基桩自平衡法静载试验核心技术专项规程.doc

基桩自平衡法静载试验技术规程（DBJ/T15-103-）介绍及相关问题探讨刘炳凯（广州建设工程质量安全检测中心）摘要：本文第一部分介绍了中国基桩自平衡法测桩技术研究和应用现实状况，并结合工程实践分析了自平衡法相对于传统静载和抗拔优缺点，给出了自平衡法技术定位；第二部分简明介绍了基桩自平衡法静载试验技术规程（DBJ/T15-103-）关键内容；第三部分探讨了自平衡法在工程桩中应用时部分常见问题。关键词：基桩 自平衡法 荷载箱 静载 规程一、 序言1. 基桩自平衡法静载试验介绍基桩自平衡法在国外称o-cell法，该方法利用桩土体系本身提供反力以确定单桩承载力和桩周土层侧摩阻力、桩端阻力，是靠近于竖向抗压（拔）桩实际工作状态试验方法。其原理是在桩身或桩端埋置荷载箱，抗压试验时，利用上部桩自重、上部桩桩侧摩阻力来替换堆载法中重物或锚桩法中锚桩以提供反力；在抗拔试验时，利用下部桩桩侧摩阻力及端承力来替换传统抗拔静载试验中地基或锚桩以提供反力，从而达成试验基桩承载力目标。试验时，从桩顶经过输油管对荷载箱内腔施加压力，箱盖和箱底被推开，同时向上部桩及下部桩施加大小相等、方向相反力，促进桩周土摩阻力和端阻力发挥作用，桩土体系破坏或满足工程实际要求时停止试验。自平衡试桩法试桩时工作状态和桩实际工作时状态有所不一样，是靠近于实际工作状态一个近似方法。自平衡法测桩示意图见图1，测试原理示意图见图2。图1 自平衡法测桩示意图 图2 自平衡法测试原理示意图2. 基桩自平衡法在中国外应用现实状况基桩自平衡法（o-cell法）最早由美国西北大学学者Osterberg于1985年-1987年间，在分析、总结前人经验基础上，对该测试技术进行了系统研究、开发，并于1989年在桥梁刚桩中（水中试桩）成功进行了首次商业应用，以后逐步被美国工程界广泛接收，取得越来越多应用而且制订了相关技术规程，至今已在美、英、日本、加拿大、新加坡、菲律宾及中国香港等10余个国家和地域得到推广应用。现在国外试桩承载力已达成150MN。中国最早于1993年开始关注该方法，前期有清华大学李广信教授2、浙江省建筑科学研究院史佩栋教授3等进行了宣贯和推广。1996年，东南大学土木工程学院在理论研究基础上，首先将该法应用于实际工程。现在，中国北京、江苏、甘肃、江西、广东、广西、福建、浙江、安徽、山东等地已开始大量将该法应用于工程实践。江苏省最早于1999年公布相关该法中国第一个地方标准，随即广西、安徽、江西等地地方标准相继颁布，还有部分省份地方标准正在编制中，早期公布部分标准也已进行了修改、更新和颁布。交通领域应用此法较多，交通部于即颁布行业标准JT/T 738-4，中国对润扬长江公路大桥静载试验荷载已达成120MN5。自平衡试桩法应用领域广泛，适适用于粘性土、粉土、砂土、碎石土、岩层中中大直径灌注桩承载力测试，也可应用和混凝土管桩、钢管桩承载力测试；可用于基桩竖向抗压静载试验，也可用于基桩竖向抗拔静载试验；适适用于试验桩极限承载力测试试验，也适适用于工程桩验收试验；尤其适适用于传统静载试桩难以实施水上试桩、坡地试桩、基坑底试桩、狭窄场地试桩及特大吨位试桩等。3. 基桩自平衡法静载试验优缺点及定位相对于传统静载和抗拔，自平衡法存在以下优点：1、装置简单，场地要求低，不需运入钢架，不需构筑大型反力架；试验安全可靠，且节省费用、工期；2、可同时对多根桩进行检测，节省工期；3、可省去传统抗拔试验所需场地道路平整、支撑桩施打、桩帽制作等工作；节省费用；可省去传统抗拔试验所需场地道路平整换填、桩帽制作等工作，节省费用；4、工程桩采取该法进行抗拔检测时，因荷载箱埋置在桩端，试验时桩身受压，能够避免传统抗拔试验中桩身受拉而产生裂缝，桩身耐久性不受影响；5、在水上试桩、坡地试桩、基坑底试桩、基坑边试桩、狭窄场地试桩、特大吨位试桩等情况下，传统静载方法极难实施，该法则不受限制。