1、基桩自平衡法静载试验技术规程 （DBJ/T15-103-2014）简介及相关问题探讨刘炳凯（广州建设工程质量安全检测中心有限公司）摘要：本文第一部分介绍了国内基桩自平衡法测桩技术的研究和应用现状，并结合工程实践分析了自平衡法相对于传统静载和抗拔的优缺点，给出了自平衡法技术的定位；第二部分简要介绍了基桩自平衡法静载试验技术规程 （DBJ/T15-103-2014）的主要内容；第三部分探讨了自平衡法在工程桩中应用时的一些常见问题。关键词：基桩 自平衡法 荷载箱 静载 规程一、 前言1. 基桩自平衡法静载试验简介基桩自平衡法在国外称 o-cell 法，该方法利用桩土体系自身提供反力以确定单桩承载力和
2、桩周土层的侧摩阻力、桩端阻力，是接近于竖向抗压（拔）桩实际工作状态的试验方法。其原理是在桩身或桩端埋置荷载箱，抗压试验时，利用上部桩自重、上部桩桩侧摩阻力来代替堆载法中重物或锚桩法中锚桩以提供反力；在抗拔试验时，利用下部桩桩侧摩阻力及端承力来代替传统抗拔静载试验中的地基或锚桩以提供反力，从而达到试验基桩承载力的目的。试验时，从桩顶通过输油管对荷载箱内腔施加压力，箱盖与箱底被推开，同时向上部桩及下部桩施加大小相等、方向相反的力，促使桩周土的摩阻力与端阻力发挥作用，桩土体系破坏或满足工程的实际要求时停止试验。自平衡试桩法试桩时的工作状态与桩实际工作时的状态有所不同，是接近于实际工作状态的一种近似方
3、法。自平衡法测桩示意图见图 1，测试原理示意图见图 2。图 1 自平衡法测桩示意图上 部 桩荷 载 箱下 部 桩岩 层 0S+ PS-图 2 自平衡法测试原理示意图2. 基桩自平衡法在国内外的应用现状基桩自平衡法（o-cell 法）最早由美国西北大学学者 Osterberg 于 1985 年-1987 年间，在分析、总结前人经验的基础上，对该测试技术进行了系统的研究、开发，并于 1989 年在桥梁刚桩中（水中试桩）成功进行了首次商业应用，后来逐渐被美国工程界广泛接受，获得越来越多的应用并且制定了相关的技术规程，至今已在美、英、日本、加拿大、新加坡、菲律宾及我国香港等 10 余个国家和地区得到推
4、广应用。目前国外试桩的承载力已达到150MN。国内最早于 1993 年开始关注该方法，前期有清华大学李广信教授 2、浙江省建筑科学研究院史佩栋教授 3等进行了宣贯和推广。1996 年，东南大学土木工程学院在理论研究的基础上，首先将该法应用于实际工程。目前，我国的北京、江苏、甘肃、江西、广东、广西、福建、浙江、安徽、山东等地已开始大量将该法应用于工程实践。江苏省最早于 1999年发布关于该法的国内第一个地方标准，随后广西、安徽、江西等地地方标准相继颁布，还有一些省份的地方标准正在编制中，早期发布的部分标准也已进行了修改、更新和颁布。交通领域应用此法较多，交通部于 2009 年即颁布行业标准 JT
5、/T 738-20094，国内对润扬长江公路大桥的静载试验荷载已达到 120MN5。自平衡试桩法应用领域广泛，适用于粘性土、粉土、砂土、碎石土、岩层中的中大直径灌注桩的承载力测试，也可应用与混凝土管桩、钢管桩的承载力测试；可用于基桩竖向抗压静载试验，也可用于基桩竖向抗拔静载试验；适用于试验桩极限承载力的测试试验，也适用于工程桩验收试验；特别适用于传统静载试桩难以实施的水上试桩、坡地试桩、基坑底试桩、狭窄场地试桩及特大吨位试桩等。3. 基桩自平衡法静载试验的优缺点及定位相对于传统静载和抗拔，自平衡法存在如下优点：1、装置简单，场地要求低，不需运入钢架，不需构筑大型的反力架；试验安全可靠，且节省费
