樁基靜載試驗

一般情況下，樁基靜載試驗的成果數據，如單樁承載力、沉降量等均認為是準確、可靠的，這已為無數的工程實例證明。

樁基靜載測試技術是隨著樁基礎在建築設計中的使用越來越廣泛而發展起來的。新中國成立以前，在國內基本上沒有樁基靜載測試技術的發展（當時期還少有高樓大廈），新中國成立以後，樁基靜載測試技術才逐步發展起來，就拿西南邊陲省份雲南來講，50年代末和60年代初，就有了在預製樁上進行的靜載試驗，但因為樁基礎的使用量很少，故試驗的數量也少。進入到80年代以後，隨著改革開放的深入，基礎建設規模的逐年加大，特別是灌注樁在工程上的廣泛應用，我國的樁基靜載測試技術也進入了一個全新的發展時期。

樁基測試技術理論的發展本身促進了樁土荷載傳遞機理理論的研究，而這一直是國內外岩土工程界研究的熱點，在這方面我國的學者也通過試驗研究發表了許多自己的理論方法。我國的沈保漢分析了大量的為測試位移和應力數據而埋有實測元件的試樁資料，結果表明：

(1)S—㏒Q法的極限荷載是樁側摩阻力得到充分發揮時的荷載，相應於極限荷載時的極限樁頂下沉量Su（即樁土間相對位移量）與樁的類型、樁徑和施工方法等有關；對於同一施工類型的樁，一般說來，按摩擦樁、端承摩擦樁和摩擦端承樁的順序排列，Su依次增大；

(2)大直徑鑽孔樁的Su值比小直徑鑽孔樁的Su值大；

(3)打入式預製樁和鑽孔灌注樁的Su也有較大差別

(4)施工工藝和施工質量對鑽孔樁的極限荷載Qu和極限樁頂下沉量Su有較大影響。

在樁的破壞模式研究方面，趙明華認為應分為三種模式，即：屈曲破壞、整體剪切破壞、刺入破壞；沈保漢認為應分為四種模式，即：端承摩擦樁的整體剪切破壞、摩擦樁的整體剪切破壞、摩擦端承樁的刺入剪切破壞、端承樁的屈曲破壞。

在依靠樁的下沉量確定樁的極限承載力方面，我國《建築地基基礎設計規範》（GBJ7－89）規定：當Q－s曲線無明顯的拐點時，可取樁頂總沉降量為40㎜時相應的荷載值為單樁極限承載力；《建築樁基技術規範》（JGJ94－94）規定：對於緩變型Q～s曲線一般可取s=40～60mm對應的荷載，對大直徑樁可取s=0.03～0.06D(D為樁端直徑，大樁徑取低值，小樁徑取高值)所對應的荷載值；對於細長樁(l/d>80)可取s=60～80mm對應的荷載。沈保漢建議，對直徑為0.3m～0.5m的打套管成孔灌注樁可採用樁頂下沉量為樁徑的10%所對應的荷載為極限荷載；對於鑽孔擴底灌注樁可取樁頂下沉量為擴大頭直徑7%所對應的荷載為極限荷載。

在判定樁的屈服荷載方面我國的牛冬生和沈保漢建議按試驗數據的數學特徵來確定Q—s曲線上的屈服荷載，其解法如下：

A． 求某級荷載Q 下的Q—s曲線斜率K

B． 求K 的二階導數

C． 繪製折線連接圖，在此圖上，每級荷載的數學特徵極為明顯，如圖1所示，B的荷載接近S—lgQ曲線的極限荷載Qu，而峰值A的荷載相應於Q—S曲線上的屈服荷載Qy。

在極限承載力的預估計算方面我國陳宗岳在1978年按最小曲率半徑導得的Qu式為：

趙明華更提出了調整雙曲線法預估計算極限承載力，公式為：

隨著各種預測理論的研究，我國有學者提出了灰色預測理論預估極限承載力。灰色預測理論是近二十年才發展起來一種新理論。它己廣泛地應用於工業、農業、能源、交通、社會科學等諸多領域，最近幾年，已有不少人將這一理論應用於岩土工程，並取得了明顯的效果。利用這種方法，可以通過載荷試驗的部分己知數據對不同沉降時相應的樁身荷載值進行預測。

