自平衡法在桩基竖向荷载力检测中的应用与展望

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1、摘要：随着人类社会科学技术发展，施工工艺的进步，桩基自平衡静载荷检测技 术（以下简称自平衡法）因其灵活性与可操作性对于超大单桩基承载力检测有极 大优势，被广泛应用于各类工程领域中。本文结合目前自平衡法在国内不同工程 领域中的应用实例，简单介绍自平衡法的发展现状。并且同传统的静荷载试验方 法比较出其优缺点，对自平衡法未来的发展提出一些建议。关键词：自平衡法；桩基检测；静载试验Abstract： Along with the development of science and technology of human society, the progress of the constructio

2、n technology,the Osterberg-Cell method is one of the static load test method which has a great advantage to test the supernormal single pile capacity because of the flexibility and maneuverability.And this method is widely applied in various engineering fields.This paper nakes a simple introduction

3、of the current situation of the development of the Osterberg-Cell method combined with several application examples of the Osterberg-Cell method in different engineering fields in China.Furthermore,this paper finds out the merit and dismerit by contrasting with the traditional static load test metho

4、ds and puts forward some suggestions of the development of the Osterberg-Cell method in the future.Key words： pile foundation test； the Osterberg-Cell method； static load test1. 概述1.1自平衡法简介桩基自平衡测试的概念在 1969年由日本学者中山（Nakayama）和腾关 （Fujiseki）提出，并且于1973年取得了对钻孔桩的测试专利。80年代中期 Cernak等人和美国西北大学的J.Osterberg等人于将相

5、似技术进一步发展，形 成了基本的试验理论，并运用于工程实践。J.Osterberg教授于1984年撰文介 绍了一种于传统方法截然不同的静荷载检测方法，一般称此方法为 Osterberg-Cell试桩法或0-cell （奥氏荷载箱）试桩法。因该方法不占用施工 场地，试验方便，费用低廉，节省时间等许多优点，一经问世即引起日、英、加 拿大、新加坡、菲律宾。孟加拉等许多国家和地区工程的界的关注。据可查的档案记载，我国最早冠之以“自平衡法”之名的桩内预埋加载设备 进行桩基承载特性检测的方法，最早于1960年代由以色列AfarVasela公司提出 并实施。1993年，清华大学的李广信教授将Osterber

6、g-Cell试桩法引入中国， 并做了大量的理论研究和模型试验，但缺乏实际工程测试经验。该项技术在国外 属专利产品，没有相关技术资料报道。东南大学土木工程学院和江苏省建设厅经 过努力于1996年率先开始实用性研究，同年制定了相应规程，并获得2项国家 专利。之后国内经过近10a的桩基础检测理论研究和实践研究，中国建筑科学 院、交通部科研院、东北大学、天津大学、武汉大桥局等单位都开展了对该方法 的项目研究，目前这一检测方法已经广泛的应用于各种高层建筑工程，桥梁工程， 地铁工程以及水利工程，并积累了大量的实际工程经验。1.2自平衡法的工作机理桩基础的竖向荷载包括侧向摩阻力，桩端阻力，桩自重和Oster

7、berg-Cell 试桩法的工作机理可以总结为寻找桩基承载力平衡点（在桩尖或桩身某一部位）， 于平衡点位置预先埋设加载设备（荷载箱），将载荷箱的油管和位移棒（位移丝） 引至地面，由高压油泵向载荷箱注油，载荷箱对上下段桩体施加载荷，上下段桩 体分别产生向上、下的位移，促使桩侧阻力与桩端阻力的发挥。上、下桩埋设位 移量测装置及岩层测试断面埋设应力测试元件，加载及稳定标准按常规桩基静载 荷试验执行。在载荷箱加荷过程中，其上段桩的阻力（包括桩周土的侧摩阻力与 桩体自重）与下段桩的阻力（包括桩周土的侧摩阻力与桩端阻力）互为反力，即 自反力平衡来维持加载，在国内故称为自平衡法。自平衡法安装荷载箱形式可以分