相对于传统静载和抗拔，自平衡法存在以下缺点：1、自平衡试桩法将荷载箱放置于桩身或桩底，加载点在桩身或桩底，而传统静载法加载点在桩顶部，故自平衡法试桩时桩身应力分布及桩侧土层应力分布和桩实际工作状态时不一样，致使桩承载力和桩身位移关系确实定存在一定偏差。图3和图4是笔者在某工程中对两根抗拔桩分别采取自平衡法和传统抗拔法所测桩身轴力分布曲线（均未达成极限状态前），由此可较为显著看出二者之间区分。但伴随桩身位移不停加大，靠近桩土破坏极限状态时，两种测试方法得到桩极限承载力是靠近，此结论在中国很多对比试验中得到验证。上部桩侧摩阻力发挥方向问题现在均采取抗拔系数来考虑此影响。2、当荷载箱埋置在桩身时，桩身钢筋需要截断，形成“断桩”，从而影响桩抗拔和抗弯性能。图5是笔者在埋设荷载箱时照片，其上能够显著看出上下钢筋笼在荷载箱处是断开。现在实践中均是经过试验后对此位置压力灌浆来处理，压力灌浆不仅能够填充试验后缝隙，而且能够沿桩周上下渗透，提升该处承载力。下文对此问题有更深入解释。3、工程实践中，极难正确选择一个“平衡点”使上下部桩同时达成极限状态，那么加载时假如上部桩或下部桩先破坏，就要停止加载，以破坏前一级荷载作为上部和下部极限承载力，此时叠加得到承载力结果偏安全。实践中需依靠正确勘探资料和参数取值，并结合越来越多工程数据积累来提升计算正确度。另外也可采取上部桩堆放荷载或加固下部桩以使试验进行下去方法。基于以上优缺点分析，相关自平衡法定位，笔者有以下见解： 1、基桩自平衡法静载试验是取得桩身极限承载力有效方法之一现在已知很多原位测试方法（静力触探、标准贯入试验、动力法测桩等）全部和桩静荷载试验应力状态不相同, 却全部是在利用其所建立相关统计关系来估算或确定桩垂直承载力， 关键在于试验目标是什么，有方法用于初步设计, 有用于工程桩验收，有对位移控制严格，有对位移要求不严格，如前文所述，自平衡测桩法在测取桩身极限承载力时是保守，且能够无限靠近真实值，但实测荷载位移曲线不能替换传统静载试验。在实际应用中应依据试验目标考虑是否采取此法。2、基桩自平衡法静载试验是传统静载试验补充在基桩传统静载试验受试验环境限制难以实施情况下，比如水上试桩、坡地试桩、基坑底试桩、狭窄场地试桩及特大吨位试桩，该法可作为一个替换方法用于取得桩极限承载力，以满足工程实际需要，其实测桩身位移可作为参考使用。3、基桩自平衡法能够满足部分特殊工程应用基桩自平衡法可用来测试深部土层承载力和摩阻力。如某工程拟采取筏板基础，以强风化炭质泥岩作为基底持力层，为了正确取得“强风化炭质泥岩”承载力及变形参数，需要进行原位深层平板载荷试验，但该项目仍处于前期设计阶段，进行传统深层平板载荷试验需要开挖12m深试坑进行试验，且需考虑支护问题，安全性、经济性均不可行，笔者所在单位提出使用自平衡试桩法进行深层平板载荷试验，很好得处理了该问题。图3 某抗拔桩桩身轴力分布曲线图（自平衡法）图4 某抗拔桩桩身轴力分布曲线图（传统抗拔法）图5 钢筋笼在荷载箱位置处断开4、基桩自平衡法是很好一个抗拔桩试验方法基桩自平衡法不仅轻易实现，而且避免了传统抗拔试验法所造成桩身开裂和省去场地处理、埋设试验螺杆等前期准备工作。