6、用、工期；2、可同时对多根桩进行检测，节省工期；3、可省去传统抗拔试验所需的场地道路平整、支撑桩施打、桩帽制作等工作；节省费用；可省去传统抗拔试验所需的场地道路平整换填、桩帽制作等工作，节省费用；4、工程桩采用该法进行抗拔检测时，因荷载箱埋置在桩端，试验时桩身受压，可以避免传统抗拔试验中桩身受拉而产生的裂缝，桩身耐久性不受影响；5、在水上试桩、坡地试桩、基坑底试桩、基坑边试桩、狭窄场地试桩、特大吨位试桩等情况下，传统静载方法很难实施，该法则不受限制。相对于传统静载和抗拔，自平衡法存在如下缺点：1、自平衡试桩法将荷载箱放置于桩身或桩底，加载点位于桩身或桩底，而传统静载法加载点位于桩顶部，故自平衡
7、法试桩时桩身应力分布及桩侧土层应力分布与桩实际工作状态时不同，致使桩承载力和桩身位移关系的确定存在一定的偏差。图 3 和图 4 是笔者在某工程中对两根抗拔桩分别采用自平衡法和传统抗拔法所测的桩身轴力分布曲线（均未达到极限状态前的） ，由此可较为明显的看出两者之间的区别。但随着桩身位移不断加大，接近桩土破坏的极限状态时，两种测试方法得到的桩极限承载力是接近的，此结论在国内很多的对比试验中得到验证。上部桩侧摩阻力发挥的方向问题目前均采用抗拔系数来考虑此影响。2、当荷载箱埋置在桩身时，桩身钢筋需要截断，形成“ 断桩” ，从而影响桩的抗拔和抗弯性能。图 5 是笔者在埋设荷载箱时的照片，其上可以明显看出
8、上下钢筋笼在荷载箱处是断开的。目前实践中均是通过试验后对此位置压力灌浆来解决，压力灌浆不仅可以填充试验后缝隙，而且可以沿桩周上下渗透，提高该处承载力。下文对此问题有更进一步解释。3、工程实践中，很难准确选择一个“平衡点”使上下部桩同时达到极限状态，那么加载时如果上部桩或下部桩先破坏，就要停止加载，以破坏前的一级荷载作为上部和下部的极限承载力，此时叠加得到的承载力结果偏安全。实践中需依靠准确的勘探资料和参数取值，并结合越来越多工程数据积累来提高计算的准确度。另外也可采用上部桩堆放荷载或加固下部桩以使试验进行下去的措施。基于以上优缺点的分析，关于自平衡法的定位，笔者有如下观点： 1、基桩自平衡法静
9、载试验是取得桩身极限承载力的有效方法之一现在已知许多原位测试方法（静力触探、标准贯入试验、动力法测桩等）都和桩静荷载试验的应力状态不相同, 却都是在利用其所建立的相关统计关系来估算或确定桩的垂直承载力， 重点在于试验的目的是什么，有的方法用于初步设计, 有的用于工程桩验收，有的对位移控制严格，有的对位移要求不严格，如前文所述，自平衡测桩法在测取桩身极限承载力时是保守的，且可以无限接近真实值，但实测的荷载位移曲线不能代替传统静载试验。在实际应用中应根据试验目的考虑是否采用此法。2、基桩自平衡法静载试验是传统静载试验的补充在基桩传统静载试验受试验环境限制难以实施的情况下，比如水上试桩、坡地试桩、基
