孫偉明

（南昌大學(xué)建筑工程學(xué)院，江西 南昌330000）

1 前言

目前，隨著高層建筑和橋梁工程的日益增加，樁基礎(chǔ)的運(yùn)用也越來(lái)越廣泛，樁基礎(chǔ)工程相關(guān)的技術(shù)也越來(lái)越成熟。由于樁基礎(chǔ)一般占工程總造價(jià)的很大一部分，合理的確定樁基礎(chǔ)的承載力，使樁基礎(chǔ)在保證工程質(zhì)量的情況下最大限度的發(fā)揮其承載力，對(duì)節(jié)約樁基礎(chǔ)的造價(jià)成本有重要的意義。一直以來(lái)，我國(guó)對(duì)于樁基礎(chǔ)承載力的試驗(yàn)都停留在傳統(tǒng)的靜載試驗(yàn)方法上。而傳統(tǒng)的樁基荷載試驗(yàn)方法有兩種，一是堆載法，二是錨樁法。在堆載法中，反力架上的堆重與千斤頂?shù)姆戳ζ胶?，目前?guó)內(nèi)堆載法試樁的最大極限承載力僅達(dá)3000t，而在錨樁法是通過(guò)反力架將反力傳給錨樁千斤頂?shù)姆戳εc錨樁的抗拔力平衡，其試樁最大極限荷載承載力也不超過(guò)4000t。由于受荷載噸位、場(chǎng)地條件的限制，且費(fèi)用高，試驗(yàn)周期長(zhǎng)等缺點(diǎn)，靜載試驗(yàn)法一直是樁基礎(chǔ)工程領(lǐng)域里面臨的一大難題[1]。

隨著樁基工程中對(duì)大噸位以及特殊場(chǎng)地樁基工程的增多，急切需要一種能很好解決上述問(wèn)題的樁基測(cè)試方法，自平衡測(cè)試方法作為一種新型的測(cè)試技術(shù)的就能很好的解決上述問(wèn)題。

2 自平衡試驗(yàn)法的原理

1988年，美國(guó)學(xué)者Osterberg提出的利用試樁自身的反力平衡的原則，將荷載箱預(yù)埋于樁底用于測(cè)試不同樁基的端阻力和樁側(cè)摩阻力的方法稱為“O-cen法”，及所謂的“反向加載法”（我國(guó)稱之為自平衡法）。這種樁基的試驗(yàn)方法在國(guó)外已經(jīng)運(yùn)用了十多年了，測(cè)試樁的最大承載力達(dá)134MN[2]。20世紀(jì)90年代，我國(guó)東南大學(xué)的學(xué)者運(yùn)用這項(xiàng)技術(shù)，并將其發(fā)展成將荷載箱放置于樁身的某一平衡點(diǎn)，將荷載箱的高壓油管和位移棒引至地面，由高壓油泵向荷載箱沖油產(chǎn)生的載荷傳遞到樁身，使上端達(dá)到極限承載狀態(tài)是的負(fù)摩阻力與下端同時(shí)達(dá)到極限狀態(tài)時(shí)的正摩阻力以及端阻力相等，上下樁反力大小相等，方向相反，從而達(dá)到試樁自身反力平衡加載的目的，稱為“自平衡法”[3]。

我國(guó)東南大學(xué)土木工程學(xué)院與江蘇省建設(shè)廳、南京市建筑質(zhì)監(jiān)站于1996年開始實(shí)用性應(yīng)用，并于1999年制定了相應(yīng)規(guī)程[4]，并獲兩項(xiàng)國(guó)家專利。目前該法在江蘇省廣泛應(yīng)用，在河南、浙江、云南、安徽、上海、福建等省也已開始使用，并取得了良好的效果。其原理示意圖見下圖1：

3 自平衡試樁法的裝置

自平衡法靜載試驗(yàn)的主要裝置是一種經(jīng)過(guò)特殊設(shè)計(jì)加工可用于加載的荷載箱，它主要由活塞、頂蓋、底蓋和箱體四部分組成，箱體內(nèi)是已連接好的若干個(gè)大噸位的千斤頂。在頂、底蓋上布置位移棒，用于測(cè)試荷載箱的上下位變，從而得到兩條Q-S曲線，其最終的目的是得到傳統(tǒng)靜載方式下樁頂Q-S變化關(guān)系及單樁豎向極限承載力。