8、为等截面荷载箱和变截面荷载箱两种，所测 得的竖向承压桩基础极限承载力一般要略低于静荷载试验。1.2.1等截面荷载箱形式自平衡法机理等截面荷载箱形式主要发展有三种荷载箱布置形式，分别是布置于桩端位 置、桩中部位置和双荷载箱布置形式的。其中双向荷载箱的布置是前两种布置位 置的叠加形式，同样桩的极限承载力计算也是两种形式的叠加。实际上随着超长 桩的应用，单个荷载箱难以满足桩承载力测试的要求，国内已经出现过多层荷载箱的情况，但目前多数工程还是设置双层荷载箱。以下两图分别为荷载箱置于桩 端位置和桩中部位置自平衡法工作机理图2:fI*LrV g!i i r!tf b r/jPd1图1桩端位置荷载箱图2桩中

9、部位置荷载箱p = p + p + G + Gudsztp = p + p + p + G + Gudsis 2zt其中：图一 P为桩端地基反力，P为桩侧阻力，G为桩体重量，G桩体向上dszt运动带动的土体重量。图二P为荷载箱以上的桩侧阻力，P为荷载箱以下的桩sis2侧阻力，G为荷载箱以上桩体重量，G为荷载箱以上的桩体向上运动带动的周边zt土体重量。P均表示桩的极限承载力。u1.2.2变截面荷载箱形式自平衡法机理当侧摩阻力和端阻力不平衡情况，如对于持力层较强、侧摩阻力小于端阻力 的情况，将不同截面尺寸的荷载箱放置于桩端底部，通过面积比例k调整荷载箱 上部施加荷载数值，从而计算桩基础的极限荷载。

10、工作机理图图下：X1iLI-ViJfIgJi1 1/u片p f1图3变截面荷载箱p = kp + p + G + Gudszt其中，式中各符号同等截面荷载箱置于桩端形式，k表示荷载箱上、下表面 的面积比。综合以上所述，自平衡法测试需根据持力层的强度，端阻力和侧摩阻 力的分析进行分析和判断。根据端阻力和侧摩阻力的大小，当侧摩阻力大于端阻 力情况，可任意选择荷载箱形式；当出现不平衡情况，即端阻力大于侧摩阻力时, 则采用变截面荷载箱布置于桩端。而对于等截面荷双向荷载箱的布置则是为了解 决有时候荷载箱压力不足的问题。1.3桩竖向承载力和修正系数的确定JT/T 7382009基桩静载试验自平衡法中规定了

11、试桩的单桩竖向抗压极 限承载力计算方法，按照自平衡法上下段桩的受力机理以及与传统单桩竖向抗压 静载试验存在的不相似性，经过调整的计算公式如下：Q WP =uu+丫 QuY11u1式中：Q为试桩上段桩的加载极限值，kN； Q为试桩下段桩的加载极限值，kN； uuluW为试桩载荷箱上部桩自重，kN。Y 1、Y 2是国内对自平衡法提出的对上、下段 桩的修正系数，以更准确可靠地将载荷箱加载压力转变为对试桩单桩竖向抗压极 限承载力评价。自平衡法上段桩的修正系数Y 1，对粘性土、粉土可取0.75 0.85,对砂土可取0.600.75,建议下段桩修正系数Y 2可暂取0.91.03。若 对于桩的上部出现不同土

12、层时，计算的修正系数取加权平均值。建议采用土层摩 阻力经验值和厚度的联合加权平均的算法会更接近实际矶上段桩的自重受充盈 系数与扩缩颈影响，同时需要考虑荷载箱是否处于透水层从而确定自重是否取为 浮容重。若上段桩自重计算考虑因素不足，使得自重计算结果偏小，则会造成桩 竖向抗压极限承载力评价偏高，结果偏于不安全。1.4自平衡法国内现状自平衡法从引进到2015年，近20年的时间，经历了许多的实践和发展，其 技术成熟性和项目成功率已经有了长足的长进，已经达到了令人满意的水平。 2007年由CIED （北京智机科技）科研人员原创设计开发的自平衡法新型加载设 备，囊式专业荷载箱，以囊式压力单元为基本部件，其

