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桩承载力自平衡测试技术及工程应用随着国家对建筑、桥梁等重要工程的要求日益提高，对其质量和安全的要求也越来越高。
而桩基础作为建筑和桥梁的基础承重结构，其稳定性和可靠性显得尤为重要。
因此，桩承载力的测试技术及其工程应用成为了当前一个热门的研究方向。
桩承载力自平衡测试技术是一种非破坏性测试方法，该方法可以直接、快速地测试桩的承载能力，非常适合于在建筑现场使用。
自平衡测试技术是利用位移传感器直接测量桩身上的细小形变，从而计算出桩的设计承载力。
该技术克服了以往测试方法需要对现场实际地质情况做大量假设和引入较多的偏差问题，测试结果更加准确可靠。
在工程应用方面，桩承载力自平衡测试技术的优势显而易见。
一方面，该技术可以对桩的承载能力进行快速测试，比其他测试方法需要的时间更少，这样可以节约建筑和桥梁建设时间和成本，提高工程的效率和质量。
另一方面，该技术的非破坏性测试方法也大大减少了施工现场的破坏性，保护了地面和周围环境的完整性。
目前，桩承载力自平衡测试技术已经在国内多个工程建设项目中得到了广泛的应用。
比如在某高速公路的桥梁施工中，使用该技术测试了基础桩的承载能力，大大缩短了测试时间，节约了经费，同时也获得了高精度的测试结果。
在某大型工业厂房建设中，使用该技术测试了桩的承载能力和变形情况，有力地支持了后续的安装，保证了整个工程的连续性和运行安全性。
总的来说，桩承载力自平衡测试技术是一种高效、精确、便捷的测试方法，为现代建筑和桥梁工程的质量保障提供了重要保障。
在未来，该技术将继续得到进一步的推广和应用，助力我国建筑和桥梁工程的飞速发展。
灌注桩自平衡法静载试验检测技术在公路桥梁工程中的应用摘要：公路桥梁工程桩基检测完整性方法有钻芯法、低/高应变法和声波透射法，静载试验法有堆载法、锚桩法和自平衡法，其中常采用堆载静载试验方法，基桩堆载试验虽然可以获得直观和可靠的结果，但是其花费的时间较多、耗费人力多且需要试验场地满足的条件高，而自平衡检测法很大程度上弥补了堆载静载试验所存在的诸多缺陷。
近年来国内很多建设项目中已经开始推广此方法。
本文将对桩基础工程的自平衡检测法进行介绍，以期对自平衡检测法的发展过程、技术内容进行分析。
关键词：灌注桩；自平衡法；静载试验；荷载箱；平衡点位置1工程概况吉林市高新大路桥梁工程高架桥标段北起规划纬九路北（桩号 K7+020），向东南跨过规划纬九路、规划铁路、珲乌高速主线及匝道、南山道，南至南山道南侧（桩号 K8+400），工程全长 1380m，其中高架桥长893m，并在珲乌高速南侧左右设置上下桥坡道桥 2 座。
高新大路高架桥北起规划纬九路北，向东南跨过规划纬九路、规划铁路、珲乌高速及南山道，在南山道南侧落地。
高架桥其下部结构桥墩采用双柱式矩形柱式墩，桥墩墩柱断面尺寸为 1.40×1.40m。
现浇预应力混凝土箱梁段中墩两个墩柱间设系梁连接，其余部分均为柱顶设盖梁。
墩柱下设承台和桩基础相接。
桩基采用 2 根钻孔灌注桩；桩基直径采用 1.50m、1.80m、2.00m 三种规格。
桥台采用桩柱式桥台，盖梁下设直径 1.5m 钻孔灌注桩，台后设 8m 长搭板。
2灌注桩自平衡法静载试验检测技术在公路桥梁工程中的应用2.1检测方案设计桩基施工前，我们将与建设、监理和业主会面，对桩基进行编号，然后根据待检桩的结构参数选择制造商定制自平衡荷载箱。
2.2安装荷载箱、油管、位移杆及导管桩孔验收合格后，即可组装荷载箱。
将荷载箱固定在灌注桩上，同时设置4根位移杆和保护管。
4根位移杆嵌入桩中，其中2根焊接固定在箱中。
后盖的位移检测意味着判断桩基底部的轴向力是否足够；此外，2根杆焊接到箱体顶部，以检测机器盖的位移，即检测桩基的上拔值。
0 引言单桩竖向抗压承载力试验是一种可准确获得桩基础承载力特征值的现场试验方法，传统的加载方法主要有堆载法和锚桩法两种，大量的工程验证了上述两种方法的准确性和可靠性，但试验过程费时、费力，所需试验场地较大，试验成本较高[1]。
