自平衡法与高应变法基桩承载力检测比对试验

王兆亮，吴秋霜，黄建平，刘守花

（1.淮安市建筑工程质量检测中心有限公司，江苏 淮安 223000；2.中大智能科技股份有限公司，湖南 长沙 410006；3.淮阴工学院建筑工程学院，江苏 淮安 223001）

0 引言

承载力检测是桩基工程中必须进行的检测项目之一，规范提供的检测方法有传统的堆载法或锚桩法，也有自平衡法与高应变法。传统静载试验是承载力检测的直接法，考虑检测稳定性、准确性和随机性，房建工程项目基本采用传统的静载试验方法进行桩基承载力检测。但是传统的静载试验，因成本高、工期长、场地要求严格和安全风险大等因素对某些项目不适用，而必须采用其他检测方法［1］。自平衡静载试验适用于传统静载试验条件受限时的竖向承载力检测，具有装置简单，试验省时、省力、安全、无污染、直接测得桩侧阻力与端阻力，综合费用低等优势，但也有试验土体的受力方向与工程不一致，试验随机性差和抗压摩阻力转换系数的取值等局限性［2］。高应变曲线拟合法相比传统静载试验而言是一种半直接法，是利用桩顶平面荷载的瞬时冲击产生的脉冲信号，使桩土之间发生相对移动，随着相对移动的延续，促使桩侧及桩端阻力顺序发挥作用，也有自身方法假定条件的局限性。

本文基于长沙市某房建项目 28# 栋住宅桩基工程由于场地条件的限制，不适用传统的静载试验方法，项目检测方案经专家论证后拟采用自平衡静载试验和高应变拟合曲线法进行现场承载力的检测。根据两种方法的试验原理分别进行现场试验检测，对比分析高应变法和自平衡静载试验的检测数据，明确两种检测方法的配合使用，可以有效地补充两种检测方法在房建工程检测中的局限性，从而达到准确评定桩基工程承载力的目的。

1 工程概况

长沙市某房建项目 28# 栋住宅，建筑高度 52.4 m，地上 17 层，地下 1 层，地基基础设计等级乙级，建筑物等级二级。28# 栋住宅基础形式为桩基础，旋挖机械成孔，桩身直径d=800 mm，设计图纸提供两种承载力检测值，工程桩数量为 92 根。根据检测方案要求，先进行 5 根基桩的自平衡静载试验，桩头处理满足要求后再进行基桩的高应变法试验。桩基及桩侧土层参数如表1、表2 所示。

表1 长沙市某房建项目 28# 栋桩基静载试验参数

表2 长沙市某房建项目桩侧土层及参数

2 试验原理

2.1 自平衡静载试验

自平衡静载试验是利用与钢筋笼连接并安置于桩身平衡点处的一种特制的荷载箱，通过预埋在桩身内的压力管传递试验压力，使荷载箱顶板和底板向上、向下移动，从而调动桩周土的摩阻力与端阻力，直至破坏。因此，将荷载箱上段的桩侧摩阻力与荷载箱下段的侧阻力和端阻力迭代计算可顺利获得试验桩的极限承载力。自平衡静载试验示意图如图1 所示。

图1 自平衡静载试验示意图

平衡点即是基桩上段桩桩身自重及极限桩侧摩阻力之和与下段桩极限桩侧摩阻力及极限桩端阻力之和基本相等的位置。自平衡法加载点平衡计算后一般置于桩身或桩底，故自平衡法桩身应力分布及桩侧土层应力分布与桩实际工作状态时不同，而且自平衡法静载试验为双向加载，桩身产生的应力是传统堆载法试验的一半［3］。

2.2 高应变法

高应变法为一种半直接法，是基于桩体位移仅在一个尺寸上进行，其余两个尺寸方向上的变形均为零，桩周土体均匀连续，桩身应力均匀连续分布等假定的试验方法［4］，是基于一定质量的重锤（不小于承载力特征值的 0.02 倍），使其从设定的高度自由下落，冲击桩顶并通过桩身传递荷载从而激发足够的土阻力。试验中通过预设于桩身或者重锤上的传感器记录桩顶部的速度和力时程曲线，再通过应力波一维杆件的波动理论对其进行分析并检测桩的承载力［5］。

高应变检测应力波的一维波动方程，如式（1）所示。

式中：u为应力波沿一维方向x处的位移量，m；c为应力波沿一维方向的传播速度，m/s；t为应力波沿一维方向的传播时间，s；x为一维方向的长度，m。

基于波动理论，高应变检测的应力波是由上行波、下行波叠加形成的，试验时桩身任一截面的F或V，均可根据一维波动方程的通解导出，如式（2）、（3）所示。

式中：A为基于波动理论的桩身均一截面的面积，m2；E为基于桩身材料和一维假定的弹性模量，N/m2；F为应力波传播过程中桩身任一截面处波叠加的质点力，N；V为应力波传播过程中桩身任一截面处波叠加的质点速度，m/s。