13、性能在国内外同类产品中 处于领先水平。在技术规范上，自平衡法国内级别最高的规范为2009年交通运 输部的最新规范基桩静载试验自平衡法JT/T 738-2009。但该规范某些部 分的合理性、准确性、权威性受到业内专家的质疑，同时，国内目前仍然没有一 部相应的成熟的规范来指导自平衡法施工过程，各个项目仍处于实践、尝试、摸 索、积累状态。2. 自平衡法在不同工程领域的应用实例2.1自平衡法在桥梁工程中的应用1）南昌市朝阳大桥工程跨江主桥采用钻孔灌注桩，设计桩长2632 m，桩 径分别采用1.0 m、1.5 m及2.5 m 3种类型，设计承载力为7 00052 000 kN。 为经济地检验单桩竖向承载

14、力，本工程基于技术要求采用自平衡法对大直径桩加 载至100000 kN以上。加载采用慢速维持荷载法，预估测试荷载分为12级加载， 第1次按2倍荷载分级加载，卸载时分5级进行，每级卸载值为每级加载值的2 倍。试验参数及试验结果如下表所示：表1南昌市朝阳大桥钻孔灌注桩静载参数汇总表桩编号施工桩长桩径/m桩端持力层1号试桩32.02.5未风化粉砂质泥岩2号试桩26.51.5微风化粉砂质泥岩3号试桩26.51.0微风化粉砂质泥岩表2南昌市朝阳大桥桩基静载实测承载力结果汇总表试验桩径试验加载最 大值/kN试验最大上 位移量/mm试验最大 下位量/mm实测单桩竖向抗压 极限承载力/kN2.532.02.1

15、72.01$1040001.526.57.689.05M194701.026.52.694.53$11250试验过程可知1号桩在加载过程中处于弹性阶段，其竖向抗压承载力至少为 2倍测试荷载以上，即104 000 kN。南昌市朝阳大桥工程跨江主桥的几种典型 桩经过测试均满足要求，其中通航孔桥主墩桩身承载力已达到100000 kN以上， 是江西省内目前最大吨位的基桩。该工程还经过了声波检测，复核确定了桩身的 完整性满足要求。2）钱江通道及接线工程南接线段是浙江省公路水运交通建设规划中高速公 路主骨架的“一通道”。该项目采用自平衡测试法对3根基桩进行破坏性试验， 试桩所在场地浅部为全新统冲海积灰色、

16、灰黄色粉土、粉砂，其下为全新统冲海 积灰色流塑淤泥质粉质黏土，底部为上更新统冲海积的粉土，粉砂，冲湖积粉质 黏土，冲积粉细砂、圆砾等。加载方式采用慢速载荷维持法进行加载，即逐级加 载，每级荷载达到某一规定的相对稳定标准后方。可进行下一级加载，直至试桩 破坏，停止加载，然后分级卸载至零。试桩参数及试桩试验结果如下表表3钱江通道及接线工程南接段试桩主要参数试桩编 号桩径 /mm设计桩长/m实际桩长/m混凝土 标号设计最大试验 荷载/kN成孔方式P1160082,186.0C303600旋挖钻P2160082,186.0C303600回旋钻P3160082,187.2C303600旋挖钻表4试桩实测

17、竖向抗压极限承载力汇总表（单位：kN）试桩编号试验最大加441曰 载量试验确定的单桩竖 向抗压极限承载力试验确定的桩端极限 承载力P143200442737619P236000364241171P343200442605584该工程采用自平衡法对该项目中3根破坏性试桩承载力进行测试，试验各试 桩均满足极限承载力要求，同时实测的最大摩阻力均大于工程勘察报告提供的桩 侧摩阻力标准值。2.2自平衡法在水利工程中的应用1）南水北调中线一期工程南阳段二标段十二里河涵洞式渡槽位于十二里河 进口与姚湾东南公路桥之间，渡槽尺寸（宽X高X长X槽数）为13 mX7. 8mX 60 mX2。渡槽槽身形式为开口箱型。

18、槽墩及槽台均为钻孔灌注桩基础，桩径1.8 m,平均桩长45 m,每个墩、台下设16根桩基。该工程根据设计及相关规范要 求在1#墩位置上选取两根桩进行自平衡法测试，加载方式采用慢速维持荷载法。 以预估极限值24160 kN的50%为依据，即12080 kN为试验加载极限值，分为 10级，每一级为1208 kN。采用逐级等量加载；其中第一级取分级荷载的2倍。 当桩顶沉降速率达到相对稳定标准时，再施加下一级荷载，卸载分5级进行，每 级卸载量取加载时分级荷载的2倍，逐级等量卸载。桩的基本参数和测试结果如 下表：表5十二里河涵洞式渡槽桩基设计基本参数序号桩号桩径D/mm桩长L/m设计竖向外荷 载/kN1

