桩基荷载箱--承载力自平衡测试法

桩基承载力自平衡测试法荷载箱

摘要：论文介绍了桩基承载力自平衡测试法的原理及荷载箱所存在的问题，指出改进的囊式荷载箱的优点，同时介绍了以自平衡法原理为基础的自平衡法深层平板载荷试验、通莫静载试验法，以及桩顶加载自锚式测试法的基本原理和各种试验方法采用的荷载箱，并指出各种荷载箱的优缺点；最后提出了桩基承载力自平衡测试法荷载箱的一些改进设想。

关键词：自平衡试桩法；荷载箱；施工工艺

1 引言

人类超过随着大型桥梁、超高层建筑等的飞速发展，桩基施工工艺水平的不断提高，以及机具设备的不断改进，大吨位大直径钻孔灌注桩的采用越来越广泛。我国在桩基工程中存在着严重的浪费现象，最主要的原因是没有充分发挥桩的承载力，加之桩基的承载力对桩、乃至整个结构的安全性都起着至关重要的作用。受测试原理及设备的制约，传统的测试方法（静载试验、高应变动力检测等）难以满足大直径桩承载力测试的要求。因此，基桩承载力自平衡测试法便应运而生，并且随着自平衡测试法的不断发展，自平衡法深层平板载荷试验、通莫静载试验，及桩顶加载自锚式测试法也随之诞生。对于自平衡测桩法，其核心就是在桩基内部对桩体分别加载，以间接的方法地得出桩基直接承载时的性能，因此，荷载箱作为必不可少的、埋设在地表以下的关键加载部件，其技术要求比传统试验中千斤顶要高得多，技术难度也大得多。荷载箱的性能，将直接影响试验成功率、试验准确性、桩基试验后承载能力、试验安全性、试验成本等试验结果[1-5]。

2 自平衡测试技术原理简介和荷载箱

2.1 自平衡测试技术原理

通过自平衡测试法是利用试桩自身反力平衡的原则，将一个特制的液压荷载箱埋在桩端附近或桩身某截面处，待混凝土达到一定强度后，通过对荷载箱内腔施加压力，箱顶和箱底被推开，荷载箱以下桩将产生端阻和向上的侧阻以抵抗桩向下的位移，同时荷载箱以上桩将产生向下的侧阻以抵抗桩向上的位移，上下桩段的反力大小相等、方向相反，从而达到试桩自身反力平衡加载的目的。荷载箱施加的压力可通过预先标定的油泵压力表测得，荷载箱顶底板的位移可通过预先设置的位移杆，用位移传感器测得。由此可测得上下桩段两条 Q～S曲线及相应的S～lgt 曲线，采用合理的测试数据等效转换方法和承载力确定方法，即可确定基桩的极限承载力、桩侧、桩端阻力分担情[6-10]。

2.2 自平衡法荷载箱与改进的囊式荷载箱

2.2.1 传统荷载箱

对于自平衡测桩法，其荷载箱上下承压板用普通低碳钢板制作，中间与千斤顶用高强螺栓连接。在测试过程中承压板易产生较大变形而影响测试精度；且荷载箱重量都在 1000kg以上，实际操作中安装很不方便；荷载箱的上、下平板会导致施工时浮浆，这些会影响桩的测试结果精度、成型及完整性。位移采用位移杆测量，当测量距离较大时，会影响精度。且位移杆采用普通低碳钢筋制作，在检测长桩时易发生弯曲变形，会影响位移传递的准确性[11-15]。

2.2.2 囊式荷载箱

针对自平衡测试法荷载箱存在的问题，囊式荷载箱采用嵌入式加载结构，加载时，荷载箱缸体和活塞筒分别与上、下桩体刚性连接，并始终相互咬合。其效果，相当于上、下部桩体始终咬合在一起。显而易见，在荷载箱部位补浆后，这种设计结构将极大地提高工程桩的实际承载能力和使用安全性。而传统的荷载箱，桩体的上下部分是被上、下底板远远隔开、始终分离的。囊式荷载箱的每个压力单元的上下两个端面都可以安装圆锥形状的导流体，可以将灌注时上浮的浮浆完全引导通过，从而保证试验准确性和桩基安全性。囊式荷载箱一般在 15～20MPa 压强下即可满足试验吨位，这样可以降低试验装备的费用，提高试验的成功率，并有效地降低现场安全隐患。对于较大吨位的桩基，囊式荷载箱采用中心对称式分立布置的多个压力单元。各压力单元的加载端面面积总和占桩基截面积约 45～50％，压力单元中心留有一定的灌注管空间，各压力单元之间有足够的空间用于安排布置其他工艺和试验项目所需的管路通过，各压力单元的加载端面对桩体截面施压压力与内部压强大体相当，一般约为 15～20MPa，加之在桩体的受压接触面附近布置较为密集的加强筋，使得桩体可以完全避免因受载应力中而破坏。加载试验后，囊式荷载箱未占用的桩体空间，有利于随后补桩灌注浆液顺利流通，充满空间任何角落。补桩后桩体的截面形状为一花心状，整体抗压稳定性好，最小承压截面面积大于桩基截面积的一半，从而完全能够保证试验后桩基用于实际工程。

