聶樹昱

(昆明市建設(shè)工程質(zhì)量安全監(jiān)督管理總站，云南 昆明 650000)

自平衡法靜載試驗是一種適用于多種地質(zhì)條件下的鉆孔灌注樁、人工挖孔樁、管樁的樁基單樁豎向抗壓能力試驗方法，該種試驗方法具有經(jīng)濟(jì)安全等諸多優(yōu)質(zhì)特點，因此在各種類型的建設(shè)項目中得到普遍應(yīng)用，隨著各種建設(shè)項目工程規(guī)模的不斷增大，樁基工程施工質(zhì)量的重要性越來越突出，這就要求相關(guān)人員合理分析自平衡測試方法的原理和特點以及具體試驗過程中的加卸載步驟與數(shù)據(jù)分析，以便為自平衡法靜載在樁基檢測中的合理應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

1 自平衡測試技術(shù)

1.1 核心原理

自平衡測試及核心原理是通過試樁其自身所攜帶的反應(yīng)平衡特性，通過在試樁端頭附近設(shè)置相應(yīng)的載荷箱來實現(xiàn)不同區(qū)域所產(chǎn)生的相反方向的載荷數(shù)據(jù)。在進(jìn)行該測試的過程中可以通過來自載荷相對上端樁身所產(chǎn)生的抬高作用使得裝測摩阻力逐漸升高至極限狀態(tài)，同時載荷箱還能夠在相反的方向?qū)ο聵懂a(chǎn)生的下沉作用力所導(dǎo)致的裝側(cè)阻力和樁端阻力逐漸達(dá)到極限狀態(tài)。具體的試驗過程中通過利用高壓油泵所產(chǎn)生的油壓進(jìn)行載荷增加流程，使得載荷箱能夠產(chǎn)生上下兩種不同的變位效應(yīng)，這種效應(yīng)所產(chǎn)生的上下兩種推力實現(xiàn)了樁周土層的側(cè)阻力和樁端的樁阻力逐漸產(chǎn)生應(yīng)力，當(dāng)這種應(yīng)力逐漸增加的過程中，試樁所承受的外力逐漸達(dá)到極致最終遭到破壞，通過在這個過程中所產(chǎn)生的側(cè)阻力以及側(cè)摩阻力，樁端的端阻力進(jìn)行有效的計算，便能夠獲得最終的樁有效承載極限數(shù)值。

為了能夠?qū)崿F(xiàn)樁體極限承載數(shù)值的精確性需，要通過數(shù)值換算的方法來進(jìn)行轉(zhuǎn)換，該方法獲得的最終數(shù)值能夠有效的幫助工程獲得較好的效果以及要求。

自平衡試驗過程需要利用液壓千斤頂，這種千斤頂經(jīng)過特殊結(jié)構(gòu)的改造也就是本文前段提到的載荷箱，這種載荷箱在使用的過程中通常具備一次性使用特點，也有某些載荷箱在經(jīng)過特殊改造后能夠?qū)崿F(xiàn)多次利用。這種重復(fù)利用的載荷箱通常應(yīng)用在預(yù)制樁中。在完成載荷箱的平衡點設(shè)置之后，便可以將載荷箱進(jìn)行放置。利用高壓油泵對載荷箱施加外力，載荷箱便能夠產(chǎn)生上下兩種不同方向的應(yīng)力，這種應(yīng)力向上產(chǎn)生了一種推力，向下產(chǎn)生了壓力。樁體和土體出現(xiàn)了不同方向的阻力，直到該阻力值達(dá)到極限最終遭到破壞。載荷箱其本身是一種較為簡單的設(shè)備類型，針對工程中的測試流程應(yīng)用較為簡單，能夠有效的對不同的樁體進(jìn)行測試。測試設(shè)備如圖1。

圖1 測試設(shè)備現(xiàn)場作業(yè)圖

自平衡試驗對樁體產(chǎn)生的測試流程能夠生成針對不同樁體的測試數(shù)據(jù)，完成數(shù)據(jù)測試后獲得的數(shù)據(jù)便可以進(jìn)行分析和處理，最終獲得與上段樁和下段樁的不同數(shù)據(jù)，利用這些數(shù)據(jù)生成的曲線能夠有效地對樁體所能夠承受的摩阻力，承載力，抗拔力，極限承載力，塑性變形等多種不同角度的數(shù)據(jù)給出測試結(jié)果。