19、1#桩180050（有效）12078216#桩180050（有效）12078最大试验 荷载/kN表6十二里河涵洞式渡槽桩基试验结果汇总项目桩号1T#桩1-16#桩预定加载值/kN2 X 12 0802 X 12 080最终加载值/kN2 X 12 0802 X 12 080荷载箱到桩顶的距离/m30.530.25荷载箱处最大向上位移/mm17.9836.58荷载箱处最大向下位移/mm34.2739.84桩顶向上位移/mm12.5123.76上段桩压缩变形/mm5.4712.82荷载箱处向上残余位移/mm12.7221.66荷载箱处向下残余位移/mm20.7625.18由两根桩的自平衡法静载荷试

20、验结果可见，1 1#桩的实测极限承载力的值 为24755 kN, 1 16#桩的实测极限承载力的值为24775 kN，均大于设计值24160 kN。满足设计要求，且保证桩身质量完好。2）黔中水利枢纽工程采用直径比较大、承载力较高的混凝土灌注桩，现场 及周边环境比较复杂，故采用自平衡法对工程试验桩GG2-9#混凝土摩擦端承灌 注桩进行承载力测试。凝土等级为C35，直径为2.2m,长度为41.5m，设计要求 最大加载力为62000KN。持力层为弱风化泥灰岩。桩身强度以设计极限值的70% 为依据，即荷载箱相应加载值为31000kN。每级加载为预估加载值的1/10。第1 级按两倍荷载分级加载，卸载分为

21、5级。当10级荷载加载完后，试桩加载达到最大加载值62000kN。上段桩最终位 移为8.54mm,下段桩最终位移为5.71mm。荷载箱上、下部桩位移未达到极限破坏 数值，GG2-9#试桩极限承载力$62331kN，能满足设计要求。2.3自平衡法在道路工程和地铁工程中的应用1）武汉城市圈环线高速公路仙桃段位于湖北省中部仙桃市，处于江汉河湖 冲洪积平原区，沿途地势较为平坦，无丘无山，呈现河湖冲洪积平原区基本地貌。 该区多分布有一层或者多层较厚的条带状或透镜体状的软土。试验预估加载值按 照设计值的3倍进行。试桩参数和测试结果如下表：表7仙桃段试桩参数编号桩号桩径D/m桩长L/m设计桩顶 力/kN预估

22、加载 值/kN备注1K171+2661.55255002X8000沙湖特大桥（25 m 小箱梁），路线右 侧 4.5 m表8仙桃段试桩实测结果编号上段桩实测极限承 载力Q /kN下段桩实 测极限承 载力Ql /kNlu上段桩长度/m上段桩有效 自重W/kN单桩竖向抗 压极限承 载力Pu/kN设计桩顶 力/kN169346934441126141945500试桩的单桩竖向抗压承载力极限值为14194kN,对应的位移为25.33 mm。设 计要求容许承载力为5500kN,对应的位移为5.41mm。试桩竖向抗压极限承载力 $14 194N,大于2倍设计值：llOOOkN,满足设计要求。试桩为破坏性性

23、试验， 安全度系数为14194/5500=2.58倍。经计算，对于试桩，端阻分担比为28.57%, 呈现明显的摩擦桩特性。2）北京某地铁车站，采用盖挖逆做法施工，试验对象为中间柱桩基础SZ1, 该桩为钻孔灌注桩，直径2.0m,桩长25m,根据勘察资料预估有效单桩竖向承载 力特征值为10800kN。该工程由于静载试验是对桩基承载力的检测，未做破坏性 试验，所以未得出桩基的极限承载力的具体数值。但利用加载终止条件得出相应 的极限加载值以判断估计极限承载力的大小是否满足要。方法是按照极限加载时 总位移量的大小作为控制标准，取对应的加载量或者前一级加载作为极限加载。 而相应的极限荷载难以确定时，绘制荷

