第一章桩身自平衡静载试验的测试机理
1.1 桩身自平衡静载试验的测试原理
自从1969年由日本的中山（Nakayama）和藤关（Fujiseki）提出桩承载力自平衡测试到现在，经历20世纪80年代中期类似技术为Cernac和Osterberg等人所发展，其中1984年osterberg研制成功的桩底圆形试验方法(即自平衡测试法)将此项技术用于工程实践，他通过预埋在桩底的测压盒进行钻孔桩静载试验的方法，先是在桥梁钢桩中得到了成功应用，后来逐渐推广至各种桩型以来，据美国联邦公路管理局调查统计，1994年全美钻孔灌注桩荷载试验中该方法的使用超过了65%，后来在世界各地得到了推广，该法对于划分桩侧摩阻力与桩端阻力以及确定抗拔桩的承载力有重要意义，现已取代了传统载荷试验。欧洲及日本、加拿大、新加坡等国也广泛使用该法。自1996年起，我国江苏、河南、浙江、云南、安徽等省开始使用该法，如江苏的润扬大桥、新三汉河大桥及张公桥，云南的元江大桥、磨江大桥、思茅大桥等桥梁桩基试验均采用了该技术。该方法较好地解决了传统加载技术存在的诸如费时、费用高、对试验场地要求高、大吨位常规静载试验一般很难进行、不借助桩身应力测试，从试验结果很难区分桩侧摩阻力与桩端阻力的准确性等问题。
1.1.1 自平衡法
自平衡测桩法的主要装置是一种经特别设计可用于加载的荷载箱。它主要由活塞、顶盖、底盖及箱壁四部分组成。顶、底盖的外径略小于桩的外径，在顶、底盖上布置位移棒。将荷载箱与钢筋笼焊接成一体放入桩体后，即可浇捣混凝土成桩。试验时，在地面上通过油泵给荷载箱加压，随着压力增加，荷载箱将同时向上、向下对桩施加作用力，图2.1为试验原理示意图。
图2.1 试验原理示意图
Fig 2.1 Testing principle diagrammatic sketch
当在地面上通过油泵给荷载箱加压时，随着荷载箱压力的不断增加，荷载箱将同时
向上、向下发生变位，荷载箱对桩的作用力也不断增加，进而促使桩侧阻力及桩端阻力的不断发挥，图2.2为试验装置示意图，当达到一定程度时，可从相关曲线判断出桩的承载力情况。由于加载装置简单，多根桩可同时进行测试。荷载箱中的压力可用压力表测量，荷载箱的向上、向下位移可用位移传感器测得，根据测试数据绘出相应的“向上的力与位移图”及“向下的力与位移图”，根据两条Q-S曲线及相应的s-lgt、s-lgQ曲线，可分别求得荷载箱上段桩及下段桩的极限承载力，将上段桩极限承载力经一定处理后与下段桩极限承载力相加即为单桩的极限承载力。
图2.2 试验装置示意图
Fig 2.2 Testing equipment diagrammatic sketch
由于自平衡静载试验方法的加载不是在桩顶，而是将加载点放在桩体的某个位置内。是接近于竖向抗压(抗拔)桩的实际工作条件的一种试验方法。随着对荷载箱内腔加压，使其箱盖顶着桩体向上移动，同时使箱底向下移动，从而调动桩周土阻力和桩底土阻力。试验时，根据测试数据绘出相应的“向上的力与位移图”及“向下的力与位移图”及两条Q-S曲线及相应的s-lgt、s-lgQ曲线，可求得的荷载箱上段桩及下段桩的极限承载力。因此，可以很好地直接从试验结果区分桩侧摩阻力与桩端阻力；同时它使桩侧摩阻力与桩端阻力两者互为反力，所以，该方法所施加的荷载只需传统加载技术的一半左右。随着对荷载箱内腔加压的增大，桩侧摩阻力与桩端阻力随之增大，直至破坏。于是，根据所测得的数据就可绘出各种试验曲线。如:侧阻—位移曲线、端阻—位移曲线、Q-S 曲线及相应的s-lgt、s-lgQ曲线等等。
自平衡法测出的上段桩的摩阻力方向是向下的，与常规摩阻力方向相反。我们知道，传统的静压加载时，侧阻力将使土层压密，而该法加载时，上段桩侧阻力将使土层减压松散，故该法测出的摩阻力小于常规摩阻力，对于这上点，国内外大量的对比试验已证明了此点。因此在用试验直接得到的侧阻—位移曲线、端阻—位移曲线转化成承载力——位移曲线时要考虑该因素的影响。
荷载箱的位置的确定是决定测试目的能否实现以及测试精度的关键因素，荷载箱的位置必须根据地质条件、桩形、测试要求等因素来确定。即找准桩的“平衡点”。桩在
桩顶受压时桩周土产生身上的摩阻力，它与桩在底部受托时桩周土产生向下的摩阻力，两者是有区别的。对此，Osterberg曾作了对比试验确定。结果表明，在粘性土中桩侧向上的摩阻力基本上与向下的摩阻力相等，两者相差不大；在砂土中向上的摩阻力略大于向下的摩阻力。故osterberg试桩中将向下的摩阻力视为向上的摩阻力是偏于安全的，对于结构安全是有利的。
桩的自重在osterberg试验中其方向与桩侧阻力相一致，它使桩侧摩阻力的值增大，故要判定桩侧摩阻力时应予于扣除。
目前国外对该法测试值如何得出抗压桩承载力的方法也不相同。有些国家将上下两段实测值相叠加而得抗压极限承载力，这样偏于安全、保守。有些国家将上段桩摩阻力乘以大于1的系数再与下段桩叠加而得抗压极限承载力。我国则将向上、向下摩阻力根据土性划分。对于粘土层，向下摩阻力为(0.6—0.8)倍向上摩阻力；对于砂土层，向下摩阻力为(0.5—0.7)倍向上摩阻力。东南大学土木工程学院龚维明教授也在同一场地做了60多根静载与自平衡法的对比试验,其中有几根是在同一根桩上进行两种试验对比的，提出了对于粘土、粉土，取0.8,对于砂土取0.7的主张。
1.1.2 轴向应变测试
基桩自平衡试验开始后，荷载箱产生的荷载沿着桩身轴向往上、往下传递。假设基桩受荷后，桩身结构完好(无破损，混凝土无离析、断裂现象)，则在各级荷载作用下混凝土产生的应变量等于钢筋产生的应变量，通过量测预先埋置在桩体内的应变计，可以实测到各应变计在每级荷载作用下所得的应变，由此便可求得在各级荷载作用下各桩截面的桩身轴力值及轴力、摩阻力随荷载和深度变化的传递规律。
1.1.3 实验仪器及设备
基桩自平衡试验采用的仪器及设备有：荷载箱、电子位移器、数据采集仪、压力表、百分表、加压设备等。轴向应力测试采用的仪器设备有：应变计和应变采集仪。
1.1.4 测试系统
加载采用荷载箱，通过高压油泵输油加载。试桩的位移量测采用电子位移计。经应变仪与电脑相连，由电脑控制量测并在电脑屏上实时显示(Q—S)曲线和(S-lgT)曲线和(S-lgQ)曲线。
1.2 桩身自平衡静载试验的计算理论
1.2.1 轴向力测试及相关指标的计算方法
1、单桩竖向抗压极限承载力的计算
据实测荷载箱上、下位移计算承载力公式:
