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摘要：自平衡试桩法是通过埋置于桩身中的荷载箱施加荷载的一种新型静载试验方法。根据设计要求, 将荷载箱埋置于桩身特定位置, 通过分析加载力与位移之间的关系，从而推断出桩基承载力。
关键词：自平衡；荷载箱；试验加载；结果分析
Abstract: since the balance of test pile method is through the buried in the pile body load container load of a new type of static load test method. According to design requirements, the load box buried in a particular location of pile, by analyzing the relationship between the force and displacement loading, thus infer the bearing capacity of pile foundation.
Key words: the balance; Load cases; Test load; Results analysis.
中图分类号：TU473.1+1文献标识码：A文章编号：2095-2104（2013）
1.引言
目前随着我国高层建筑以及桥梁工程建设的增多，大承载力的混凝土桩基得到了广泛的应用，由此桩基大承载力的检测引起了越来越多的人们的注意。在桩基大承载力的测试理论和测试方法研究上，国内外都是近几年刚刚起步。美国在80年代中期开展了桩承载力自平衡试验方法的研究，国内近几年也开展了此方法的理论研究和现场实践，并取得了良好的社会效益和经济效益。该方法具有试验装置简单； 可直接测得端阻和侧阻； 经过处理后，试桩仍可用做工程桩等特点，目前被较为广泛地采用。
2.检测原理
桩承载力自平衡试验方法是在桩端附近安装荷载箱，荷载箱由油压千斤顶、顶盖、底盖、箱盖及进出油管等组成，在上下顶盖布置位移测量装置，然后沿垂直方向加载，即可同时测得桩端阻力和桩侧摩阻力以及上下顶盖的位移值，从而得到桩在不同深度的应变或轴力。通过桩的应变和断面刚度，可以计算出轴力分布，进而求出不同深度的桩侧摩阻力，应用桩侧摩阻力与变位量的关系、荷载箱加载力与向下变位量的关系，通过荷载传递解析方法，可求得桩头荷载对应的荷载-沉降关系。由此可以判断出桩的承载力等。
3.工程概况
黔中水利枢纽一期工程总干渠高大跨渡槽C2标由河沟头、焦家2座渡槽组成。河沟头渡槽进口为总干25+717，出口为总干26+656.7，长939.7m；焦家渡槽进口为总干44+900，出口为总干46+080，长1180m。焦家渡槽刚构墩共有36根桩基，桩径φ2000mm，桩长最长40m。
经设计单位及业主要求需对焦家渡槽GG3-1#樁基进行自平衡承载力检测。GG3-1#桩基采用人工挖孔桩，桩径2.0米，桩深30米。
4．检测过程
4.1安装准备
荷载箱位于桩底8.5m处。钢筋笼分上、下两部分（荷载箱以下为8.2m，荷载箱以上为22.85m），将荷载箱与钢筋笼组装焊接。为保证荷载箱与钢筋笼直接连接牢固，采用L筋搭接焊。
制作钢筋笼时，荷载箱上、下各2m处，箍筋密度加密一倍。
将钢筋应力计焊接在钢筋笼相应的位置（位置根据实际地质情况确定），共9组，36根。钢筋应力计需固定在钢筋笼主筋内侧。在钢筋应力计焊接固定过程中，注意对钢筋应力计采取降温措施（例如用沾水棉絮包裹），防止应力计由于焊接过程中产生的高温烧坏。