目前囊式荷载箱常用的位移测量方法有两种：位移杆和位移丝。位移杆，地面数据读取机构比较简单；但测量距离长时，精度较差。位移丝，地面数据读取机构较为复杂，需用定滑轮机构；但长距离测量时，精度较高。具体采用那种方法，一般由测量距离确定。测量点距离地面小于10 米时，适宜采用位移杆；测距大于10 米时，宜采用位移丝。

3 通莫静载试验原理简介及通莫荷载箱

3.1 通莫静载试验原理

通莫静载试验的原理与自平衡测试法差不多，是将一种特制的加载装置——通莫荷载箱，在混凝土浇注之前和钢筋笼一起埋入桩内相应的位置，将加载箱的加压管以及所需的其他测试装置从桩体引到地面，然后灌注成桩。试验时，从桩顶通过高压油管对荷载箱内腔施加压力，箱顶与箱底被推开，产生向上与向下的推力，并传递到桩身，从而调动桩周土的侧阻力与端阻力,进行加载。由于桩体自成反力，我们将得到相当于两个静载试验的数据，反向加载时上部分桩体的相应反应系列参数和正向加载时下部分桩体的相应反应参数。通过对加载力与这些参数之间关系的计算和分析，不仅可以获得桩基承载力，而且可以获得每层土层的侧阻系数、桩的

侧阻、桩端承力等一系列数据。

3.2 通莫荷载箱

通莫荷载箱采用特殊压力增强设计，液压系统不用高压。荷载箱的整体结构考虑浮浆导流，避免桩底浮渣沉积在荷载箱底部。采用封闭式荷载箱，周边留有足够空隙，试验完成后对荷载箱能进行完整补浆，保证补浆截面的连续性。不直接检测荷载箱上下面的位移，而是检测荷载箱上下若干距离的桩体位移，这样能体现桩被加载后的真实位移。传统荷载箱是采用上下钢板内夹并联油缸的方式，可能造成荷载箱下底面混凝土局部强度不够，导致混凝土被挤碎，检测结果不准确，并会对工程处桩留下隐患。

4 自平衡法深层平板载荷试验原理简介及整体轮辐式荷载箱

4.1 自平衡法深层平板载荷试验原理

为避免自平衡测试法中平衡点位置难以确定的问题，将自平衡试桩法和深层平板载荷试验相结合，为模拟大直径端承桩的实际工作条件，自平衡法深层平板载荷试验便诞生。该法将荷载箱位置由桩身下部移至桩底部，浇筑桩身混凝土后，利用荷载箱上端的桩侧阻力和下端的桩端阻力进行互为反力的载荷试验，以此得到桩侧阻力-桩身位移、桩端阻力-桩端位移变化曲线。根据测试结果对桩端竖向极限承载力和桩侧阻力等进行推定[16, 17]。

4.2 整体轮辐式荷载箱

决定自平衡法深层平板载荷测试结果的准确性和精度的核心问题即在于荷载箱及位移测试系统。整体轮辐式荷载箱下承压板与油缸整体铸造，辐射状加强筋连接，上承压板为整体辐射状加强筋结构。采用这种方案制作的荷载箱，结构紧凑，强度高，在满足试验要求的前提下重量仅为传统荷载箱的 40%，施工时安装方便。采用位移丝测试系统来测试荷载箱承压板的位移。荷载及位移传递系统由高压油管、位移丝护管及位移丝组成。高压油管由荷载箱通至地面，与高压油泵相连；上、下位移丝护管各两根，选用内径不小于 30mm的钢管，对焊垂直连接，为防止水泥浆漏入护管，连接部位不得有孔洞、缝隙等缺陷。位移丝护管顶部通至自然地面，底部与荷载箱上承压板用螺纹对接器连接，并固定于桩身钢筋笼上。传统位移杆测试系统中的位移杆通常采用普通低碳钢筋，在检测 10m 以上的长桩时易发生弯曲变形，桩长越长变形量越大，与位移护管互相摩擦，会对位移传递的准确性造成较大影响。

5 桩顶加载自锚式测试法原理简介及荷载箱

5.1 桩顶加载自锚式测试法原理

桩顶加载自锚式测试法是针对测试大直径桩竖向承载力，借鉴自平衡测试法的优点，克服其缺点而研究出来的一种新型测试法。该方法将荷载箱移至桩顶，通过隔离装置将待测大直径桩分为受拉管桩和受压桩加载，较之自平衡测桩法，无需一次性荷载箱，平衡点选择简单可靠。试桩用作工程桩更可靠，不会因管路损坏导致试验无法进行，与静载试验和工程桩的工作机制