二、 规程关键内容介绍本技术规程关键包含总则、术语和符号、基础要求、测试设备及安装要求，现场试验及数据处理五部分内容及5个附录。附录分别为附录A：基桩自平衡法静载试验相关配图，附录B：基桩自平衡法静载试验常见表格，附录C：桩身内力测试方法，附录D：抗压桩荷载箱埋设位置确实定，附录E：试验后注浆工艺。本规程主编单位为广州市建筑科学研究院，参编单位为：广州建设工程质量安全检测中心、广东省建筑科学研究院、广州市建设工程质量监督站、广东省地质科学研究所、深圳市建设工程质量检测中心、广州市荔湾区建设工程质量监督站、广州市白云区建设工程质量安全监督站、东莞市建设工程质量监督站、广州市天河区建设工程质量监督检测室、广东天信电力工程检测、深圳市建筑科学研究院股份、南昌永祺科技发展。下面结合自平衡法静载试验过程中常见问题来对本规程内容进行介绍（下文中斜体字部分为规范条文）。1. 对自平衡法应用范围要求结合以上自平衡法优缺点介绍，本规程对自平衡法应用范围进行了一定限制，具体为：1.0.2 本规程适适用于试验桩承载力试验和传统静载试验受场地限制或吨位限制难以实施时工程桩承载力检测。本条关键指出两点，其一是基桩自平衡法可用于试验桩承载力试验，也可用于受一定环境条件限制和试验吨位限制工程桩承载力检测，基桩自平衡法是传统静载法必需补充；其二是自平衡法关键用于基桩承载力测试，位移测试结果可用于参考，但因为采取该法试验时，桩身受力状态和实际工作时受力状态不一样，故得到位移会和实际工作状态时位移有一定偏差。3.0.2 采取自平衡法进行试验桩静载试验时，应同时进行桩身内力测试，内力测试可依据本规程附录C进行。采取自平衡法进行工程桩静载试验，且荷载箱预埋置于桩身时，应对上部桩进行抗弯和抗拔验算，确定上部桩承载力满足设计要求后方可实施。 本条要求关键针对上述自平衡法缺点进行要求。 本条要求对试验桩进行单桩竖向承载力（抗压或抗拔）试验时应进行桩身内力测试目标在于尽可能降低误差，同时积累实测数据。依据试验得到桩身实际应力分布及桩极限侧摩阻力、端阻力值，能够较正确反推得到桩实际工作受力状态下极限承载力。工程桩验收试验时对试验结果要求较简单，故本条未要求对工程桩亦进行桩身内力测试，但有条件时宜进行内力测试。本条要求应对“缩短”后桩，即上部桩进行抗弯和抗拔验算，确定对工程安全无影响时工程桩方可采取自平衡法。在实际应用中，荷载箱安放位置通常在桩“反弯点”之下，故对桩抗弯性能影响不大，缩短后受检桩能满足桩抗拔要求方可采取此法。2. 对荷载箱要求自平衡法试验中荷载箱是最关键元件，怎样确保荷载箱质量？荷载箱应控制那些指标？荷载箱怎样标定？怎样确保荷载箱在标定、运输、埋设、测试过程中不被损坏？本规程在第4章中均给出了要求。4.1.1 试验加载采取专用荷载箱，荷载箱预估最大加载值应依据最大试验荷载、荷载箱埋设位置和工程地质条件确定。荷载箱缸体行程不宜小于120mm。本条对荷载箱最大加载值、缸体行程给出要求。自平衡法静载试验存在两个试验荷载，一个是和传统静载试验一致最大试验荷载，通常由设计单位给定；另一个是荷载箱预估最大加载值，其取值应依据最大试验荷载、荷载箱埋设位置、地质条件确定，加载分级根据此值确定。4.1.2 荷载箱预估最大加载值对应油压值不应超出50MPa，出厂前必需试压，试压值不得小于预估最大加载值1.1倍，且必需维持2h以上，试压时荷载箱缸体行程应大于50mm。本条要求荷载箱加载至最大值时对应油压值不应超出50MPa，首先考虑到油压过高时油路及荷载箱轻易出现漏油，同时考虑到对荷载箱上下混凝土局压不应太高。