安装各种管线（导线、液压油管）等，并将相应管线绑扎固定在钢筋上。
安装测量荷载箱顶底板位移的位移杆和套管，位移杆伸出桩顶0.5m。套管必须焊接牢固，防止灌注桩基混凝土时，套管内渗漏水泥浆，影响检测数据准确性。
在荷载箱的导线口处，采用破毛巾或棉絮进行封堵，防止导线在浇筑过程中被拉断。
4.2灌注桩基混凝土
灌注混凝土前检测人员需对所有荷载箱各种管线（导线、液压油管）及荷载箱千斤顶进行检查校对，确定功能正常。
在灌注过程中，灌注至荷载箱以下2m时，应适当减慢灌注流量和灌注管提升速度；待灌注至荷载箱上2m时方可恢复正常灌注速度。
4.3实验前准备工作
4.3.1搭设工作棚
由于实验加载时，需要用百分表测量荷载箱顶面、底面及桩头位移，精度较高，且测量预埋钢筋应力计数据仪器需防水。在实验加载前，需对桩基附近搭设工作棚，作防风防雨用。
4.3.2安装横梁
测量荷载箱顶面、底面及桩头位移，百分表需要相对稳定参照物。从地面搭设钢管，采用槽钢作为横梁将百分表放在其上。
4.4试验加载
4.4.1试验加载方式
采用慢速维持荷载法，即逐级加载，每级荷载达到相对稳定后方可加下一级荷载，直到2倍承载力特征值，然后分级卸载到零。
4.4.2加卸载与位移轴力观测
4.4.2.1加载分级：每级加载为预估极限荷载的1/10~1/15，第一级可按2倍分级荷载加荷。
4.4.2.2位移轴力观测：每级加载后在第1h内应在5、15、30、45、60（min）测度一次，以后每隔30min测读一次，每次测读值记入试验记录表。
4.4.2.3位移相对稳定标准：每一小时的位移不超过0.1mm并连续出现两次（由1.5内连续三次观测值计算），认定已达到相对稳定，可加下一级荷载。
4.4.2.4终止加载条件：当出现下列情况之一时，即可终止加载。
（1）已达到极限加载值；
（2）某级荷载作用下，桩的位移量为前一级荷载作用下位移量的5倍；
（3）某级荷载作用下，桩的位移量大于前一级荷载作用下位移量的2倍，且经24h尚未达到相对稳定；
（4）累计上拔量超过100mm。
4.4.2.4卸载与卸载位移轴力观测：每级卸载值为每级加载值的2倍。每级卸载后隔15min测读一次残余沉降、桩身残余应力，读两次后，隔30min再读一次，即可卸下一级荷载，全部卸载后，隔3~4h再读一次。
5.承载力评定标准
5.1 试验成果评述
在各级荷载作用下，试桩的静载试验原始记录汇总成附表。根据试验结果编绘的曲线见下图。
（1）根据位移随荷载的变化特征确定极限承载力，对于陡变型Q- S 曲线取Q- S 曲线发生明显陡变的起始点。
（2）对缓变形Q- S 曲线，按位移值确定极限值，极限侧阻取对应于向上位移S 上=40mm~60mm对应的荷载; 极限端阻取S下=40mm~60mm 对应荷载，或大直径的S 下＝（0.03～0.06）D（D为桩端直径，大桩径取低值，小桩径取高值）的对应荷载。
（3）根据位移随时间的变化特征确定极限承载力，下段桩取S- lgt 曲线尾部出现明显向下弯曲的前一级荷载值，上段桩取S- lgt 曲线尾部出现显向上弯曲的前一级荷载值。
（4）分别求得上、下段桩的极限承载力Qu 上、Qu 下，然后考虑桩自重影响，得出单桩竖向抗压极限承载力为：
Qu=k（Qu 上-W）+Qu 下
式中：W—荷载箱上部桩自重；转换系数取1.25~1.4。
5.2 承载力评述
根据上述的评定标准及公式，综合判定试桩的单桩竖向极限承载力参数如下表所示。
6.自平衡结果分析