24、载-位移曲线（Q-S曲线）、位移-时间曲 线（s-t曲线）确定，必要时还应绘制S -l gt曲线、S-lgtQ曲线（单对数法）、 S- （1-Q/Q ）曲线（百分率法）等综合比较，确定比较合理的极限荷载取值a。max该SZ1桩基础最终按计算公式等效转换得到的静载试验P-S曲线（承载力-位移 曲线）可推测出，在满足设计文件要求的桩基承载力特征值10800kN的前提下， 桩基的承载力还有上升的空间。2.4自平衡法在高层建筑工程中的应用金凤凰南湖御景工程位于广西南宁市桃源路与教育路交界处，本工程基础 设计为354根钢筋混凝土钻孔扩底灌注桩。主楼桩端持力层为中风化粉砂质泥 岩，桩端端阻力特征值为180

25、0kPa。裙楼桩端持力层为圆砾层，桩端端阻力特征 值为1500kPa。要求桩端进入中风化粉砂质泥岩和圆砾层分别不小于2m和1.5m。 南宁市建筑工程质量检测中心选取了 270号、327号、351号3根基桩进行单桩 竖向抗压自平衡法静载试验。本次测试采用慢速维持荷载法，分级荷载为最大试 验荷载的1/10，其中第一级取分级荷载的2倍。卸载分级进行，采用逐级等量 卸载，每级卸载量取加载时分级荷载的2倍。试桩参数见下表11：表9金凤凰南湖御景试桩参数试桩a a 号号桩径/mm施工 桩长/m荷载箱上 部桩身长 度 L |/m桩端持力 层设计单桩 承载力特 征值/kN最大试验 荷载/kN桩身扩大头2701

26、300250025.7023.35中风化粉 沙质泥岩86002X86003271100240030.1227.92中风化粉 沙质泥岩79002X79003511100230022.4720.27中风化粉75002X7500沙质泥岩表10 270号单桩竖向抗压静荷载试验结果序号历时/min1011121314荷载/kN历时/min向上位移/mm本级累计本级累计0 00.000.002X17201202X25801202X34401202X43001202X51601202X60201202X68801202X77401202X86001202X6880602X5160602X3440602X17

27、2060240120-0.43240-0.22360-0.29480-0.38600-0.47-0.43-0.65-0.94-1.32-1.79720-0.54-2.33840-0.62960-0.911080-1.0711400.3112000.5112600.5013200.6715601.04-2.95-3.86-4.93-4.62-4.11-3.61-2.94-1.90向下位移/mm本级0.002.612.041.852.603.154.624.466.798.70累计0.002.614.656.509.1012.2516.8721.3328.1236.82-3.1233.70-4.4

28、029.30-4.2625.04-5.38-6.1419.6613.52测试结果：根据检测数据计算，270号桩（设计单桩竖向抗压承载力特征值 8600kN）单桩竖向抗压极限承载力为18401kN;327号桩（设计单桩竖向抗压承载 力特征值为7900kN）单桩竖向抗压极限承载力为16963kN;351号桩（设计单桩竖 向抗压承载力特征值为7500kN）单桩竖向抗压极限承载力为16285kN。均满足相 应的设计单桩竖向抗压承载力（安全系数取2.0）的要求。3. 自平衡法竖向荷载特性分析1）桩身轴力特性自平衡法由桩身中段某部位的荷载箱处加载，这种受力方式使得桩身上、下 段的轴力均在荷载箱附近处达到峰

29、值，轴力沿着荷载箱位置向桩顶和桩端传递。 上部轴力的传递过程中桩身受压，由钢筋和混凝土共同传递。上段的轴力由上段 桩自重和向下的桩侧摩阻力承担，下段由向上的侧摩阻力和端阻承担。整个试桩 的轴力分布可看做弓形分布。2）桩侧摩阻特性诸多试验数据及研究表明，在同样的桩侧土条件下，桩端持力层强度高的桩， 其抗压侧阻力比桩端持力层强度低的桩高。而桩长、桩径、桩端土强度、桩周土 性质、不同深度、施工因素、时间长短、灌注桩的桩孔特征等条件对桩的侧阻力 均有较大影响12但是目前的研究尚未确定以上因素中哪个或者哪些因素是影响 桩侧阻力发挥的主要因素，国内的试验和研究结果还存在着一定差异。同样，自平衡法的特点决定