本条要求试压值不得小于预估最大加载值1.1倍，且需稳压2h。试压时荷载箱缸体应伸出50mm以上也是为了确保荷载箱质量，预防部分荷载箱在行程小时压力能够保持很高，但行程大时质量却得不到确保，而荷载箱在使用时是压力越高对应行程相对越大。4.1.3 荷载箱应经法定计量单位整体标定，并出具正式标定证书。标定证书上应注明荷载箱最大加载能力、尺寸、行程等参数及待应用工程名称。荷载箱通常由多个千斤顶串联或并联组装而成，本条要求应将荷载箱作为一个整体进行标定而不是对单个千斤顶分别进行标定。荷载箱整体标定能够检验整个油路密封性能，经过数次反复加压，完全排除荷载箱油路内空气，增加标定结果正确性，同时能够排除荷载箱组装过程中对油路产生损坏可能。4.1.7 荷载箱在运输或工地内中转时应注意正确吊装，荷载箱安装前应检验油嘴、油管、油封等完好性。3. 荷载箱埋设位置4.2.1 荷载箱埋设位置应符合以下要求：1 当极限端阻力小于极限侧阻力时，按本规程附录D要求确定埋设位置，使上部桩、下部桩承载力相当； 2 当极限端阻力大于极限侧阻力时，将荷载箱置于桩底端，可在桩顶外加一定量配重，配重应按本规程附录D要求确定；3 对抗压桩，当桩底存在扩大头时，荷载箱宜埋设于扩大头之上；4 对抗拔桩，荷载箱应放置在桩底端，当桩底岩土层承载力小于试验所需反力时，应对桩底进行处理；5 有特殊需要时，试验桩可采取双荷载箱或多荷载箱，埋设位置依据具体需要确定。荷载箱埋设位置关键依据勘察资料上给出岩土层和各岩土层参数来确定，故试验前一定要采取可靠勘察资料。钻探孔位置距离桩中心通常不宜大于5m，对于岩土层面起伏较大或灰岩地域，5m水平距离内地质情况全部会改变很大，这时就要采取试验桩处钻孔资料以确保勘察资料正确性。对抗拔桩，当桩底需要处理时，通常可在成孔时施工额外延长段，利用该延长段侧摩阻力和端阻力共同提供反力。4. 荷载箱埋设时应注意部分细节4.2.2 荷载箱和钢筋笼连接应符合以下要求：1 荷载箱中心和钢筋笼中心重合，荷载箱位移改变方向和桩身轴线夹角应5；2 上部桩、下部桩钢筋笼在荷载箱周围处应有加强方法，通常包含箍筋加密、设置喇叭筋等方法，喇叭筋一端和主筋焊接，一端焊在环形荷载箱盖板内圆边缘处，其数量和直径同主筋。喇叭筋和荷载箱平面夹角应大于60；3 上部桩钢筋笼和下部桩钢筋笼之间连接强度不应大于荷载箱预估最大加载值1/10。4.2.3 位移杆（丝）和护管应符合以下要求：1 位移杆（丝）应有护管进行保护，护管不得漏浆；2 位移杆（丝）和引测部位及位移杆（丝）中间接头应连接可靠，不得在试验前或试验过程中脱开；3 位移杆应含有一定刚度，宜采取直径25mm30mm钢管；位移丝引测时应使用足够配重使位移丝绷紧；4 等候试验期间应对外露油管、位移杆（丝）进行妥善保护，不得损坏，护管顶部应封堵；5 对桩顶外露位移杆（丝）应做好标识，区分上位移和下位移；6 在确保精度前提下，也可采取其它形式位移测量系统。4.2.4 成孔及浇灌混凝土除应满足相关规范要求外，还应符合以下要求：1 抗压桩和抗拔桩孔底沉渣厚度均不应大于150mm；2 应缓慢、正确下放导管，不得使预装试验装置移位；3 应确保荷载箱上部和下部混凝土浇灌密实。5. 自平衡法测试时加载怎样控制4.3.5 应同时对上部桩向上位移、下部桩（或桩端持力层）向下位移及桩顶位移三组位移数据进行测量，每组应部署不少于2个测点，且各测点应对称部署。试验关键控制上位移和下位移，桩顶位移测量起辅助判定作用，理论上，桩顶位移因不含上部桩压缩量，会略小于上部桩向上位移，如二者之间相差较大，应分析出现此问题原因。