据Q～S 曲线可以确定极限荷载和极限沉降量以及不同荷载时的沉降量。从荷载传递机理的角度分析，桩底托桩的承载特性与桩顶压桩的承载特性显然是不同的，具体表现在以下4个方面：①桩底托桩和桩顶压桩两种加载方式下，桩周土的应力状态是完全不同的。根据一些学者的试验研究，桩顶压桩时桩周土的应力状态近似于常规三轴排水压缩试验时土体单元的应力路径;而桩底托桩时桩周土单元的应力路径则与三轴排水伸长试验的应力路径相似，即平均主应力减小，偏应力增加。②桩底托桩过程中，桩顶部存在临空面，使得托桩的摩阻力下降较多;而桩顶压桩时，由于桩端土层对下部土的约束加强作用，压桩时摩阻力下降较小。③桩顶压桩时，在荷载作用下桩身产生弹性压缩，桩身侧向膨胀，使得桩周土体中径向应力增大，通常认为摩阻力(为摩擦角)，于是引起桩侧摩阻力的增加。由于临空面的存在，使得桩底托桩时桩侧摩阻力的增加较小。所以，压桩的正侧摩阻力一定大于托桩的负侧摩阻力。④从受力力学机理分析，托桩的承载力由负侧摩阻力和桩身有效自重组成，而压桩的承载力由正桩侧摩阻力和桩端阻力组成。综合托桩的受力特点，其破坏形式更接近于摩擦形式。
7.结论
GG3-1# 试桩在最大试验荷载作用下，Q- S 曲线呈缓变型，位移量小于40mm；S- lgt 曲线沉降间隔逐级增大，最后一级曲线未下弯。根据规范，其单桩竖向抗压极限承载力取值为35077KN满足要求。
8.结束语
迄今为止，桩的静载试验是确定单桩承载力最可靠的方法，单桩承载力越高，对静载荷试验的堆载或反力系统的能力的要求也越高，而且使试验费用急剧增加；对大直径桩，其承载力很高，传统的静载试验往往无法得到准确的承载力数据。桩径变大使承載力提高的同时也给桩的荷载试验带来了困难。一种简便、易行、经济的且能给出完整的静载试验结果的测试方法———自平衡静载试验法，取得了良好的试验效果。
参考文献
[1]《基桩静载试验——自平衡法》 中华人民共和国交通行业标准JT/T 738-2009
[2]《公路桥涵地基与基础设计规范》中华人民共和国行业标准JTG D63-2007
[3]《建筑桩基技术规范》（JGJ94-2008）
[4]《基桩自平衡法静载试验技术规程》（DGJ32/TJ77-2009）江苏省工程建设标准
关键词：自平衡；荷载箱；试验加载；结果分析
Abstract: since the balance of test pile method is through the buried in the pile body load container load of a new type of static load test method. According to design requirements, the load box buried in a particular location of pile, by analyzing the relationship between the force and displacement loading, thus infer the bearing capacity of pile foundation.
Key words: the balance; Load cases; Test load; Results analysis.
中图分类号：TU473.1+1文献标识码：A文章编号：2095-2104（2013）
1.引言
目前随着我国高层建筑以及桥梁工程建设的增多，大承载力的混凝土桩基得到了广泛的应用，由此桩基大承载力的检测引起了越来越多的人们的注意。在桩基大承载力的测试理论和测试方法研究上，国内外都是近几年刚刚起步。美国在80年代中期开展了桩承载力自平衡试验方法的研究，国内近几年也开展了此方法的理论研究和现场实践，并取得了良好的社会效益和经济效益。该方法具有试验装置简单； 可直接测得端阻和侧阻； 经过处理后，试桩仍可用做工程桩等特点，目前被较为广泛地采用。