10、坑底试桩、狭窄场地试桩及特大吨位试桩，该法可作为一种替代方法用于取得桩的极限承载力，以满足工程实际需要，其实测的桩身位移可作为参考使用。3、基桩自平衡法可以满足一些特殊工程应用基桩自平衡法可用来测试深部土层的承载力和摩阻力。如某工程拟采用筏板基础，以强风化炭质泥岩作为基底持力层，为了准确获得“强风化炭质泥岩”的承载力及变形参数，需要进行原位的深层平板载荷试验，但该项目仍处于前期设计阶段，进行传统深层平板载荷试验需要开挖 12m 深的试坑进行试验，且需考虑支护问题，安全性、经济性均不可行，笔者所在单位提出使用自平衡试桩法进行深层平板载荷试验，很好得解决了该问题。0123450 520 1040
11、1560 2080 2600 3120 3640 4160 4680 5200轴 力 (kN)钢筋计所在剖面1040kN 1560kN 2080kN2600kN 3120kN 3640kN4160kN 4680kN 5200kN图 3 某抗拔桩桩身轴力分布曲线图（自平衡法）0123456780 520 1040 1560 2080 2600 3120 3640 4160 4680 5200轴 力 (kN)钢筋计所在剖面1040kN 1560kN 2080kN2600kN 3120kN 3640kN4160kN 4680kN 5200kN图 4 某抗拔桩桩身轴力分布曲线图（传统抗拔法）图 5 钢
12、筋笼在荷载箱位置处断开4、基桩自平衡法是较好的一种抗拔桩试验方法基桩自平衡法不仅容易实现，而且避免了传统抗拔试验法所导致的桩身开裂和省去场地处理、埋设试验螺杆等前期准备工作。二、 规程主要内容介绍本技术规程主要包括总则、术语和符号、基本规定、测试设备及安装要求，现场试验及数据处理五部分内容及 5 个附录。附录分别为附录 A：基桩自平衡法静载试验相关配图，附录 B：基桩自平衡法静载试验常用表格，附录 C：桩身内力测试方法，附录 D：抗压桩荷载箱埋设位置的确定，附录 E：试验后注浆工艺。本规程主编单位为广州市建筑科学研究院有限公司，参编单位为：广州建设工程质量安全检测中心有限公司、广东省建筑科学研
13、究院、广州市建设工程质量监督站、广东省地质科学研究所、深圳市建设工程质量检测中心、广州市荔湾区建设工程质量监督站、广州市白云区建设工程质量安全监督站、东莞市建设工程质量监督站、广州市天河区建设工程质量监督检测室、广东天信电力工程检测有限公司、深圳市建筑科学研究院股份有限公司、南昌永祺科技发展有限公司。下面结合自平衡法静载试验过程中的常见问题来对本规程内容进行介绍（下文中斜体字部分为规范条文） 。1. 对自平衡法应用范围的规定结合以上自平衡法优缺点的介绍，本规程对自平衡法的应用范围进行了一定限制，具体为：1.0.2 本规程适用于试验桩承载力试验和传统静载试验受场地限制或吨位限制难以实施时的工程桩
14、承载力检测。本条主要指出两点，其一是基桩自平衡法可用于试验桩承载力试验，也可用于受一定环境条件限制和试验吨位限制的工程桩承载力检测，基桩自平衡法是传统静载法的必要补充；其二是自平衡法主要用于基桩承载力测试，位移的测试结果可用于参考，但因为采用该法试验时，桩身受力状态与实际工作时的受力状态不同，故得到的位移会与实际工作状态时的位移有一定偏差。3.0.2 采用自平衡法进行试验桩静载试验时，应同时进行桩身内力测试，内力测试可依据本规程附录 C 进行。采用自平衡法进行工程桩静载试验，且荷载箱预埋置于桩身时，应对上部桩进行抗弯和抗拔验算，确认上部桩承载力满足设计要求后方可实施。本条规定主要针对上述自平衡