4 自平衡樁基試驗(yàn)法的優(yōu)點(diǎn)

與傳統(tǒng)的靜載試樁法相比，自平衡試樁法擁有以下優(yōu)越性：

4.1 裝置簡(jiǎn)單，占用場(chǎng)地少，無(wú)需加載重物，不需構(gòu)筑反力梁。

4.2 與傳統(tǒng)方法相比，可以節(jié)約大量成本，雖然荷載箱為一次性投入器件，需投入一定量的成本。

4.3 試驗(yàn)后試樁經(jīng)過(guò)處理后仍可作為工程樁使用。

4.4 能同時(shí)在樁基的不同深度試驗(yàn)或同一樁端深度的同時(shí)間在同一根樁上方便的進(jìn)行樁基測(cè)試實(shí)驗(yàn)。

4.5 試驗(yàn)可對(duì)加載時(shí)間進(jìn)行控制控制，可以得到實(shí)測(cè)的樁側(cè)和樁端阻力的蠕變行為的數(shù)據(jù)。

4.6 該方法對(duì)場(chǎng)地有很強(qiáng)的適應(yīng)性，當(dāng)設(shè)置傳統(tǒng)的荷載平臺(tái)或錨樁反力梁比較困難時(shí)，此方法就更能體現(xiàn)其優(yōu)勢(shì)

4.7 此試驗(yàn)方法還有操作輕便、靈活、技術(shù)先進(jìn)、加載簡(jiǎn)單且自動(dòng)化程度高受外界環(huán)境干擾因素影響小等優(yōu)點(diǎn)

4.8 對(duì)于承載力高的大直徑樁等工程中，能滿足工程的精度要求，并可確定樁基礎(chǔ)的極限承載能力

4.9 自平衡法還可用于樁土相互作用機(jī)理的深入研究。

5 自平衡測(cè)試方法的不足之處[5]

5.1 自平衡試樁法理論與實(shí)際工程上的差異：

首先在“自平衡法”中強(qiáng)調(diào)的是正負(fù)摩阻力的平衡問(wèn)題，但是在樁基工程中兩者的不同已是工程界公認(rèn)的事實(shí)，若簡(jiǎn)單的將之建立等式有失偏頗；其次自平衡靜載試樁法的剛性體假設(shè)是當(dāng)荷載箱以下的樁側(cè)阻力與樁端阻力之和達(dá)到極限時(shí)，荷載箱以上的樁側(cè)阻力也同時(shí)達(dá)到極限值時(shí)，才能比較準(zhǔn)確的測(cè)定全樁的極限承載力，在實(shí)際中，達(dá)到這一點(diǎn)是很難的；而且在小荷載水平時(shí)，樁土體系才近似為彈性體系，隨著荷載的增大，會(huì)表現(xiàn)為非線性的特征。這就指出了“自平衡法”彈性轉(zhuǎn)化公式的不合理性；邊界條件在樁土體系的承載力的分析中，起著至關(guān)重要的作用，所以在自平衡試樁法中不能簡(jiǎn)單把兩段試樁中承載力和位移等同一根完整樁的樁土體系的承載力與位移。

5.2 自平衡試樁法在實(shí)際工程中操作上的困難之處：

“自平衡法”中平衡點(diǎn)的預(yù)估計(jì)直接關(guān)系到荷載箱在樁身的安放位置，在實(shí)際操作中，一般是“按經(jīng)驗(yàn)”將荷載箱置于樁身某處，往往引起結(jié)算結(jié)果與實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果的差異，“自平衡法”的計(jì)算方法有簡(jiǎn)化方法和精確方法，對(duì)于不同的情況應(yīng)區(qū)別對(duì)待，這方面在實(shí)際操作中帶有隨意性。