30、了试桩在荷载箱处加载后，荷载箱附近土层的摩 阻力优于远离荷载箱土层摩阻力的发挥。荷载箱附近的桩侧摩阻力充分发挥达到 峰值，桩土相对位移较大。而桩顶和桩端位置竖向荷载大量衰减，桩侧摩阻力逐 渐较小，相对位移随之减少。整个试桩的平均桩侧摩阻力皆成弓形分布的趋势。4. 自平衡法同传统桩基测试法的对比目前工程普遍采用桩基础，且基础承载力要求不断朝更大方向发展，动辄上 千吨，这种大吨位承载力的基础给位于较复杂场地地区的基础设计带来极大难 度，需通过现场试验方能确定各岩土体参数，后方能确定桩基承载力。自平衡法 对于大吨位桩基载荷试验，对比堆载法、锚桩法、反力桩法及自平衡法，无论从 工期还是成本考虑，自平衡

31、方法无疑为更优选择：1）优势 传统堆载法需要大量的混凝土试块或者钢试块，对于场地条件、运输成本、 施工安全等因素限制较高。而自平衡法则只需要在桩内安设荷载箱和检测装置则 可以进行桩基检测。 锚桩法和反力桩法，需要设置专门的反力系统，并根据试桩吨位要求设置 大量锚桩或者反力桩，因此使成本大幅提升，实际工程往往难以承受。另外随着 试桩吨位的增大而要求的反力系统的刚度更大，工程有时也很难满足。2）缺陷 目前在理论上还存在一定程度上的不足，例如荷载箱埋设位置（平衡点位 置）选择，测算数据按照修正系数等效转换等问题的准确性，需在今后随着理论 与测试技术的进步不断得以改进与完善。 在自平衡法的工程实践应用

32、上，在方法上和施工环节中许多不足之处，例 如钻孔浇筑造成荷载箱处附近混凝土离析，桩底沉渣等问题。虽然自平衡法试验 环境要求比较简单，但是由于其加载位置是在桩基内部，且新的技术细节繁多， 一旦某个细节失误，就几乎没有补救的余地。 测试的桩基必须事先选定，对整批工程桩而言，缺乏随机性。自平衡法 尚无法准确测试桩的极限承载力，具有一定的局限性与适用性，应根据工程具体 情况慎重应用。5.总结及展望自平衡法测试桩基承载力技术最早应用在桥梁工程中，也最多的应用在桥梁 工程中。随着理论知识，国内施工技术和实验经验的积累，逐步扩展至建筑工程， 道路工程，水利工程等多个领域。测试试桩型式也由钻孔灌注桩扩展至各种

33、桩型。 自平衡技术由于其省时、省力、省钱的突出优势，以及场地适应性强的特点，越 来越受到业内人士的亲睐，具有广阔的发展前景。自平衡法并非一种测试桩基竖 向荷载的创新方法，其测试原理依然建立在传统桩基测试方法的基础之上，是传 统静载测试法的补充。自平衡法的可靠性已经由大大小小的工程实例所证明，但是理论上的缺陷和 施工技术的复杂性是自平衡技术推广起来的最大阻碍。在未来的一段时间内，最 直观的，自平衡法测试桩基承载力伴随着今后超大吨位桩的普遍使用，由于加载 量或桩径的限制，荷载箱的层数会由单层向多层发展。但除此以外，自平衡法在 许多环节还是依靠着经验性的指导。随着今后理论的完善，以及施工技术的发展，

34、 自平衡法必然会成为我们的桩基检测的一条切实有效的新道路。参考文献：1 蔡建中.自平衡法试桩技术的发展及应用J.中国市政工程.2013.62 李宏博，李佳莹.自平衡测桩法的适用性讨论J.辽宁省交通高等专科学报.2013.15(5)3 赵国光关于自平衡法基桩静载试验的几点思考J.天津建设科技.2014.244 杨立,张道修关于自平衡法中侧阻力修正系数的讨论J广东土木与建筑.2014.65 章勇，胡方健，孙万红南昌市朝阳大桥工程跨江主桥桩自平衡静载试验J.中国市政工 程.2014.46 陈锡锋.自平衡测试法在超长钻孔灌注桩承载力检测中的应用J.交通建设理.2014.47 黄芬，杨桦.自平衡法在十二

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