5.1.1 试验加卸载方法应符合下列要求：2加载应采取慢速或快速维持荷载法分级加载，加载应逐层等量加载，第一级荷载可取分级荷载2倍；3分级荷载宜为荷载箱预估最大加载值1/101/15；5.1.4 抗压桩试验出现下列情况之一时，即可终止加载。1某级荷载作用下，上部桩或下部桩位移量为前一级荷载作用下位移量5倍，且总位移量超出40mm-60mm（试验桩取大值，工程桩取小值）；2当上部桩或下部桩荷载位移曲线为缓变型时，上部桩或下部桩总位移量达成60mm-80mm；3某级荷载作用下，上部桩或下部桩位移量大于前一级荷载作用下位移量2倍，且经24h还未达成相对稳定标准；4当上部桩出现上述三种情况之一，而下部桩未出现时，可考虑在桩顶增加配重后继续加载至下部桩出现上述三种情况之一或达成最大试验荷载；5已达成最大试验荷载且上部桩和下部桩位移均达成相对稳定（收敛）标准。5.1.5 抗拔桩试验出现下列情况之一时，即可终止加载。1某级荷载作用下，上部桩位移增量为前一级荷载作用下位移增量5倍且总位移量超出40mm-60mm（试验桩取大值，工程桩取小值）；2当上部桩荷载位移曲线为缓变型时，上部桩总位移量达成60mm -80mm；3荷载箱行程达成最大值；4已达成最大试验荷载值且上部桩位移达成相对稳定标准。抗压试验时因需将上部桩承载力和下部桩承载力叠加，故试验过程中应分别控制上部桩位移和下部桩位移情况。对抗压桩试验，当上部桩位移和下部桩位移均达成稳定标准或收敛标按时方可加下一级荷载；对抗拔桩试验，因为只需判定上部桩承载力，故只需控制上部桩位移是否达成稳定或收敛，但持力层位移也必需测量，因为要随时判定荷载箱行程是否超限。6. 自平衡法测试后单桩极限承载力怎样确定5.2.4 单桩竖向极限承载力可按下列要求确定: 1对测试桩身内力抗压试验，单桩竖向抗压极限承载力可按下式计算： （5.2.4-1）式中：上部桩侧表面第层土抗拔侧摩阻力实测值（kPa）； 上部桩侧表面第层土对应桩身周长（m），对等直径桩取； 上部桩侧第层土厚度（m）；上部桩侧表面第层岩土抗拔系数，可按地域经验取值。当无地域经验时，对于黏性土、粉土=0.750.85；对于砂土=0650.75；对于岩层=1.0。下部桩极限承载力（kN）。2对未测试桩身内力抗压试验，单桩竖向抗压极限承载力可按下式计算： （5.2.4-2） （5.2.4-3）式中：加权抗拔系数，各土层权重影响原因为该土层厚度和该土层抗压侧摩阻力系数，可依据勘察资料确定。 上部桩身自重（kN）；上部桩极限承载力（kN）。 3 对抗拔试验，单桩竖向抗拔极限承载力取且不应大于由桩身配筋强度控制承载力。本规程抗拔系数取值区间在广东省标准建筑地基基础设计规范DBJ 15-31-取值基础上略有提升，通常当土层埋深较浅时，可取低值，反之可取高值。公式5.2.4-2中引入加权抗拔系数，不一样和类似规范中简单取平均值，权重按不一样土层对上部桩抗拔承载力“贡献量”计算，不一样土层侧摩阻力值可按勘察资料中给定参数选择，该值推导以下： 由行业标准建筑桩基技术规范JGJ 94-中抗拔桩计算公式可知：引入抗拔系数，则：则：因为荷载箱上部桩通常为等截面桩，则：列举一算例说明：假设某泥浆护壁冲孔桩，荷载箱上部桩长共20米，其中桩侧土有10米黏土、10米强风化硬质岩，抗拔系数分别取0.8和1.0，勘察资料显示极限侧阻力标准值分别为60kPa和200kPa，按上式计算=0.95。三、 自平衡法在工程桩中应用时常见问题探讨在自平衡法应用过程中，尤其是在工程桩中应用，相关单位常常会有部分疑问，现就笔者了解，对部分关键疑问解释以下。