2 自平衡法與測試機(jī)制的區(qū)別

2.1 樁周土應(yīng)力狀態(tài)變化

地質(zhì)土層所具備的泊松效應(yīng)能夠有效導(dǎo)致抗拔樁在受力時樁身發(fā)生變細(xì)的情況，同時樁周圍的土層變得松弛，導(dǎo)致樁側(cè)摩阻力出現(xiàn)降低的情況，此時樁體受到頂部產(chǎn)生的外力使得樁身逐漸變粗，周圍土體則受到這種變化的影響導(dǎo)致密實度增加，從而使得樁側(cè)摩阻力也得到相應(yīng)的增長。自平衡測試法的核心原理是上段樁受到上拔力，下段受到壓力，因此在具體的應(yīng)用過程中，會導(dǎo)致土體松弛以及側(cè)摩阻力的相應(yīng)降低。受到樁體運(yùn)動方向的差異影響，樁周邊的土層也會產(chǎn)生相應(yīng)的變化。

2.2 影響樁身側(cè)摩阻力的原因

以往進(jìn)行單樁豎向抗壓靜載試驗時，樁身受到的外力主要來自頂部，這種來自頂部的外力會使得樁身向下移動，移動的過程中還會帶動周邊的土體出現(xiàn)明顯的下沉現(xiàn)象，這種下沉現(xiàn)象使得土體出現(xiàn)了密實度增加的變化。當(dāng)樁周土體密實度逐漸增加，其側(cè)摩阻力也會逐漸增加，使得摩阻力得到了有效增強(qiáng)。而采用自平衡方法獲得的平衡點上方的樁體與傳統(tǒng)的單樁豎向產(chǎn)生的結(jié)果剛好相反，這說明了其總體摩阻力出現(xiàn)了降低的趨勢。除此之外，傳統(tǒng)單樁豎向?qū)崿F(xiàn)過程中，樁頂受到來自向上的拔力使得樁周邊土體出現(xiàn)縱向向上的位移，當(dāng)土體逐漸上行，使得土體呈現(xiàn)出向上隆起的姿態(tài)，隨著這種姿態(tài)的逐漸變化出現(xiàn)了明顯的膨脹現(xiàn)象。然而在自平衡測試過程，當(dāng)土體和樁身同時出現(xiàn)位移時，平衡點位置的上下樁周邊土體會呈現(xiàn)出逐漸松散的趨勢，這使得平衡點周邊的摩阻力出現(xiàn)了降低的趨勢，隨著載荷的不斷加強(qiáng)，這種摩阻力的變化趨勢更加明顯了。

2.3 樁端的不同破壞形式

傳統(tǒng)載荷測試所使用的單樁豎向載荷試驗中，樁頂?shù)妮d荷力呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢，早期載荷力較小的狀態(tài)下，樁身所受到的外部影響使得樁身受到了來自上方的壓力，此時試驗樁主要受到來自外力所產(chǎn)生的壓縮作用出現(xiàn)了明顯的變形，隨著來自上部的載荷水平逐漸升高，樁周圍土體的側(cè)摩阻力逐漸增強(qiáng)，樁周邊的土層受到的主要外力影響來自剪應(yīng)力，這種應(yīng)力在傳遞的過程中會隨著樁的垂直方向逐漸降低。如果此時繼續(xù)增加外部載荷，則樁身會產(chǎn)生進(jìn)一步的位移，隨著這種位移的進(jìn)一步增加，樁身所承受的側(cè)摩阻力逐漸升高，直至這種摩阻力達(dá)到了極限。此時樁端承受了全部載荷，這種載荷的不斷增強(qiáng)使得樁端的持力層受到了明顯的壓縮作用，最終導(dǎo)致了塑性變形的發(fā)生。此時樁體的位移也逐漸增強(qiáng)。因為樁受到的位移逐漸增加，最終超過了固定標(biāo)準(zhǔn)，此時位移超出了工程應(yīng)有的水平，最終到達(dá)某值后，直至完成靜載試驗流程。