該方法的基本原理是以一組完全的單樁豎向抗壓靜載荷試驗Q—s曲線為基礎，取該曲線的前幾級荷載下沉降原始數據進行分析，進而對Q—s曲線的發展趨勢作出預測。考慮到一般靜載荷試驗做到破壞時的加荷級數為10—15級。故一般取前10級建立相應的GM(1，1)模型進行預測。預測所選用的級數少，經濟效益越明顯：預測時所選用的級數多，預測精度會有所提高，但當級數過多時，就失去了預測的意義。灰色預測方法對於以沉降控制來確定承載力的大直徑樁、超長樁和嵌岩樁效果明顯。

以第k級荷載下的沉降量△S（k）為一個數據，可以得到一組數據序列△S，△S（△S（1），△S（2），…，△S（k））。將S進行累加生成可得到另外一組數據，S=（S（1），S（2），…，S（k））。其中，其中S（k）為第k級荷載作用下的累加沉降量。

對於等量加荷試驗，可對S（k）建立如下的GM(1，1)預測模型：式中、u—待定係數；

由最小二乘法，可有下式得到待定係數、u：

式中 則這樣我們就可以得到不同荷載下響應的沉降量，進而就可以確定對應沉降下單樁的豎向抗壓承載力值。

在樁基靜載測試技術的起步階段，由於設計單樁的承載力較低，所以現場用來試驗的設備也相對簡單。在早期的試驗過程中，提供反力的配重並不是一下子全部預先加上的，而是根據試驗的進度，將配重逐漸加上。隨著現場測試技術的發展，配重物由石塊、水箱發展到了砂袋、砼預製塊等；反力裝置也由堆重平台裝置發展到了錨樁反力裝置、堆重錨樁聯合裝置等；載入設備也由直接將配重物堆放在試樁樁頭上，發展為使用千斤頂提供反作用力，加壓泵由手動發展為了電動；觀測用的量測表也由機械式百分表發展為大量程、高精度的電子位移計。

在測試方法上，我國大部分的檢測規範（規定）都制定的是“慢速維持荷載法”，具體作法是按一定要求將荷載分級加到樁上，在樁下沉未達到某一規定的相對穩定標準前，該級荷載維持不變；當達到穩定標準時，繼續加下一級荷載；當達到規定的終止試驗條件時終止載入；然後在分級卸載到零。試驗周期一般為3～7天。《建築地基基礎設計規範》（GBJ7-89）和《建築樁基技術規範》（JGJ94－94）都提供了該試樁方法。但有關試樁入土后的間隔時間、分級標準、測讀下沉量間隔時間、試驗終止條件以及卸載規定等項目，各規範和標準的規定不盡相同。《建築樁基技術規範》（JGJ94－94）規定：每級載入為預估極限的1/10～1/15，第一級可按2倍分級荷載加荷。每級載入后間隔5、10、15min各測讀一次，以後每隔15min測讀一次，累計1h以後每隔30min測讀一次。每次測讀值計入試驗記錄表。每一小時的沉降不超過0.1mm，並連續出現兩次(由1.5h內連續三次觀測值計算)，認為已達到相對穩定，可加一級荷載。

在上海市等地區和某些港口工程等也有使用多循環加卸載試驗法，此方法國外用的較為廣泛，它主要是對每一級荷載進行重複載入卸載循環。《建築樁基技術規範》（JGJ94－94）中提到“當考慮結合實際工程樁的荷載特徵可採用多循環加、卸載法（每級荷載達到相對穩定后卸載到零）”，冶金工業部部標準YBJ236－91中也寫入了此種載入方法—“多次循環回零載入法”。

快速維持荷載法在載入試驗的過程中，不要求觀測樁頂下沉的相對穩定，而以等時間間隔連續載入，所測得的下沉僅為樁周土的瞬時下沉。與慢速維持荷載法相比，測得的下沉不受時間影響，整個試驗持續時間只需幾個小時。有關試驗載入分級數、測讀下沉量間隔時間、試驗終止條件以及卸載等規定，各規範和標準的規定不盡相同。《建築樁基技術規範》（JGJ94－94）中認為，“當考慮縮短試驗時間，對於工程樁的檢驗性試驗，可採用快速維持荷載法，即一般每隔一個小時加一級荷載。”冶金工業部部標準YBJ236－91中對快速試樁法的描述為“每級載入維持一小時，保持荷載穩定，每級載入的樁頂沉降測讀時間與慢速載入法第一小時測讀時間相同”，在《建築工程基樁檢測技術規範》（徵求意見稿2000）中明確提了出來，對於施工后的工程樁驗收檢測，當有成熟的地區經驗時，可採取快速維持荷載法。