Osterberg [2]于20世纪80年代研究了一种利用桩侧阻力测试桩基承载力的方法，并将该方法应用于工程实践，后被称为自平衡法。
自平衡法作为一种新型的桩基静载荷试验方法，具有占地空间小、试验成本低、操作危险性低、测试结果准确等优点，应用十分广泛[3]。
龚维明等[4]研发了自平衡法桩基静载试验的荷载箱，申请了相关专利，开展了大量的试验研究及工程应用。
董青青等[5]考虑桩-土非线性接触建立了自平衡桩有限元模型，研究了压缩模量、泊松比及膨胀角等参数的取值，研究结果可以提高有限元模型解答的精度。
王述红等[6]考虑了土体连续性对自平衡法桩基承载力求解的影响，提出了一种改进的等效转换方法。
桩侧摩阻力的发挥对自平衡法桩基承载力的确定也有很大影响，本文依托工程实例开展自平衡法桩基承载力试验，研究桩身轴力及桩侧摩阻力分布规律。
1 自平衡法试验原理区别于桩基静载试验中相对传统的堆载法和锚桩法，自平衡法是利用一种特制的荷载箱作为主要加载设备，以荷载箱所在位置将桩基分为上下两部分，利用荷载箱下部桩身侧摩阻力和桩端阻力与其上部桩身侧摩阻力及桩身自重的平衡维持加载，充分利用了桩侧阻力与桩端阻力的发挥。
其中，荷载箱主要由千斤顶及箱体组合而成，是自平衡法桩基承载力试验顺利实施的关键。
试验前，将荷载箱与桩基础钢筋笼机械连接并提前放置于桩身的平衡点处，将荷载箱的高压油管沿桩身引出至地面与油泵连接；试验时，由高压油泵对千斤顶进行分级加压，使荷载箱对桩身产生作用力，在每一级荷载作用下保持桩身上部和下部的受力平衡，进而得到桩基承载力，同时记录上部桩身和下部桩身在各级荷载作用下产生的位移，可以得到相应的Q-s 曲线与s-lgt 曲线，最终得到单桩极限承载力。
自平衡法承载力试验在某工程中的应用1.1 自平衡法简介在此项技术问世之时，为保持其在当地检测和施工行业的优势竞争力，通莫静载法的发明人并没有着力对外推广此项技术。
直到90年代中后期，随着荷兰通莫系统有限公司------ 这家由专利持有人的后人创办，并致力于将Afar Vasela 公司系列技术进行市场化推广的企业走入人们的视野， 这项技术的初创者才广为世人所知。
1980年代中期，通莫静载法(T-pile ®)传入了美国，并通过美国西北大学教授Osterberg 先生的推广，在国际基础工程行业进行了成功的应用。
其在美国的应用被称为Osterberg 试桩法，由于知识产权等方面的原因，Osterberg 先生在美国自行开发了加载装置，并申请了专利（美国专利号4614110）。
1990年代后期，通过美国和中国的学术交流，由东南大学于1993年从美国将该法引进,并称之为“自平衡法”。
1.2 自平衡法试验原理该方法是接近于竖向抗压桩实际工作条件的试验方法，其加载设备是荷载箱,它与钢筋笼连接后安装在桩身，并将高压油管和位移棒一起引到地面。
试验时，从桩顶用高压油泵通过高压油管对荷载箱内腔施加压力，箱顶与箱底被推开，产生向上与向下的推力，从而调动桩周土的侧阻力与桩端土的端阻力，直至破坏。
将桩周土的侧阻力与桩端土的端阻力迭加，即得到桩的抗压极限承载力。
1.3 自平衡法测试系统图1-1 自平衡试验测试及桩身轴向应力测试系统1.3.1 加载装置：包括荷载箱（图1-2、图1-3）、加载泵和加压管，用于在桩体内部对桩基进行加载，一般采用普通油缸组装，或装有荷载箱。
电动油泵荷载箱护管自然地面L位移杆油管基准梁位移传感器荷载箱P P导线钢筋计计算机采集系统频率仪图1-2 传统荷载箱图1-3 囊式荷载箱1.3.2 位移检测系统：用于测读桩体各关键层面的位移值。
包括位移传送装置（位移管、位移丝和测量结构组成）、位移传感器（图1-4）和电脑测读系统（或人工记录）。
1.3.3 应变检测系统（需要测量具体土层的摩阻系数时）：用于测读桩体各关键层面的应变值。
包括应变传感器和电脑测读系统。
1.3.4 数据测读系统：用于测读测量值，并对数值进行存储记录。
一般采用专用电脑系统（图1-5）。