3 自平衡法靜載試驗流程

自平衡法靜載原理：采用自平衡閥進(jìn)行靜載試驗的核心設(shè)備為荷載箱，通過將其與鋼筋籠進(jìn)行有效連線，同時將高壓油管與載荷箱進(jìn)行連接，并將位移棒與地面進(jìn)行連接，載荷箱由千斤頂進(jìn)行并聯(lián)形成有效的載荷系統(tǒng)，載荷箱能夠同時保證樁身兩端收到均勻平等的受力水平。其中所包含的千斤頂與上下鋼板進(jìn)行有效連接。同時使用高壓油泵來為千斤頂進(jìn)行充油，位移棒的具體作用是對載荷箱產(chǎn)生受力后出現(xiàn)的位移進(jìn)行有效測量，通過對載荷向上下部所能夠提供的承載能力來確定樁的極限承載力。

試驗相關(guān)設(shè)備如下：測試中所需要的各類儀器設(shè)備包含高壓油泵，載荷箱，數(shù)據(jù)接收設(shè)備以及油壓傳感器等多種不同類型的設(shè)備。

3.1 設(shè)備應(yīng)用

在進(jìn)行加載設(shè)備的過程中，通常采用圓形載荷箱來對應(yīng)至每一個不同的試樁，在確定載荷箱加載的數(shù)值時，需要相關(guān)計量部門進(jìn)行最終的確定，載荷箱的設(shè)置方式通常要與測試樁的端阻力和側(cè)阻力所形成的平衡點進(jìn)行設(shè)置，這能夠有效的保證載荷箱上下端所產(chǎn)生的應(yīng)力得到有效的同步。其次是高壓油泵的設(shè)置，例如高壓油泵加壓精度為0.2Mpa，加壓值為65Mpa，同時還需要設(shè)置相應(yīng)的油壓傳感器精度。同樣壓力表和油壓傳感器的標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)該通過相關(guān)計量部門進(jìn)行檢定。

3.2 量測裝置的應(yīng)用

在進(jìn)行基準(zhǔn)箱鋼梁設(shè)置的過程中需要通過腳手架作為工作面來幫助完成搭建過程，基準(zhǔn)箱鋼梁跨度為9m，并保證將其安裝在測試中可能受到的影響范圍之外，使得基準(zhǔn)鋼梁能夠幫助完成磁性表座的搭建和設(shè)置功能。測試過程中所選擇合適量程的位移傳感器，每一個測試樁所使用的傳感器為5支，并通過磁性表座將這些傳感器固定在基準(zhǔn)鋼梁中，其中兩個測試傳感器用來測試測試樁的向下位移情況，剩下的傳感器用來測試測試樁向上位移的情況。

3.3 卸壓步驟

1）進(jìn)行加壓卸載過程中要設(shè)定相應(yīng)的分級水平，同時需要依據(jù)單樁承載力特征值與最大加載量相同的方法來進(jìn)行最大加載量的計算，通常所設(shè)定的最大加載量的1/10為分級載荷數(shù)值。同時在進(jìn)行第1級加載時依照2倍分級載荷進(jìn)行加載，同時卸載分級設(shè)定為加載式分級載荷的2倍水平。

2）觀測流程：觀測過程中應(yīng)當(dāng)依據(jù)不同級別的載荷加載過程，并按照不同的時間周期和間隔來進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取，完成一級載荷測試觀測之后才能夠開展下一級觀測活動。觀測過程中應(yīng)當(dāng)對基樁沉降的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行有效的規(guī)定，通常樁頂沉降量的最大值不應(yīng)當(dāng)超出0.1mm，觀測周期為小時單位，在完成分級載荷加載30min后，可以通過每1.5h進(jìn)行3次觀測頻率來計算沉降值，在進(jìn)行下一載荷的應(yīng)用之前首先應(yīng)當(dāng)保證樁頂沉降速率處于穩(wěn)定狀態(tài)。如果在加載的過程中出現(xiàn)了極限載荷，即前一級載荷向下的位移量超過了基樁位移量的5倍，或者集中的位移量是前一級載荷向下位移量的兩倍，則屬于極限載荷需要停止進(jìn)行載荷的增加。

