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专家智库丨朱小华:自平衡试桩法在工程中的应用



自平衡试桩法是将荷载箱与钢筋笼连接并放置于桩身任一部位或底部,通过荷载箱加载,测试桩侧土摩阻力与桩底土阻力,可确定单桩竖向抗压(拔)极限承载力。








自平衡试桩法


随着我国高层、超高层建筑物如雨后春笋般大量涌现,大吨位桩基础被广泛应用,静载荷试验作为桩基承载力检测最直接最可靠的方法,由于试验需要庞大、笨重的反力设备或堆载物,因此耗时长、成本高、风险大,难于适应市场发展的需求。

对于大直径大吨位的桩和大开挖的桩基工程,由于试验设备无法安装,静载试验难以进行;即使施工前进行试验桩试验,由于深基础开挖,有效桩长明显变化,试验桩的承载力并不能代表开挖后的桩承载力。于是自平衡试桩法由于省时、省力和简便,在国内不断被使用。

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荷载箱放置于桩身中


1、基本原理

利用荷载箱上段桩侧摩阻力与下段桩侧摩阻力、桩端阻力互为反力,进行自平衡法载荷试验测试。荷载箱由若干个千斤顶并联组合而成,中间穿芯,以便中间通过导管浇筑混凝土,如图1所示。此法适用于摩擦型的钻孔灌注桩。

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2、加载方式

加载应分级进行,采用逐级等量加载;分级荷载宜为最大加载量或预估极限承载力的1/10,其中第一级可取分级荷载的2倍。

3、沉降观察

每级荷载施加后按第5、15、30、45、60min测读沉降量,以后每隔30min测读一次。

4、试桩沉降稳定标准

一小时内的沉降量不超过0.1mm,并连续出现两次(从分级荷载施加后第30min开始,按1.5h连续三次每30min的沉降观测值计算),可视为稳定,可加下一级荷载。

5、终止加载

当出现下列现象之一时,可终止加载:

(1)某级荷载作用下,沉降量大于前一级荷载作用下沉降量的5倍;

(2)某级荷载作用下,沉降量大于前一级荷载作用下沉降量的2倍,且经24h尚未达到相对稳定标准;

(3)已达到设计要求的最大加载量;

(4)当荷载~沉降曲线呈缓变型时,可加载至总沉降量为60~80mm,在特殊情况下,根据具体要求,可加载至累计沉降量超过80 mm。

6、卸载与卸载位移观测

卸载应分级进行,每级卸载量取加载时分级荷载的2倍,逐级等量卸载。卸载时,每级荷载维持1h,按第15、30、60min测读沉降量后,即可卸下一级荷载;卸载至零后,应测读残余沉降量,维持时间为3h,测读时间为第15、30min,以后每隔30min测读一次。

7、单桩竖向抗压极限承载力的确定:

(1)根据位移随荷载变化的特征确定:对于陡变型Q~s曲线,取Q~s曲线发生明显陡变的起始点对应的荷载值;

(2)对于缓变型Q~s曲线可根据位移量确定,宜取s=40mm对应的荷载值;

(3)根据位移随时间变化的特征确定:取s~lgt曲线尾部出现明显向下(上)弯曲的前一级荷载值;

(4)当在某级荷载作用下,沉降量大于前一级荷载作用下沉降量的2倍,且经24h尚未达到相对稳定标准时,取前一级荷载值;

(5)当按上述四款判定承载力未达到极限时,取Qu上=Q和Qu下=Q。

(Qu上为上段桩的极限承载力值;Qu下为下段桩的极限承载力值。)

 (6)  分别求得上、下段桩的极限承载力Qu上、Qu下,然后考虑桩自重的影响,得出单桩竖向抗压极限承载力为Qu=(Qu上-W)/γ+ Qu下  式中:W为桩身自重;γ为桩侧抗拔-抗压阻力比,可取0.7~1。对于粘性土、粉土γ=0.8;对于砂土γ=0.7。当无当地经验时,应取高值。






荷载箱放置于桩底


1、基本原理

本地区一般称之为桩承载力自平衡法深层平板载荷试验,是将自平衡法和深层平板载荷试验相结合,利用桩侧摩阻力与桩端阻力互为反力,进行载荷试验测试,如图2。适用于桩径不小于800mm的端承型桩,尤其适用于桩端嵌岩的大吨位人工挖孔混凝土灌注桩。