A、每級荷載載入后維持1h，按5、10、15、30、45、60min測讀樁頂沉降量，即可施加下一級荷載；對於最後一級荷載，載入后沉降測讀方法及穩定標準按慢速荷載法執行；

B、卸載時每級荷載維持15min，測讀時間為第5、15min，即可卸下一級荷載。卸載至零后應測讀穩定的殘餘沉降量，維持時間為2h，測讀時間為5、15、30min，以後每隔30min測讀一次。

快速維持荷載法的基本依據是快速載入下得到的極限荷載乘以某各修正係數后，可轉換成慢速載入時的極限荷載；在設計荷載下，慢速維持荷載法和快速維持荷載法的樁頂下沉量相差不大，有文章認為在5%以內。大量試樁資料分析表明：快速維持荷載法所得的單樁承載力比慢速維持荷載法高。在上海地區，快速維持荷載法所得的單樁承載力比慢速維持荷載法高一級加荷增量左右，而下沉量要偏小百分之十幾。慢速維持荷載法試驗時間較長，且不易予估；快速維持荷載法試驗時間較短，且易予估。

隨著高層建築以及橋樑工程建設的增多，大承載力的混凝土灌注樁得到了廣泛的應用，由此而引起的試驗手段上的困難所造成的承載力試驗無法準確完成的事實越來越引起了人們的注意。在樁基大承載力的測試理論和測試方法研究上，國內外都是近幾年剛剛起步。美國在80年代中期開展了樁承載力自平衡試驗方法的研究，國內近幾年也開展了此方法的理論研究和現場實踐。東南大學土木學院於1996年將該方法用於現場實踐，取得了良好的社會效益和經濟效益。樁承載力自平衡試驗方法是在樁端附近安裝荷載箱，荷載箱由活塞、頂蓋、底蓋及箱蓋等組成，在上下頂蓋布置位移測量裝置，然後沿垂直方向載入，即可同時測得樁端阻力和樁側摩阻力以及上下頂蓋的位移值，從而得到試驗結果數據與曲線。該方法有以下特點：

i. 試驗裝置簡單；

ii. 可直接測得端阻和側阻；

iii. 經過處理后，試樁仍可用做工程樁；

隨著電子技術的發展，樁基靜載測試技術也向著自動化測試方向不斷發展。在早期階段，還只是使用“點動”裝置，實現了加壓的電動泵控制。到了80年代，天津建築科學研究院率先研製出了具有當時較高水平的“自動化”靜載測試儀，可惜的是並沒有形成商品化，只是在內部使用；隨後，江蘇省徐州建築科學研究所研製成功並商品化了在當時技術含量較高的自動化靜載測試儀，雖然還存在許多不盡人意的地方，但這畢竟代表著在樁基靜載荷測試儀的研發方面走在了世界前面。進入90年代以後，又有許多單位從事此項儀器的開發工作，1996年，武漢岩海公司研製成功了具有當時較高水平的自動化靜載測試儀，進入21世紀以後，在自動化靜載測試儀的研製開發方面，武漢建科科技有限公司異軍突起，將先進的虛擬儀器技術和無線數據傳輸技術應用到了自動化靜載測試儀的研製開發上面，先後推出了ST1000型靜載測試儀和ST2000型靜載測試儀，實現了在一種型號儀器內多種測試方法並存的無線數據採集系統，解決了現有的測試儀器只能做單一的樁基檢測的弊端，可以提供給用戶多種測試模式。

1、檢測人員素質參差不齊，有些單位的檢測人員是剛進城的民工，從而造成對標準規範執行的偏差，記錄不符合要求，現場操作馬虎，有些檢測單位甚至是三無單位：無檢測資質、無檢測人員、無檢測設備；