曲线拟合法即是基于变量F、V以及土参数，利用将变量V的曲线或变量F的曲线设置为目标曲线，并通过持续的合理调整土参数值，进而实现将F或V的计算和实测变量拟合至最佳状态，从而获得单桩极限承载力［6］。

3 试验数据

3.1 自平衡静载试验

1）试验利用静载荷测试仪自动采集记录桩身位移量，如表3 所示。由于篇幅限制，本文只列出 5 根基桩自平衡静载试验的Q-s曲线，如图3～图7 所示。

表3 长沙市某房建项目 28# 栋基桩自平衡静载试验位移统计表 mm

图3 长沙市某房建项目 28# 栋 6# 桩 Q-s 曲线

图4 长沙市某房建项目 28# 栋 7# 桩 Q-s 曲线

图5 长沙市某房建项目 28# 栋 52# 桩 Q-s 曲线

图6 长沙市某房建项目 28# 栋 74# 桩 Q-s 曲线

图7 长沙市某房建项目 28# 栋 92# 桩 Q-s 曲线

2）根据自平衡试验原理，计算得到荷载箱上段桩的极限摩阻力、荷载箱下段桩的极限承载力以及基桩的单桩竖向抗压极限承载力，如表4 所示。

表4 长沙市某房建项目 28# 栋基桩自平衡静载试验承载力统计表

3.2 高应变法

自平衡静载试验完成，桩头处理满足试验要求后，立即进行高应变法静载试验，试验整体锤锤重为 8 t，落锤高度设置为 1.0 m。试验检测数据统计如表5 所示。

表5 长沙市某房建项目 28# 栋基桩高应变静载试验结果统计表

4 结果分析

1）将本项目 5 根桩自平衡法试验的荷载－位移曲线按建筑基桩检测技术规范进行等效转换，从而获得传统静载试验的荷载-位移曲线，如图8、图9 所示。

图8 长沙市某房建项目 28# 栋 6#、7# 桩等效转换自平衡试验 Q-s 曲线

图9 长沙市某房建项目 28# 栋 52#、74#、92# 桩等效转换自平衡试验 Q-s 曲线

由规范可以确认上述曲线均为缓变形的Q-s曲线，桩的竖向抗压极限承载力取最大加载值［7］，与现场自平衡试验结果相符合。

2）对比两种方法的桩端阻力发挥情况，如图10 所示。可以发现自平衡静载试验的桩端阻力发挥程度要高于高应变法的桩端阻力发挥程度，这与两种方法的试验原理密切相关。理论计算的桩端极限承载力为 3 619.1 kN，自平衡静载试验时桩端承载力发挥比例最大的桩为 7# 桩，发挥比例为 91 %；高应变试验时桩端承载力发挥比例最大的桩同样为 7# 桩，发挥比例为 79 %。

图10 长沙市某房建项目 28# 栋自平衡与高应变法桩端阻力比对图

3）对比两种方法的桩侧摩阻力，如图11 所示。高应变试验数据总侧摩阻力比自平衡法静载试验数据略有偏大，这是因为自平衡静载试验时土体的实际受力方向与工程受力方向是不一致的，而高应变试验是与土体的实际受力方向一致出现的。不考虑负摩阻力的影响，对桩侧土体而言，桩身上拔时，会使桩侧土的侧摩阻力有所下降，而桩身受压时，则会产生桩侧摩阻力一定量的增长。上述结果与两种试验方法的原理相呼应。

图11 长沙市某房建项目 28# 栋自平衡与高应变法桩侧摩阻力比对图

4）由本文上述数据及分析后发现，自平衡静载试验和高应变试验获得的承载力均大于设计承载力要求，说明上述 5 根基桩承载力满足设计要求为合格桩。同时，5 根基桩均存在自平衡静载试验数据计算的单桩极限承载力，要略高于高应变曲线拟合法获得的极限承载力。本项目自平衡静载试验的极限承载力检测值比高应变法大 5 %～7 %，误差在规范允许的范围内，说明两种方法的检测数据均可用于判定该项目的基桩承载力。

5）高应变的整体沉降量比自平衡静载试验的沉降量略小，其原因一方面是自平衡静载试验时，桩底已经被部分压密；另一方面是高应变试验桩端阻力未充分发挥；另外，高应变试验是在自平衡静载试验结束后立即进行的，未满足充分休止时间的要求，也会对最终沉降量产生影响。

5 结语

本文对长沙市某房建项目进行基桩自平衡静载试验和高应变法试验检测。通过整理分析承载力检测数据并绘制相应的曲线图，判定两种方法获得的单桩竖向抗压承载力均满足设计要求，结合两种方法的原理，确认两种方法判定房建工程的承载力是适用的，而且实现了两种检测方法的互补，为房建项目静载试验方法的选择提供了一个新的思路。