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2、加载方式

加载应分级进行,采用逐级等量加载;分级荷载宜为最大加载量或预估极限承载力的1/10,其中第一级可取分级荷载的2倍。

3、沉降观察

每级荷载施加后按第5、15、30、45、60min测读沉降量,以后每隔30min测读一次。

4、试桩沉降稳定标准

一小时内的沉降量不超过0.1mm,并连续出现两次(从分级荷载施加后第30min开始,按1.5h连续三次每30min的沉降观测值计算),可视为稳定,可加下一级荷载。

5、终止加载

       当出现下列现象之一时,可终止加载:

(1) 某级荷载作用下,沉降量大于前一级荷载作用下沉降量的5倍;

(2) 某级荷载作用下,沉降量大于前一级荷载作用下沉降量的2倍,且经24h尚未达到相对稳定标准;

(3) 已达到设计要求的最大加载量;

(4) 当荷载~沉降曲线呈缓变型时,可加载至总沉降量为60~80mm,在特殊情况下,根据具体要求,可加载至累计沉降量超过80 mm。

6 、卸载与卸载位移观测

卸载应分级进行,每级卸载量取加载时分级荷载的2倍,逐级等量卸载。卸载时,每级荷载维持1h,按第15、30、60min测读沉降量后,即可卸下一级荷载;卸载至零后,应测读残余沉降量,维持时间为3h,测读时间为第15、30min,以后每隔30min测读一次。

7、承压板下持力层极限承载力值Qpu及极限抗拔力值Qsu可按下列方法综合分析确定:

(1)根据位移随荷载变化的特征确定:对于陡降(升)型Q~s曲线,取其发生明显陡降(升)起始点对应的荷载值;

(2)根据位移随时间变化的特征确定:取s~lgt曲线尾部出现明显向下(上)弯曲的前一级荷载值;

(3)当在某级荷载作用下,沉降量大于前一级荷载作用下沉降量的2倍,且经24h尚未达到相对稳定标准时,取前一级荷载值;

(4)对于缓变型Q~s曲线可根据位移量确定,宜取s=40mm对应的荷载值。

(5)当按上述四款判定承载力未达到极限时,取Qpu=Q或Qsu=Q。

8、桩的承载力推定:

(1)桩侧极限阻力(kN)的推定Qsk=(Qsu-W)/γ式中:Qsu为极限抗拔力值;W为桩身自重;γ为桩侧抗拔-抗压阻力比,可取0.7~1。对于粘性土、粉土γ=0.8;对于砂土γ=0.7。当无当地经验时,应取高值。

(2)持力层桩端阻力特征值(kPa)的推定qpa=Qpu/2A式中:A为承压板面积;Qpu为承压板下持力层极限承载力值。

(3)桩端极限阻力(kN)的推定Qpkp×qpa×Ap×2 式中:Ap为桩底扩大端面积;  ψp为大直径桩端阻力尺寸效应系数,按现行《建筑桩基技术规范》JGJ94-2008中相关规定取值。

(4)单桩竖向抗压极限承载力(kN)的推定Qu=Qsk+Qpk

(5)单桩竖向抗压承载力特征值(kN)的推定Ra=Qu/2





结论


 自平衡试桩法特别适用于传统静载试桩相对困难的水上试桩、坡上试桩、基坑底试桩、狭窄场地试桩等情况。

 桩承载力自平衡法深层平板载荷试验将自平衡法和深层平板载荷试验相结合,不仅可以确定大直径端承型灌注桩的桩端持力层阻力特征值,同时还可以评价桩侧极限侧阻力。

桩承载力自平衡法深层平板载荷试验适用于桩径不小于800mm的端承型桩,尤其适用于桩端嵌岩的大吨位人工挖孔混凝土灌注桩。

自平衡试桩结束后,将位移杆取出(若是位移丝则无需取出),然后沿位移套管进行压力注浆,从而对荷载箱内产生的空隙进行有效的充填,保证了试验桩作为工程桩的安全使用。

荷载箱放置于桩身中与放置于桩底时,计算单桩极限承载力是不同的,应根据具体情况选用相应的判别方法和计算公式。


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