图1-4 位移传感器图1-5 数据采集系统1.4 自平衡试验方法试验按《建筑基桩检测技术规范》（JGJ106-2003）、《建筑桩基技术规范》（JGJ94-94）和《桩承载力自平衡测试技术规程》（DB32/T291-1999）进行：1.4.1 试验条件在桩身强度达到设计要求的前提下，对于砂类土，不应小于10d；对于粉土和粘性土，不应少于15d；对于淤泥或淤泥质土不应少于25天。
1.4.2 试验加载方式一般采用慢速维荷法，即逐级加载，每级荷载达到相对稳定后加下一级荷载，直至试桩破坏或达到试验要求，然后分级卸载至0。
当考虑缩短试验时间，对工程桩做验证性试验时，可采用快速维荷法，及每小时加载一级。
1.4.3 加卸载与位移观测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。
2) 位移观测：每级加载后在第1h内应在5、15、30、45、60（min）测读一次，以后每隔30min测读一次，每次测读值记入试验记录表。
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1.5h内连续三次观测值计算），认为已达到相对稳定，可加下一级荷载。
4) 终止加载条件：当出现下载情况之一时，即可终止加载。
（a）已达到极限加载值；（b）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；（c）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；（d）累计上拔量超过100mm。
5) 载与卸载位移观测：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，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。
2 单桩竖向抗压极限承载力的确定2.1 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（图2-1）取Q-S曲线发生明显陡变的起始点；对缓变形Q-S曲线（图2-2），按位移值确定极限值，极限侧阻取对应于向上位移S上=40~60mm对应的荷载；极限端阻取S下=40~60mm对应荷载，或大直径桩的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。
Q QS S图2-1陡变型Q-S曲线图2-2缓变型Q-S曲线2.2根据位移随时间的变化特征确定极限承载力下段桩取S-lg t曲线尾部出现明显向下弯曲的前一级荷载值，上段桩取S-lg t曲线尾部出现明显向上弯曲的前一级荷载值。
分别求得上、下段桩的极限承载力Q u上、Q u下，然后考虑桩自重影响，得出单桩竖向抗压极限承载力为Q u =(Q u上- W)/γ+ Q u下（1）式中：W——荷载箱上部桩自重；γ——土的容重；对于粘性土、粉土γ取0.8；对于砂土γ取0.7。
2.3自平衡测试曲线的等效转换假定：1)等效的受压桩也分为上、下段桩，分界截面即为自平衡桩的平衡点截面，侧摩阻力用平均值q sm 表示，下段桩Q 下=σo A p ；2)自平衡法的下段桩与等效受压桩下段的位移相等；3)受压桩上段的桩身压缩量∆S 为桩端及桩侧荷载两部分引起的弹性压缩变形之和，即：∆S=∆S 1+∆S 2 （2）式中，∆S 1—受压桩在桩端Q 下作用下产生的弹性压缩变形量；∆S 2—受压桩上段在桩侧摩阻力作用下产生的弹性压缩变形量。
由于在受压过程中桩身的侧阻力先发挥，所以在转换曲线中，分两段来进行转换。
首先，在上段桩身侧阻力完全发挥之前，根据Q 上～S 上上曲线，求出相应的Q 、S 值，具体过程如下：∆S=∆S 1+∆S 2=()22p p Q W L Q L E A γγ-+下上（3）式中，L 为上段桩长度，E p 为桩弹性模量，A p 为桩身截面面积。
由此，可以将自平衡法测得的向上、向下两条Q ～S 曲线转换为受压桩的一条等效桩顶Q ～S 曲线。