2.检测原理
桩承载力自平衡试验方法是在桩端附近安装荷载箱，荷载箱由油压千斤顶、顶盖、底盖、箱盖及进出油管等组成，在上下顶盖布置位移测量装置，然后沿垂直方向加载，即可同时测得桩端阻力和桩侧摩阻力以及上下顶盖的位移值，从而得到桩在不同深度的应变或轴力。通过桩的应变和断面刚度，可以计算出轴力分布，进而求出不同深度的桩侧摩阻力，应用桩侧摩阻力与变位量的关系、荷载箱加载力与向下变位量的关系，通过荷载传递解析方法，可求得桩头荷载对应的荷载-沉降关系。由此可以判断出桩的承载力等。
3.工程概况
黔中水利枢纽一期工程总干渠高大跨渡槽C2标由河沟头、焦家2座渡槽组成。河沟头渡槽进口为总干25+717，出口为总干26+656.7，长939.7m；焦家渡槽进口为总干44+900，出口为总干46+080，长1180m。焦家渡槽刚构墩共有36根桩基，桩径φ2000mm，桩长最长40m。
经设计单位及业主要求需对焦家渡槽GG3-1#樁基进行自平衡承载力检测。GG3-1#桩基采用人工挖孔桩，桩径2.0米，桩深30米。
4．检测过程
4.1安装准备
荷载箱位于桩底8.5m处。钢筋笼分上、下两部分（荷载箱以下为8.2m，荷载箱以上为22.85m），将荷载箱与钢筋笼组装焊接。为保证荷载箱与钢筋笼直接连接牢固，采用L筋搭接焊。
制作钢筋笼时，荷载箱上、下各2m处，箍筋密度加密一倍。
将钢筋应力计焊接在钢筋笼相应的位置（位置根据实际地质情况确定），共9组，36根。钢筋应力计需固定在钢筋笼主筋内侧。在钢筋应力计焊接固定过程中，注意对钢筋应力计采取降温措施（例如用沾水棉絮包裹），防止应力计由于焊接过程中产生的高温烧坏。
安装各种管线（导线、液压油管）等，并将相应管线绑扎固定在钢筋上。
安装测量荷载箱顶底板位移的位移杆和套管，位移杆伸出桩顶0.5m。套管必须焊接牢固，防止灌注桩基混凝土时，套管内渗漏水泥浆，影响检测数据准确性。
在荷载箱的导线口处，采用破毛巾或棉絮进行封堵，防止导线在浇筑过程中被拉断。
4.2灌注桩基混凝土
灌注混凝土前检测人员需对所有荷载箱各种管线（导线、液压油管）及荷载箱千斤顶进行检查校对，确定功能正常。
在灌注过程中，灌注至荷载箱以下2m时，应适当减慢灌注流量和灌注管提升速度；待灌注至荷载箱上2m时方可恢复正常灌注速度。
4.3实验前准备工作
4.3.1搭设工作棚
由于实验加载时，需要用百分表测量荷载箱顶面、底面及桩头位移，精度较高，且测量预埋钢筋应力计数据仪器需防水。在实验加载前，需对桩基附近搭设工作棚，作防风防雨用。
4.3.2安装横梁
测量荷载箱顶面、底面及桩头位移，百分表需要相对稳定参照物。从地面搭设钢管，采用槽钢作为横梁将百分表放在其上。
4.4试验加载
4.4.1试验加载方式
采用慢速维持荷载法，即逐级加载，每级荷载达到相对稳定后方可加下一级荷载，直到2倍承载力特征值，然后分级卸载到零。
4.4.2加卸载与位移轴力观测
4.4.2.1加载分级：每级加载为预估极限荷载的1/10~1/15，第一级可按2倍分级荷载加荷。
4.4.2.2位移轴力观测：每级加载后在第1h内应在5、15、30、45、60（min）测度一次，以后每隔30min测读一次，每次测读值记入试验记录表。
4.4.2.3位移相对稳定标准：每一小时的位移不超过0.1mm并连续出现两次（由1.5内连续三次观测值计算），认定已达到相对稳定，可加下一级荷载。
4.4.2.4终止加载条件：当出现下列情况之一时，即可终止加载。
（1）已达到极限加载值；
（2）某级荷载作用下，桩的位移量为前一级荷载作用下位移量的5倍；
（3）某级荷载作用下，桩的位移量大于前一级荷载作用下位移量的2倍，且经24h尚未达到相对稳定；