最后在對載荷進(jìn)行卸壓時應(yīng)當(dāng)設(shè)每個級別的恒定周期為1h，同時依照不同的時間周期來對樁頂沉降量進(jìn)行測量，完成不同周期的測量流程之后才能進(jìn)行下一級載荷的卸壓過程，當(dāng)載荷為零時，才能夠?qū)俄攨⑴c沉降情況進(jìn)行測量，并設(shè)定相應(yīng)的15min，30min時間的測量周期，并在之后保證每30min測量1次。

4 數(shù)據(jù)分析成果

針對樁的靜載試驗來進(jìn)行靜載試驗數(shù)據(jù)分析，并繪制相應(yīng)的載荷沉降曲線，該曲線表明，當(dāng)載荷的水平不斷增加時，樁的下位移情況也出現(xiàn)了明顯的增加，同時下位移朝向負(fù)方向產(chǎn)生了明顯的增加情況，同時表明斜率也出現(xiàn)了明顯的增加。

當(dāng)載荷沉降曲線出現(xiàn)了較為明顯的陡變，可以將陡變的起點作為起始極限值，對于載荷沉降曲線較為緩變的曲線，則應(yīng)當(dāng)將曲線的位移值作為極限值，該極限值下的側(cè)阻力來自上位移45～65mm之間的載荷數(shù)值，其極限端阻力則對應(yīng)為下位移45～65之間的載荷數(shù)值。這兩種判定方法能夠決定基樁承載力處于非極限承載值的最大值。

通過對某一工程三根軸樁的載荷沉降值進(jìn)行獲取并分析可以發(fā)現(xiàn)，通過針對三根樁施加載荷再卸除后所產(chǎn)生的殘余變形數(shù)值處于正常的數(shù)值范圍中。該法通過樁自身阻力做反力，可以避免龐大的反力裝置，裝置簡單，省時省力，并且可以節(jié)約大量費(fèi)用，能在有限的空間內(nèi)較好地開展試驗檢測工作。但也存在一些局限性，當(dāng)使用工程樁進(jìn)行檢測時，其不能隨機(jī)地進(jìn)行抽樣檢測，在試驗過程加載后形成斷樁，不易處理，若樁底施工質(zhì)量較差，沉渣過厚，在試驗檢測過程中也不易形成反力，在平衡的確定原則及摩擦力轉(zhuǎn)換系數(shù)的取值方面也存在一定的經(jīng)驗性。

5 自平衡靜載試驗操作流程

自平衡試樁法其核心原理需要依賴在樁頂以及樁身施加裝置產(chǎn)生作用，這使得該試樁方法的復(fù)雜度較高，常常受到外部因素的影響導(dǎo)致試樁結(jié)果不理想，為了能夠在正式開展試樁的過程中避免出現(xiàn)類似問題，提高試樁效果，對常見問題進(jìn)行如下總結(jié)。

1）平衡點概念是自平衡試樁法的核心要素，因此在進(jìn)行具體的試樁模型測試過程中，如何有效的找準(zhǔn)平衡點是重要的難題，所以為了解決該難題，應(yīng)當(dāng)首先進(jìn)行平衡點的預(yù)估工作，通常會將試驗流程中的平衡點位置設(shè)置于假設(shè)或預(yù)估平衡點上方一定距離。采用這種方式設(shè)置的平衡點在開展試驗的過程中會使得上段樁首先承受極限載荷，當(dāng)上段樁承受的載荷達(dá)到極限位置時，下段樁便因為載荷問題無法移動，此時應(yīng)當(dāng)通過設(shè)置支架來為上段樁提供避免位移的外力，完成該流程后既可以保證上段樁和下段樁同時承受極限載荷。在設(shè)置支架的過程中，如果條件不允許可以采用廢氣梁或者混凝土塊來承擔(dān)支架的作用。