6 自平衡法存在的問(wèn)題的解決辦法以及其發(fā)展前景展望

6.1 清華大學(xué)的李廣信教授等人對(duì)于正負(fù)摩阻力之間的關(guān)系做了相關(guān)的專門研究，在正負(fù)摩阻力之間建立了相應(yīng)的關(guān)系，但是正負(fù)摩阻力的準(zhǔn)確轉(zhuǎn)換這方面的理論還不是很完善也是自平衡試樁法有待解決的問(wèn)題。

6.2 對(duì)于剛性體假設(shè)可以采用精確轉(zhuǎn)換法解決，精確轉(zhuǎn)換法的一般原理都是利用荷載傳遞解析法，根絕自平衡試樁法實(shí)測(cè)的上段樁的樁側(cè)每層土的τ-S曲線、荷載箱處向下的Q-S曲線，在利用位移協(xié)調(diào)法推導(dǎo)出整根樁的樁頂Q-S曲線來(lái)，這個(gè)比起簡(jiǎn)化的轉(zhuǎn)化法可避免一定要當(dāng)樁的下段達(dá)到極限同時(shí)上段也必須達(dá)到極限。

6.3 對(duì)于轉(zhuǎn)化公式建立在彈性體的基礎(chǔ)上的問(wèn)題以及邊界條件的滿足問(wèn)題，目前仍需繼續(xù)做相關(guān)研究，來(lái)更好的解決這方面的問(wèn)題。

6.4 對(duì)于“平衡點(diǎn)”的選取問(wèn)題，有些學(xué)者提出了相似模擬試驗(yàn)法，相對(duì)于根據(jù)規(guī)范經(jīng)驗(yàn)值法和數(shù)值模擬分析法具有實(shí)用、準(zhǔn)確、可靠等優(yōu)點(diǎn)。因?yàn)橄嗨颇M試驗(yàn)法是基于莫爾-庫(kù)倫理論，模擬了工程實(shí)際情況，使得樁在該法確定的平衡點(diǎn)位置上加載試驗(yàn)時(shí)，上、下段樁都能基本發(fā)揮其極限承載能力。

7 結(jié)語(yǔ)

傳統(tǒng)靜載試樁法是工程界公認(rèn)的在測(cè)定單樁承載力時(shí)最直觀、最可靠的方法，但是由于加載麻煩等許多的缺陷越來(lái)越不能滿足目前工程上運(yùn)用的要求。而自平衡試樁法在加載方式、樁身的受力狀態(tài)、以及樁土體系間的相互作用機(jī)理的不同，它與傳統(tǒng)的靜載試驗(yàn)有很大的差別。但是大量結(jié)果表明運(yùn)用這兩種方法測(cè)得的樁頂曲線十分的接近。自平衡法作為一種新的樁基試驗(yàn)技術(shù)在實(shí)際工程的運(yùn)用中仍存在不少的問(wèn)題待解決，這需要這方面的研究學(xué)者繼續(xù)探索，為自平衡試樁法開辟更廣闊的天地。

由于自平衡試樁法在我國(guó)目前還不是很成熟，在運(yùn)用這種技術(shù)的測(cè)試單位之間需要更多的交流，將理論研究與實(shí)際情況結(jié)合起來(lái)，使自平衡試樁技術(shù)在我國(guó)更快更好的發(fā)展。

[1]楊勇.進(jìn)步橋基樁自平衡靜載試驗(yàn)方法分析[J].水利科學(xué)與工程技術(shù)，2008，（4）.

[2]龔維明，蔣永生，翟 晉.樁承載力自平衡測(cè)試法[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2000，22（5）：532-536.

[3]戴國(guó)亮，龔維明，梅國(guó)雄.基于-土-巖共同作用的自平衡法試裝分析方法[J].四川建筑科學(xué)研究，2002，28（2）：30-32.

[4]冷曦晨，佴磊，劉永平.自平衡法樁基承載力測(cè)試中一些問(wèn)題的探討[J].地震工程與工程振動(dòng)，2005，25（2）：160-164.

[5]徐風(fēng)云.樁承載力自平衡法的可靠性之疑云[J].公路，2004，（7）：12-19.