此时，受压桩桩顶等效荷载即为：Q=Q Wγ-上+Q 下与等效桩顶荷载Q 对应的桩顶位移为S ，则有：S=S 上+∆S （4）在式中，Q 上、S 上可由Q 上～S 上曲线直接测定，W 、∆S 可通过计算求得。
有关Q 下的取值如下：对自平衡法而言，每一加载等级上荷载箱产生的向上、向下的力是相等的，但所产生的位移量是不相等的。
因此，Q 下应该是对应于自平衡法Q 下～S 下中，下段桩位移绝对值等于S 上时的下段桩荷载，即在自平衡法向下的Q 下～S 下曲线上使S 下=S 上时所对应的荷载。
当上段桩身侧阻力发挥至极限时Q 上不变，再根据相应的Q 下～S 下曲线测定Q 下和S 下，由下述公式求出等效荷载Q 和对应的桩顶位移S ：Q=Q Wγ-上+Q 下S=S 下+∆S∆S=∆S 1+∆S 2=()22p p Q W L Q L E A γγ-+下上（5）∆S 1=p pQ LE A 下 ∆S 2=()2p p Q W LE A γ-上由此得到传统的静载荷试验的一系列点（Q i ，S i ），i=1,2,……n ，从而得到等效的桩顶荷载、位移曲线（如图3-1）。
图3-1 自平衡测试曲线的等效转换3 自平衡法试桩施工及设备安装注意要点试桩严格按设计图纸施工。
同时，由于自平衡测桩法的需要，应做到以下几点： 1）试桩成孔后，垂直度用可靠的检测设备检测；2）地面上绑扎和焊接钢筋笼。
由施工单位负责，测试单位配合，位移棒与钢筋笼绑扎成整体，确保护管不渗泥浆；3) 荷载箱立放在平整地面上，吊车将上节钢筋笼吊起与荷载箱上顶板焊接，保证钢筋笼与荷载箱在同一水平面上，在电焊喇叭筋，喇叭筋上端与主筋、下端与内圆边缘电焊，保证荷载箱水平度小于3%，然后将荷载箱下底板与下节钢筋笼连接，焊接下喇叭筋；4）埋荷载箱前检查桩径，桩长（包括荷载箱），油管及钢管长度，钢管距离。
吊车将测试设备与钢筋笼放入桩底，埋完荷载箱，保护油管及钢管封头，以防杂物漏入；5）试桩混凝土标高同工程桩，灌注混凝土时导管通过荷载箱到达桩端进行混凝土灌注，当混凝土接近荷载箱时，拔导管速度放慢，当荷载箱上部混凝土大于2.5m 时，导管底端方可拔过荷载箱，浇灌混凝土至设计桩顶。
荷载箱下部混凝土塌落度宜大于180mm ，以便于混凝土在荷载箱处上翻。
4 工程实例4.1 试桩概况表5-1工程名称 桩号 桩长(m) 桩径(m) 设计承载力(kN)最大加载量(kN)试桩方法 1#桥 251 52 1.25 6487 13000 锚桩法 1#桥 404 52 1.25 6479 13000 自平衡法 1#桥15201.50637013000堆载法4.2 自平衡法测试曲线海口双线特大桥404#试桩采用自平衡承载力试验方法，最大加载量为1300吨（上下各650吨），其荷载—位移测试曲线如图5-1所示。
sQs s -+Q -Q +sQ转换曲线静载曲线Q图5-1 自平衡法荷载—位移测试曲线4.3 自平衡法转换曲线与锚桩和堆载法曲线对比把上面自平衡法测试曲线经转换方法转换后与海口双线特大桥251#锚桩法试桩和青莱高速潍河特大桥5#堆载法试桩所测曲线进行比较可以看出，该方法测试曲线经转换后跟传统方法测试曲线基本吻合（如图5-2）。
图5-2 自平衡法转换曲线与锚桩和堆载法曲线对比4.4 三种静载方法比较通过对三种承载力检测方法在安全性、经济性、时间、受场地限制程度、最大吨位等方面的对比，得出自平衡较传统静载方法的优势（表5-2）。
表5-2桩号最大加载量(kN)试桩方法安全性经济性所需时间受场地限制程度最大吨位251 13000 锚桩法一般15万左右 2.5天较大4000吨左右404 13000 自平衡法良好8万左右 1.5天很小30000吨左右15 13000 堆载法较差7万左右13天大3500吨左右5 结论通过对自平衡法的测试原理、加载设备、工程施工、设备安装及测试数据分析，结合工程实例，与传统桩基础荷载试验的对比，我们可以看出该方法测试曲线经转换后跟传统方法测试曲线基本吻合；并该方法较传统静载试验方法有安全、省时、经济，不受场地条件及吨位限制等得优点；因此该方法完全可以满足工程应用的要求。