（4）累计上拔量超过100mm。
4.4.2.4卸载与卸载位移轴力观测：每级卸载值为每级加载值的2倍。每级卸载后隔15min测读一次残余沉降、桩身残余应力，读两次后，隔30min再读一次，即可卸下一级荷载，全部卸载后，隔3~4h再读一次。
5.承载力评定标准
5.1 试验成果评述
在各级荷载作用下，试桩的静载试验原始记录汇总成附表。根据试验结果编绘的曲线见下图。
（1）根据位移随荷载的变化特征确定极限承载力，对于陡变型Q- S 曲线取Q- S 曲线发生明显陡变的起始点。
（2）对缓变形Q- S 曲线，按位移值确定极限值，极限侧阻取对应于向上位移S 上=40mm~60mm对应的荷载; 极限端阻取S下=40mm~60mm 对应荷载，或大直径的S 下＝（0.03～0.06）D（D为桩端直径，大桩径取低值，小桩径取高值）的对应荷载。
（3）根据位移随时间的变化特征确定极限承载力，下段桩取S- lgt 曲线尾部出现明显向下弯曲的前一级荷载值，上段桩取S- lgt 曲线尾部出现显向上弯曲的前一级荷载值。
（4）分别求得上、下段桩的极限承载力Qu 上、Qu 下，然后考虑桩自重影响，得出单桩竖向抗压极限承载力为：
Qu=k（Qu 上-W）+Qu 下
式中：W—荷载箱上部桩自重；转换系数取1.25~1.4。
5.2 承载力评述
根据上述的评定标准及公式，综合判定试桩的单桩竖向极限承载力参数如下表所示。
6.自平衡结果分析
据Q～S 曲线可以确定极限荷载和极限沉降量以及不同荷载时的沉降量。从荷载传递机理的角度分析，桩底托桩的承载特性与桩顶压桩的承载特性显然是不同的，具体表现在以下4个方面：①桩底托桩和桩顶压桩两种加载方式下，桩周土的应力状态是完全不同的。根据一些学者的试验研究，桩顶压桩时桩周土的应力状态近似于常规三轴排水压缩试验时土体单元的应力路径;而桩底托桩时桩周土单元的应力路径则与三轴排水伸长试验的应力路径相似，即平均主应力减小，偏应力增加。②桩底托桩过程中，桩顶部存在临空面，使得托桩的摩阻力下降较多;而桩顶压桩时，由于桩端土层对下部土的约束加强作用，压桩时摩阻力下降较小。③桩顶压桩时，在荷载作用下桩身产生弹性压缩，桩身侧向膨胀，使得桩周土体中径向应力增大，通常认为摩阻力(为摩擦角)，于是引起桩侧摩阻力的增加。由于临空面的存在，使得桩底托桩时桩侧摩阻力的增加较小。所以，压桩的正侧摩阻力一定大于托桩的负侧摩阻力。④从受力力学机理分析，托桩的承载力由负侧摩阻力和桩身有效自重组成，而压桩的承载力由正桩侧摩阻力和桩端阻力组成。综合托桩的受力特点，其破坏形式更接近于摩擦形式。
7.结论
GG3-1# 试桩在最大试验荷载作用下，Q- S 曲线呈缓变型，位移量小于40mm；S- lgt 曲线沉降间隔逐级增大，最后一级曲线未下弯。根据规范，其单桩竖向抗压极限承载力取值为35077KN满足要求。
8.结束语
迄今为止，桩的静载试验是确定单桩承载力最可靠的方法，单桩承载力越高，对静载荷试验的堆载或反力系统的能力的要求也越高，而且使试验费用急剧增加；对大直径桩，其承载力很高，传统的静载试验往往无法得到准确的承载力数据。桩径变大使承載力提高的同时也给桩的荷载试验带来了困难。一种简便、易行、经济的且能给出完整的静载试验结果的测试方法———自平衡静载试验法，取得了良好的试验效果。
参考文献
[1]《基桩静载试验——自平衡法》 中华人民共和国交通行业标准JT/T 738-2009
[2]《公路桥涵地基与基础设计规范》中华人民共和国行业标准JTG D63-2007
[3]《建筑桩基技术规范》（JGJ94-2008）
[4]《基桩自平衡法静载试验技术规程》（DGJ32/TJ77-2009）江苏省工程建设标准