15、法的缺点进行规定。 本条规定对试验桩进行单桩竖向承载力（抗压或抗拔）试验时应进行桩身内力测试的目的在于尽量减少误差，同时积累实测数据。根据试验得到桩身实际应力分布及桩极限侧摩阻力、端阻力值，可以较精确的反推得到桩实际工作受力状态下的极限承载力。工程桩验收试验时对试验结果的要求较简单，故本条未要求对工程桩亦进行桩身内力测试，但有条件时宜进行内力测试。本条规定应对“缩短”后的桩，即上部桩进行抗弯和抗拔验算，确认对工程安全无影响时工程桩方可采用自平衡法。在实际应用中，荷载箱安放位置一般位于桩“反弯点”之下，故对桩抗弯性能影响不大，缩短后的受检桩能满足桩的抗拔要求方可采用此法。2. 对荷载箱的规定自平
16、衡法试验中荷载箱是最重要的元件，如何保证荷载箱的质量？荷载箱应控制那些指标？荷载箱如何标定？如何保证荷载箱在标定、运输、埋设、测试过程中不被损坏？本规程在第 4 章中均给出了规定。4.1.1 试验加载采用专用的荷载箱，荷载箱预估最大加载值应根据最大试验荷载、荷载箱埋设位置和工程地质条件确定。荷载箱缸体行程不宜小于 120mm。本条对荷载箱的最大加载值、缸体行程给出规定。自平衡法静载试验存在两个试验荷载，一个是与传统静载试验一致的最大试验荷载，一般由设计单位给定；另一个是荷载箱预估最大加载值，其取值应根据最大试验荷载、荷载箱埋设位置、地质条件确定，加载分级按照此值确定。4.1.2 荷载箱预估最大
17、加载值对应的油压值不应超过 50MPa，出厂前必须试压，试压值不得小于预估最大加载值的 1.1 倍，且必须维持 2h 以上，试压时荷载箱缸体行程应大于 50mm。本条规定荷载箱加载至最大值时对应的油压值不应超过 50MPa，一方面考虑到油压过高时油路及荷载箱容易出现漏油，同时考虑到对荷载箱上下混凝土的局压不应太高。本条规定试压值不得小于预估最大加载值的 1.1 倍，且需稳压 2h。试压时荷载箱缸体应伸出 50mm 以上也是为了保证荷载箱的质量，防止一些荷载箱在行程小时压力可以保持很高，但行程大时质量却得不到保证，而荷载箱在使用时是压力越高对应行程相对越大。4.1.3 荷载箱应经法定计量单位整体
18、标定，并出具正式标定证书。标定证书上应注明荷载箱最大加载能力、尺寸、行程等参数及待应用的工程名称。荷载箱通常由多个千斤顶串联或并联组装而成，本条规定应将荷载箱作为一个整体进行标定而不是对单个千斤顶分别进行标定。荷载箱整体标定可以检验整个油路的密封性能，通过多次反复加压，完全排除荷载箱油路内的空气，增加标定结果的准确性，同时可以排除荷载箱组装过程中对油路产生的损坏的可能。4.1.7 荷载箱在运输或工地内中转时应注意正确吊装，荷载箱安装前应检查油嘴、油管、油封等的完好性。3. 荷载箱的埋设位置4.2.1 荷载箱的埋设位置应符合以下规定：1 当极限端阻力小于极限侧阻力时，按本规程附录 D 的规定确定
19、埋设位置，使上部桩、下部桩的承载力相当； 2 当极限端阻力大于极限侧阻力时，将荷载箱置于桩底端，可在桩顶外加一定量的配重，配重应按本规程附录 D 的规定确定；3 对抗压桩，当桩底存在扩大头时，荷载箱宜埋设于扩大头之上；4 对抗拔桩，荷载箱应放置在桩底端，当桩底岩土层承载力小于试验所需反力时，应对桩底进行处理；5 有特殊需要时，试验桩可采用双荷载箱或多荷载箱，埋设位置根据具体需要确定。荷载箱的埋设位置主要根据勘察资料上给出的岩土层以及各岩土层的参数来确定，故试验前一定要采用可靠的勘察资料。钻探孔的位置距离桩中心一般不宜大于 5m，对于岩土层面起伏较大或者灰岩地区，5m 水平距离内的地质情况都会变