2）自平衡靜載試驗過程需要將模型中的土體進(jìn)行壓實操作，在壓實的過程中，通常采用重錘夯實的方法進(jìn)行施工，重錘在擊打土體的過程中所產(chǎn)生的振動會直接導(dǎo)致上段樁的垂直度發(fā)生變化，隨著夯實操作的不斷進(jìn)行，上段樁的位移逐漸和下段樁產(chǎn)生了較大的偏移或者錯位，這可能導(dǎo)致上段樁出現(xiàn)傾斜現(xiàn)象，最終影響實驗結(jié)果的準(zhǔn)確性?？紤]到相關(guān)傳感器和千斤頂基本不存在抵抗偏載的能力，所以隨著上段樁的位移傾斜會使得千斤頂和壓力傳感器承受更多載荷直至最終損壞。這是在某些自平衡靜載試驗的過程中，會出現(xiàn)壓力傳感器的數(shù)值突然歸零的問題，隨著數(shù)據(jù)采集設(shè)備在讀取數(shù)值的過程中，油泵的壓力傳感器會出現(xiàn)靜止不動的問題，這可能會被認(rèn)為是千斤頂出現(xiàn)了故障，因為千斤頂受到了偏載上端樁的載荷壓力導(dǎo)致其無法實現(xiàn)油液歸位的問題。

3）自平衡試驗過程中，需要在上段和下段樁各自設(shè)置千斤頂，在進(jìn)行千斤頂?shù)倪x擇過程中，考慮到常規(guī)千斤頂?shù)淖钚∑矫娉叽绾土砍讨亓恳约靶谐叹嚯x無法滿足自平衡試驗的要求，通過對于自平衡試驗千斤頂要求較為接近的10t千斤頂進(jìn)行定制，保證其最大行程不低于14mm（標(biāo)準(zhǔn)行程為10mm），同時為了保證實驗過程對錨索以及位移桿的要求，要保證模型樁直徑不得低于8cm。

4）自平衡試驗的過程中，為了實驗的需要要準(zhǔn)備粘貼應(yīng)變片，同時考慮到應(yīng)變片較低的存活率，需要在數(shù)量上給予更多的保證，同時對于與金屬相關(guān)的應(yīng)變片應(yīng)對其端子先進(jìn)行絕緣處理，混凝土澆筑流程可能會對光纖造成破壞作用，所以應(yīng)當(dāng)保證光纖具有更長的預(yù)留長度。

5）要事先對模型樁和模型箱進(jìn)行預(yù)留孔設(shè)置，這樣做的目的是后續(xù)對模型樁進(jìn)行垂直方向的支撐作用，有時會采用吊起模型箱的方式展開實驗，為了避免受力不均勻發(fā)生擺動就需要在預(yù)留孔的設(shè)置過程中保證其方向和位置的統(tǒng)一性。

6）上段樁和下段樁的千斤頂在加載的過程中應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格依照加載順序開展試驗，如果加載順序出現(xiàn)錯誤，就可能導(dǎo)致樁體所承受的外力不一致，同時要保證樁身和樁頂在加載過程中設(shè)置正確的千斤頂加載順序，以及保持二者千斤頂總伸長量的正確關(guān)系，避免在填土的過程中出現(xiàn)位移和偏斜。

7）若試驗加載過程未達(dá)到破壞土體的情況下，樁端阻力以及方向的摩阻力能夠得到有效發(fā)揮，在最大加載值狀態(tài)下，以端樁阻力和側(cè)摩阻力作為土層的對應(yīng)阻力，最終的試驗結(jié)果存就會存在在明顯的誤差。

8）試驗設(shè)備保護(hù)措施。在完成載荷箱的埋設(shè)工作之后，應(yīng)當(dāng)對樁頂?shù)奈灰茥U及其護(hù)管封頭以及高壓油管進(jìn)行有效的保護(hù)。具體的保護(hù)措施應(yīng)當(dāng)包含在進(jìn)行開挖過程中，應(yīng)當(dāng)通過人工清理的方式來開展施工禁止采用機(jī)械設(shè)備進(jìn)行開挖，完成開發(fā)之后需要設(shè)定相應(yīng)的警示牌或圍欄來對其進(jìn)行保護(hù)。

6 結(jié)語

自平衡法靜載試驗作為一種新型樁基檢測方法，越來越多的被應(yīng)用到各種建設(shè)項目的樁基檢測中，為了充分發(fā)揮自平衡法靜載試驗的應(yīng)用效果，從而實現(xiàn)該種試驗方法的最大應(yīng)用價值，相關(guān)人員還需要針對自平衡法靜載試驗進(jìn)行更加全面細(xì)致的分析研究，參考和借鑒自平衡法靜載試驗在建筑樁基檢測中的應(yīng)用實例，以便有效掌握該種檢測方法具體實施中的加卸載步驟和數(shù)據(jù)分析。