2、現場準備工作不認真，測試儀錶不符合要求，特別是現場基準梁的架設以及錨樁、基準樁、試樁間的布置間距不符合規範的規定，在載入設備方面，受現有設備的限制，採用大千斤頂量測小噸位樁，這就如同大稱稱輕物，其精度不可能滿足測試要求；

3、不認真執行規範制定的試驗步驟，提前加壓或記錄，卸載時不進行回彈觀測；

4、檢測報告不規範，內容過於簡單，無工程概況及土層分佈情況。

5、樁基靜載試驗中的任何試驗數據都必須從經過定期計量標定的測量器具上獲得，這樣的數據才能是真實的數據，但在中國有一定數量的樁基檢測單位，其所使用的千斤頂、油壓表、百分表、自動化測試儀有的幾年不標一次，有的甚至沒有計量器具許可證。

傳統的樁基靜載試驗的慢速維持荷載法費時、費力，已遠不能適應當前樁基檢測工作的發展，在快速荷載試驗法的技術上，我們有許多試驗單位都作了大量的現場試驗對比工作。從國外的發展情況來看，快速荷載試驗法將是一個試驗手段的發展方向。在這方面，有些地方規範已明確規定了快速荷載試驗法的試驗步驟，在國家規範方面，《建築工程基樁檢測技術規範》（徵求意見稿2001）中已明確提出了試驗方法步驟。

樁承載力自平衡試驗方法是大承載力樁基靜載試驗的一種發展方向，但這種技術方法還剛剛興起，其理論研究還在進行當中，該試驗所得到的各種圖表數據與傳統的試驗結果圖表還有許多需要對比研究的地方。在現場設備安裝時，荷載箱的放置位置會影響到樁側阻力和樁端阻力的發揮，國外荷載箱一般放在樁端，這是因為國外試樁樁端一般都位於堅硬的持力層中，而我國各地的情況就有所不同，所以在設備安裝前要事先進行計算，將荷載箱安裝在合適的部位。該方法測出的上段樁的摩阻力方向是向下的，與常規方法測出的摩阻力方向相反，這方面還需要做進一步的理論研究與現場對比試驗。

作為樁基工程的使用量和檢測量的大國，相信隨著測試理論和技術的不斷完善、國際交流的不斷廣泛開展，我國的樁基靜載試驗將越來越走向成熟並形成自己的特色。

靜載試驗中，作用於樁上的荷載一般由反力裝置提供。反力裝置的易用程度直接影響著試驗的過程和結果，常用的有堆載反力裝置和錨樁反力裝置。

（1）堆載反力裝置就是在樁項使用鋼樑設置一承重平台，上堆重物，依靠放在樁頭上的千斤頂將平台逐步項起，從而將力施加到樁身。反力裝置的主梁可以選用型鋼，也可用自行加工的箱梁，平台形狀可以根據需要設置為方型或矩形，堆載用的重物可以選用砂袋、混凝土預製塊等。

（2）錨樁反力裝置在具體的應用中又可根據反力錨的不同分為兩種：將反力架與錨樁連接在一起提供反力的，俗稱錨樁反力裝置。

錨樁反力裝置就是將被測樁周圍對稱的幾根錨樁用錨筋與反力架連接起來，依靠樁頂的千斤頂將反力架頂起，由被連接的錨樁提供反力，提供反力的大小由錨樁數量，反力架強度和被連接錨樁的抗拔力決定。錨樁反力裝置一般不會受現場條件和載入噸位數的限制，當條件允許，採用工程樁作錨樁是最經濟的，但在試驗過程中需要觀測錨樁的上拔量，以免拔斷，造成工程損失。

錨桿反力裝置是將幾隻螺旋鑽鑽入地下或在岩基中植入錨桿，使用地錨提供反力，俗稱錨桿反力裝置。小噸位基樁、複合地基以及岩基載荷板試驗，小巧易用的地錨就顯示出了工程上的便捷性。地錨根據螺旋鑽受力方向的不同可分為斜拉式(也即傘式)和豎直式，斜拉式中的螺旋鑽受土的豎向阻力和水平阻力的影響，豎直式中的螺旋鑽只受土的豎向阻力的影響，而在基岩中植入錨桿主要受基岩自身的強度及植入深度的影響。