20、化很大，这时就要采用试验桩处的钻孔资料以保证勘察资料的准确性。对抗拔桩，当桩底需要处理时，一般可在成孔时施工额外的延长段，利用该延长段侧摩阻力和端阻力共同提供反力。4. 荷载箱埋设时应注意的一些细节4.2.2 荷载箱和钢筋笼的连接应符合以下规定：1 荷载箱中心与钢筋笼中心重合，荷载箱位移变化方向与桩身轴线夹角应 5；2 上部桩、下部桩的钢筋笼在荷载箱附近处应有加强措施，一般包括箍筋加密、设置喇叭筋等措施，喇叭筋的一端与主筋焊接，一端焊在环形荷载箱盖板内圆边缘处，其数量和直径同主筋。喇叭筋与荷载箱平面的夹角应大于 60；3 上部桩钢筋笼与下部桩钢筋笼之间的连接强度不应大于荷载箱预估最大加载值的
21、1/10。4.2.3 位移杆（丝）和护管应符合以下规定：1 位移杆（丝）应有护管进行保护，护管不得漏浆；2 位移杆（丝）与引测部位及位移杆（丝）中间的接头应连接可靠，不得在试验前或试验过程中脱开；3 位移杆应具有一定的刚度，宜采用直径 25mm 30mm 的钢管；位移丝引测时应使用足够的配重使位移丝绷紧；4 等待试验期间应对外露油管、位移杆（丝）进行妥善保护，不得损坏，护管顶部应封堵；5 对桩顶外露的位移杆（丝）应做好标识，区分上位移与下位移；6 在保证精度的前提下，也可采用其他形式的位移测量系统。4.2.4 成孔及浇灌混凝土除应满足相关规范要求外，还应符合以下规定：1 抗压桩和抗拔桩的孔底沉
22、渣厚度均不应大于 150mm；2 应缓慢、准确下放导管，不得使预装试验装置移位；3 应确保荷载箱上部和下部混凝土浇灌密实。5. 自平衡法测试时加载如何控制4.3.5 应同时对上部桩向上位移、下部桩（或桩端持力层）向下位移及桩顶位移三组位移数据进行测量，每组应布置不少于 2 个测点，且各测点应对称布置。试验主要控制上位移和下位移，桩顶位移的测量起辅助判断作用，理论上，桩顶位移因不含上部桩的压缩量，会略小于上部桩向上位移，如两者之间相差较大，应分析出现此问题的原因。5.1.1 试验加卸载方式应符合下列规定：2 加载应采用慢速或快速维持荷载法分级加载，加载应逐级等量加载，第一级荷载可取分级荷载的 2
23、 倍；3 分级荷载宜为荷载箱预估最大加载值的 1/101/15；5.1.4 抗压桩试验出现下列情况之一时，即可终止加载。1 某级荷载作用下，上部桩或下部桩位移量为前一级荷载作用下位移量的 5 倍，且总位移量超过 40mm-60mm（试验桩取大值，工程桩取小值） ；2 当上部桩或下部桩的荷载位移曲线为缓变型时，上部桩或下部桩的总位移量达到 60mm-80mm；3 某级荷载作用下，上部桩或下部桩的位移量大于前一级荷载作用下位移量的2 倍，且经 24h 尚未达到相对稳定标准；4 当上部桩出现上述三种情况之一，而下部桩未出现时，可考虑在桩顶增加配重后继续加载至下部桩出现上述三种情况之一或达到最大试验荷载；5 已达到最大试验荷载且上部桩和下部桩位移均达到相对稳定（收敛）标准。5.1.5 抗拔桩试验出现下列情况之一时，即可终止加载。1 某级荷载作用下，上部桩的位移增量为前一级荷载作用下位移增量的 5 倍且
