為橋梁樁基礎設計提供依據，擬通過試驗來驗證樁基礎的實際承載力。

2 試驗分析

2.1 試驗原理

基樁承載力自平衡法，是通過在樁基體內部預先埋設一種特制的加載裝置——荷載箱，在混凝土澆筑之前和鋼筋籠一起埋入樁內相應的位置，當樁身混凝土澆筑并養生完成后，由加壓泵在地面通過預先埋設的管路，對荷載箱進行加載，使得荷載箱產生上、下大小相等、方向相反的一對相互支撐反力，并傳遞到樁身。由于上下樁體相互提供支撐反力，將得到相當于兩個靜載試驗的數據：荷載箱以上部分，獲得反向加載時上部樁體的相應反應參數；荷載箱以下部分，獲得正向加載時下部樁體的相應反應參數。通過對加載力與位移之間關系的計算和分析，可以獲得樁基的承載力，為設計提供依據。對于超長樁基，一般采用預埋兩個荷載箱的方法進行加載，如圖1所示。

圖1 自平衡加載試驗原理

2.2 試驗方案設計

為了方便與實際地質勘察資料進行對比分析，考慮到試驗樣本的可比性和施工方便性，該次樁基試驗位置選擇在河灘有代表性的鉆孔位置不超5 m范圍內，開展3個樁基自平衡靜載試驗（詳見圖2所示）。試驗樁幾何尺寸、材料、配筋，以及施工工藝均盡可能與設計保持一致，即設計樁長取100 m，計算預估臨界豎向承載力為60 000 kN。經過對地質勘察資料計算分析，考慮到樁底承載力的不確定性，該次試驗采用雙荷載箱設計方案，其中下荷載箱距離樁底14 m，上荷載箱距離樁底34 m，樁身分為A、B、C三段；其中承載力分布：A＞B；A+B＞C；B+C＞A（詳見圖 3所示，其中A=34 m、B=20 m、C=14 m分別代表上段、中段和下段樁身，樁頂段空樁約27 m，黑色部位代表荷載箱，上荷載箱用Ⅰ表示，下荷載箱用Ⅱ表示）。試驗所使用的原材料均提前在具有相關資質的試驗機構進行檢驗，試驗用傳感器均在有關計量機構進行標定。

圖2 鉆孔位置

圖3 荷載箱位置

2.3 試驗方法與加載控制

為了準確測試試驗樁基礎的實際豎向承載力，該次試驗過程中，成樁滿足土體休止期后先加載下荷載箱Ⅱ，測出C段承載力；然后對下荷載箱Ⅱ逐級卸載后，再加載上荷載箱Ⅰ，測出B段承載力；最后將下荷載箱Ⅱ保壓，使B段和C段合成一體給A段提供反力，然后繼續加載上荷載箱Ⅰ，得到A段承載力。試驗過程依據《建筑基樁自平衡靜載試驗技術規程》（JGJ/T403—2017）進行分級加載（詳見圖4所示）。

圖4 試驗現場

3 試驗結果分析

3.1 荷載箱試驗結果分析

經過加載試驗，該次樁基礎上、下荷載箱的試驗反力——樁基礎位移測試結果如圖5、圖6所示。

圖5 下荷載箱荷載-位移試驗結果

圖6 上荷載箱荷載-位移試驗結果

從圖5下荷載試驗加載過程結果可以發現：該試樁在加載到第11級荷載24 000 kN時，上位移平均累計為3.07 mm，下位移平均累計為-23.42 mm，上下位移Q-S曲線整體呈緩變型。由于已達荷載箱最大加載能力，決定終止加載，并開始卸載。取該級荷載即第11級荷載24 000 kN為C段極限加載取值。

從圖6上荷載試驗加載過程結果可以發現：該試樁在加載到第7級荷載20 000 kN時，該級下位移走動較明顯，此時上位移平均累計為3.38 mm，下位移平均累計為-10.81 mm。繼續加載至第10級荷載27 500 kN時，下位移走動趨勢明顯放緩，此時上位移平均累計為4.92 mm，下位移平均累計為-19.1 mm，壓力維持穩定。由于已達荷載箱最大加載能力，決定終止加載，并開始卸載。從下位移的Q-S曲線判定在加載到第7級荷載時下位移明顯增大，繼續加載下位移明顯收斂，判定在第7級開始后B、C段已經連接成一整體受力，所以取第7級荷載20 000 kN為B段極限加載取值，取第10級荷載27 500 kN為A段極限加載取值。

3.2 樁基礎最大豎向承載力判定

根據《建筑基樁自平衡靜載試驗技術規程》（JGJ/T 403—2017），該試驗樁極限承載力按式（1）計算：

式中：Pui為試樁i的單樁極限承載力，kN；Quui為試樁i上段樁的加載極限值，kN；Qmui為試樁i中段樁的加載極限值，kN；Qlui為試樁i下段樁的加載極限值，kN；Wi為試樁i荷載箱上部自重，kN；γi為試樁i的修正系數，根據荷載箱上部土的類型確定：黏性土、粉土γi可取 0.8，沙土 γi可取 0.7，巖石 γi可取 1.0，若上部有不同類型的土層，γi取加權平均值。

由式（1）計算結果可知，該橋樁基礎試驗臨界豎向承載力為75 027.15 kN，大于設計預估臨界豎向承載力60 000 kN約25%.試驗樁基礎的單樁豎向抗壓承載力特征值應按單樁豎向抗壓極限承載力的50%，為37 513.6 kN，可對該橋樁基礎優化樁長約25%左右。

4 結語

本文通過自平衡靜載試驗，對某百米級超長樁基礎的豎向承載力進行了詳細分析，可以得出以下結論：

a）自平衡試驗對于驗證超長樁基礎的豎向荷載力具有較高的可靠性，現場無需龐大的堆載設備，可適用于各類樁基礎承載力的判定。

b）該項目試驗樁實測極限承載力約為預估承載力的1.22倍，表明持力土層承載條件較好，能夠滿足設計承載力要求，為下一步進行樁基礎優化提供了依據。

c）可參考鉆孔處試樁試驗結果適當優化該橋位處地質勘查報告中各持力土層的側摩阻力取值。