1、工程桩埋设荷载箱后是否会对后续工程桩使用产生影响当试验用荷载箱埋置在桩身时，桩身钢筋需要在荷载箱位置断开，试验后桩身会产生一条水平缝隙，这些会不会对工程桩产生影响呢？针对此问题，现分别从桩抗压性能和抗拔性能方面来加以说明。1）荷载箱埋设在桩身中下部，在实际使用过程中此处桩身轴力为桩顶轴力二分之一以下，对应对桩身强度要求会降低二分之一；荷载箱试验后张开位置仍有活塞相连，能够传输抗压荷载；同时试验后对张开空隙位置进行压力灌浆首先能够填充缝隙，对缸体形成保护层，提升耐久性，其次能够沿桩周上下渗透，提升该处承载力。故试验不会对工程桩抗压能力产生影响。2）因为钢筋在荷载箱处断开，故会对工程桩极限抗拔承载力产生影响，试验前应找设计单位确定仅考虑荷载箱上部桩抗拔承载力是否能满足设计要求抗拔力，如能够满足则不会对工程安全产生影响，如不能够满足，则不能采取自平衡法。2、自平衡法检测时无法满足抽检随机性问题采取自平衡法进行承载力检测时，因为在桩施工时就要埋设荷载箱，故需要事先指定检测桩，无法满足通常检测时随机抽检要求，此问题和基桩声波透射法预埋声波管类似。针对此问题，现分析以下：1）抽检随机性目标是为了预防施工过程中专门针对受检桩采取特殊工艺或改变设计参数而使结果不含有代表性。针对通常采取旋挖桩和冲孔桩，只要施工时由监理单位旁站，确保桩长、桩径按设计要求，而且采取同一施工工艺，能够认为含有代表性。2）因为自平衡法不受场地限制，对基坑边和内支撑下基桩均可检测，受检桩位由设计单位依据地质条件和关键性确定，更含有代表性。3）对桩身完整性有缺点桩通常采取静载法验证，但通常采取自平衡法工程无法进行静载试验，如出现此问题，直接对缺点处进行加固处理，确保桩身完整性满足要求。再结合自平衡法验证侧摩阻力取值可靠性，从而能够很好得评定整个工程基桩可靠性。3、相关扩大抽检在检测可靠性和直观性上来讲，自平衡法是仅次于传统静载检测方法，但会高于抽芯法检测。因为自平衡法需要在基桩内预埋荷载箱，如有同条件未施作桩，则能够用自平衡法进行扩大抽检，但往往会出现检测时全部工程桩已施工完，无条件采取自平衡法进行扩大抽检，这时应优先采取常规静载法。如因场地限制或吨位限制，常规静载法无法实施，则可用钻芯法检测端承力或重新施打模拟桩进行侧摩阻力测试。4、试验后荷载箱张开处回灌浆液检测问题荷载箱张开处是完整一个截面张开，此区域是测量控制下产生，这个传统加固注浆是不一样，传统加固注浆需要切割，清洗断面，轻易发生加固不密实，而自平衡法回灌部位确定、规则，而且浆液从一个护管中进去，从另一个护管中出来，质量很轻易确保，只要控制浆液强度即可，通常无需后续检测，如要检测，可经过在桩中心抽芯，检测荷载箱张开处回灌水泥浆后桩身完整性。四、 结论自平衡法已在全国取得很多应用，交通部和多个地域已颁布自平衡法检测规程，但在广东省现在应用较少，本规程实施将会极大得促进自平衡法在广东省应用，考虑到此法在广东省应用处于起步阶段，相对于其它类似规程，本规程对此法应用范围进行了最为严格限制。本文对基桩自平衡法静载试验优缺点进行了总结，并介绍了各缺点影响和方法，有利于对自平衡法有全方面、客观认识，便于在工程实践中依据试验目标合理选择检测方法。本文从方法适用范围、荷载箱技术要求、埋设位置、埋设细节及加载控制和数据处理等多个关键方面对广东省基桩自平衡法静载试验技术规程（DBJ/T15-103-），进行了简明介绍并对关键条文进行了解释，有利于愈加快了解和掌握本规程。本文最终对应用中常见部分问题进行了探讨，抛砖引玉，以使此法越来越完善。