首页 > 论文范文 > 工程工业论文 > 建筑工程论文 > 建筑基础科学论文 > 自平衡法静载试验在大直径桩基检测中的应用研究

自平衡法静载试验在大直径桩基检测中的应用研究

2024-11-11 92 上传者：管理员

摘要：桩基承载力检测是评估桩基的承载能力和稳定性的关键过程，自平衡法静载试验是大直径桩基检测中最常采用的方法之一。本文在对自平衡法检测技术进行介绍的基础上，从实际案例出发，比选出自平衡法作为大直径桩基承载力检测的方案，整理和归纳自平衡法的相关技术、试验情况和数据的分析处理，得出大直径桩基的最终极限承载力，可以为类似项目的大直径桩基承载力检测方案制定提供依据。

关键词：
极限承载力
桩基检测
桩基础
自平衡
静载试验
加入收藏

桩基础在建筑工程中具有重要的地位和作用[1]。桩基的应用可以为建筑物提供坚固的基础支撑，增强结构的承载能力，控制地基变形，提升抗震性能，并适应各种复杂地质条件[2]。随着施工技术的不断优化和改进，桩基的应用领域已逐步扩展到地质条件复杂、环境条件苛刻的施工区域。这种扩展使得各种类型的创新桩型和工艺技术应运而生，为高层建筑、深水码头以及海上石油平台等项目提供了多样化的工程解决方案。桩基工程是现代房屋建筑中广泛采用的一种施工形式，它承担着将建筑物的结构与地基之间紧密连接的重要任务[3]。桩基工程的质量直接影响着建筑物的安全性和稳定性[4-5]。如果桩基工程存在质量问题，例如桩的承载能力不足、桩身强度不够或桩身出现病害等，将导致建筑物的结构不稳定，增加建筑物倾斜、沉降甚至塌陷的风险。这不仅会影响建筑物的使用寿命，还可能对人员和财产安全造成潜在威胁。

目前，国内外在评估桩基承载力时常采用静荷载试验作为主要的检测手段。堆载法静载荷试验是一种经典的静荷载方法，通过在基桩顶部施加垂直荷载，并监测其变形与响应，从而能够反推基桩的承载力[6]。然而，堆载法静载荷试验在实际应用中存在一些限制与困难。对于大直径或大吨位的基桩，施加足够大的静载荷有时会非常困难。甚至在某些情况下，由于场地限制或其他特殊条件，无法提供堆载反力，使得堆载法无法有效进行。因此，对于检测人员来说，寻找一种适用范围更广、工作效率更高的检测方法已成为重要的研究方向[7]。桩基承载力自平衡法静载检测不仅能够弥补传统检测方法的不足，而且桩基检测中具有适用范围更广、准确性更高、操作简单和检测效率更高的优势。本文以某项目工程实例为依托，针对某大型公共建筑的大直径、大吨位的钻孔灌注桩的承载力检测进行应用分析，为类似项目检测方案的制定提供依据。

1、检测原理

桩基承载力自平衡法静载检测是基于施加荷载与桩变形之间的平衡，并通过测量桩身的变形与响应确定桩基的承载能力。使用液压千斤顶将已知的竖向荷载施加在桩上，通常作用在桩顶部位。当桩基受到所施加的荷载时，桩变形并在桩内产生阻力。桩达到自平衡状态，即内部阻力和施加的载荷处于平衡状态，这种平衡反映了桩的承载能力。一般情况下，通过施加油压力对荷载箱进行变位，触发桩周土和桩端土的阻力，随着施加荷载的逐渐增加，最终导致试桩破坏。根据试验结果，可以计算出桩的承载力，包括侧摩阻力和端阻力的贡献。桩基自平衡加载受力状态如图1所示。

自平衡试验所需的设备主要是特殊设计的液压千斤顶，也可称为荷载箱，荷载箱可以是一次性的，亦可是可重复利用的，通常在预制桩中使用可重复利用的荷载箱。在试验前，需要确定一个适当的平衡点，然后将荷载箱放置在该位置。通过高压油泵施加压力，在荷载箱中产生上下两个方向的压力，上方产生推力下方产生压力，桩体与土壤之间的阻力会逐渐增大，直到桩体破坏为止。该试验设备操作简单，施工和检测相对容易。自平衡检测系统如图2所示。

图1 自平衡法加载时的受力状态

图2 自平衡检测系统

2、检测方法的比较与选择

钻孔灌注桩常用的检测方法一般包括两大类，一类是桩身完整性检测，另外一类是静载试验。其中，桩身完整性检测方法主要关注钻孔灌注桩的结构完整性、质量和缺陷，包括低应变反射波法、超声波透射法和钻芯取样法等；静载试验主要用于评估钻孔灌注桩的承载能力，包括高应变动力试桩法和自平衡静荷载试验法等。

钻芯取样法可以通过观察芯样直观了解混凝土的质量和性能。对芯样进行实验室测试，可以得到混凝土的强度参数，从而评估桩身的强度。钻芯取样法提供的结果通常是直观、清晰且可靠的，可以为工程决策提供准确的依据[8]。然而钻芯取样法只能反映采样部位的混凝土质量，对整个桩身的质量情况了解有限。由于钻芯取样是小范围的局部采样，对于可能存在的结构缺陷或问题无法全面检测。而且进行钻芯取样需要使用专门的设备，设备体积较大，价格较高，增加了检测的成本。因此，钻芯取样法的性价比相对较低，并不适用于大型桩基检测工程。

超声波透射法是一种非破坏性检测技术，适用于许多应用领域。在超声波透射法桩基检测中，利用超声波在桩基内部的传播速度和反射特性来判断桩体的结构和质量[9]。一般情况下，超声波传感器被放置在桩顶或桩侧，通过发射和接收超声波信号来识别桩体内部的缺陷、裂纹或其他结构异常。超声波技术可以提供高分辨率的图像和数据，使得检测人员能够准确地观察和定位缺陷或问题。同时，能够实时地采集和显示数据，使得操作人员可以快速获得反馈和决策。然而，超声波透射法的检测深度和范围受到超声波的频率和功率的影响，对于较长或较大的桩体，可能需要更高能量的超声波，从而限制了透射法的应用。因此，对于大直径桩基检测工程并不适宜采用超声波透射法检测。

低应变桩基检测法是一种常用的非破坏性桩基检测方法，通过在桩顶施加低应变冲击或震动，并测量桩体的响应信号，评估桩基的完整性和质量[10]。低应变桩基检测法的基本原理是利用桩体的动力响应特性来推断桩内部的结构和质量。在测试过程中，通过在桩顶施加低应变冲击或震动产生的弹性波信号，测量桩体上的应变、压力、速度等自由场动力响应参数。然后，通过分析和比较这些参数的变化情况，以推断桩体是否存在质量问题。然而，低应变桩基检测法只能提供桩基的完整性评估结果，无法直接定量评估桩基的质量，而且，主要适用于嵌入桩体，对于挤入桩等其他类型的桩基应用有一定限制。因此，低应变桩基检测法不适用于桩基承载力的检测。

桩基静荷载堆载法是一种用于评估桩基承载力的常用方法。桩基静荷载堆载法是根据桩体受到荷载后的变形和应力分布情况，推断桩基的承载能力和变形特性。在测试过程中，静荷载会施加在桩顶，可以通过重锤加重物、液压缸或水压等方式施加。同时，需要在桩身上放置应变计、位移传感器等测量设备，以监测桩体的变形和应力响应。然而，桩基静荷载堆载法对现场环境和条件要求较高，检测过程中需要有足够的工作空间和操作平台，成本较高，以及适当的设备和技术支持。因此，桩基静荷载堆载法不适用于所研究工程项目的桩基承载力检测。

自平衡桩基检测法具有非破坏性、实时监测和广泛适用性等优点。自平衡桩基检测法通过施加荷载并测量桩身上的位移响应，进而推断桩基的承载力特性。自平衡桩基检测法无需对桩身进行任何破坏性处理，可以在不干扰桩基完整性的情况下进行检测。该方法可以实时测量桩身上的位移响应，这允许检测人员获得更加准确的数据，并可以得出桩体的瞬时变形特性。而且，最重要的是自平衡桩基检测法适用于各种类型的桩基，特别是针对大直径桩基的检测。

综上所述，自平衡法具有操作简便、检测周期短和成本较低等优点，因此将该检测方法作为本研究项目中大直径桩基质量评估和承载力验证的一种有效方法。

3、自平衡静载试验检测方案

3.1 荷载箱的安装

为确保试验顺利进行，必须采取一些安全措施以保证荷载箱的埋设安全。为确保试验期间荷载箱能够顺利打开，荷载箱与钢筋笼之间的焊接必须严格合适，确保牢固可靠。要能够保证在施工过程中导管能够顺畅地从荷载箱中心孔穿过，荷载箱与钢筋笼的连接处需要焊接锥形导正筋，以保证导管的顺利通过。为了避免桩体在加载过程中产生应力集中并导致破坏，荷载箱附近的钢筋笼箍筋需要适当加密。

3.2 平衡点位置确定

在进行桩基施工之前，根据施工工艺和地层分布情况，需要计算出桩基的平衡点，随后将荷载箱放置在该平衡点上，从而通过荷载箱进行加载。需找到一个位置点，使得上下段桩的侧摩阻力及桩端阻力之和都能满足设计要求且较接近。本研究工程项目采用分层法，最终荷载箱被确定放置在距桩底27m处。

3.3 加载和卸载等级

自平衡试验的加载方式与传统的单桩竖向抗压静载试验相同。加载过程被分为多个级别，本研究项目工程试验桩的加载量为预估最大加载量的1/10。第一级加载时，荷载为两倍的分级荷载。卸载过程也是分级进行，每个级别的卸载量是加载量的2倍。加载和卸载过程应该是均匀连续的，每个级别的荷载在维持过程中的变化幅度不得超过分级荷载的10%。

4、工程实例

4.1 工程概况

本工程项目总体占地面积约8769m2，总建筑面积约63559.1m2，其中地上建筑面积约为48192.3m2，地下建筑面积15366.8m2，建筑总高90m。本工程包含3座高层塔楼、裙房与地下车库，总体开挖面积7642m2。基础均采用大直径超长钻孔灌注桩，共380根，其中桩径为1200mm的桩型236根，桩长39m；桩径为1600mm的桩型144根，桩长42m。

4.2 检测结果及分析

荷载箱分级荷载按额定荷载13545kN共分成10级加载，每级加载值1354.5kN。检测过程中的加载曲线，如图3和图4所示。

图3 Q-S曲线

图4 lgt-S曲线

由图3和图4可知，上段桩的Q-δ曲线呈现缓慢变化的趋势，而位移量却非常小。同时，δ-lgt曲线则呈现了近乎平直的趋势。这表明上段桩的侧向阻力表现良好，并且还有一定的余量可供利用。对于下段桩的Q-s曲线也呈现缓慢变化的趋势，而s-lgt的曲线状态保持稳定。下段桩的最大位移量为12.83mm，该位移量对应于极限承载力。因此，确定本次检测的下段桩单桩竖向抗压极限承载力为13545kN。

根据《建筑基桩自平衡静载试验技术规程》（JGJ/T403-2017）相关规定，单桩竖向抗压极限承载力计算公式为[11]:

式中：Quu为上段桩的极限加载值；Qud为下段桩的极限加载值；W为荷载箱上段桩的自重与附加重量之和；γ1为受检桩的抗压摩阻力转换系数。

单桩竖向抗压极限承载力按照式（1）计算为：

因此，本研究将该工程项目的试验桩单桩竖向抗压极限承载力确定为27839kN。

5、结语

本研究基于某大直径钻孔灌注桩承载力检测项目，对自平衡法检测技术进行了详细阐释，并在比较选出多种方案的优劣后，最终选择了自平衡静载试验作为最佳检测方案。同时，通过估算、平衡点计算、分级加载等设计措施，计算得出了可靠的承载力。

参考文献:

[1]郭磊,潘雷雷,樊亮亮.研究桩基础技术在土建工程施工中的应用[J].中国建筑金属结构,2021(09):114-115.

[2]姜泽先.建筑工程土建施工中桩基础技术的应用分析[J].山东工业技术,2015(24):100-101.

[3]陆海锋.桩基工程质量检测存在的问题及对策探讨[J].广东建材,2023,39(06):47-50.

[4]龚学淼.桩基工程施工的质量控制研究[J].江苏建材,2023(02):54-56.

[5]赵亮.房屋建筑桩基工程检测质量研究[J].砖瓦,2023(01):68-70.