自平衡法在建筑桩基检测中的应用

 自平衡法在建筑桩基检测中的应用

刘斌宾

湖南省衡阳市建设工程质量安全监督站  421001

摘要：本文首先对自平衡法测试原理、自平衡法测试系统、自平衡法等效转换方法展开详细分析，然后以某建筑需项目为例，从试验所需的仪器与设备、实时掌握检测桩加载情况、试验曲线及其等效转化、确定极限承载力、钢筋笼加工、安装位移管及油管、混凝土浇筑几个层面入手，对自平衡法在建筑桩基检测中的应用进行系统论述，为进一步提高建筑物的安全和耐久性提供可靠支持。

关键词：自平衡法；建筑；桩基检测；原理；应用

自平衡法通过监测结构物或基础的位移和应力变化，利用力学平衡的原理进行分析，确定结构物或基础的性能状态。建筑桩基检测是指对建筑物的桩基进行评估和监测的过程，旨在通过使用各种技术和方法，对桩基的物理性质、质量状况和受力特征进行准确、全面的评估。自平衡法在建筑桩基检测中的应用具有重要的意义，能够为工程师提供全面、准确的桩基性能信息，实时监测和评估桩基的质量和稳定性。

一、自平衡法基本原理

（一）自平衡法测试原理

为了测试桩基的极限承载力，采用埋设荷载箱并进行垂直方向上或下的加载的方法,这种测试方法利用桩侧阻力作为桩端阻力的反作用力。荷载箱需要事先埋设在桩身的特定位置上，确保该位置以上的桩身能够承受接近下部桩身侧阻极限值和端阻极限值之和的抗拔极限承载力，使上部和下部的桩身都能达到极限状态。根据试验原理示意图，如图1所示，分别计算荷载箱上部和下部桩身的承载力。首先，加载荷载并测量荷载箱上部桩身的变形和反力，确定上部桩身的承载性能。加载荷载并测量荷载箱下部桩身的变形和反力，确定下部桩身的承载性能。这些数据通过测力计、应变计等传感器进行实时监测和记录。然后，适当处理上部桩身的极限承载力，例如考虑荷载的偏心作用、土壤的非线性特性等因素，得到更准确的结果。最后，将处理后的上部桩身的极限承载力与下部桩身的极限承载力相加，得到整个桩基的极限承载力。通过这种方法，能够准确测试桩基的极限承载力，并对桩身的不同部分进行评估。这对于工程设计和施工过程中的桩基稳定性评估非常重要。

图1 测试原理示意图

（二）自平衡法测试系统

自平衡法测试系统是一套用于实施自平衡法桩基检测的完整设备和工具组合。它通过传感器和测量设备监测桩基的动态变化，利用数学模型和计算算法推断桩基的受力状态和稳定性，并通过数据分析和结果显示提供准确的评估结果，有效地评估桩基的质量和稳定性，为工程师提供决策依据，确保建筑物的安全性和可靠性，如图2所示。自平衡法测试系统包括各种传感器和测量设备，用于监测和记录桩基的位移、应变、倾斜等参数。这些传感器是应变计、位移传感器、倾斜计等，能够实时捕捉桩基的动态变化，并将数据传输给数据采集单元；数据采集单元是用于接收和记录传感器数据的设备，负责实时采集传感器所测量的位移、应变等数据，并将其存储在系统中进行后续的分析和处理；自平衡法测试系统还包括数学模型和计算算法，用于基于采集的传感器数据进行分析和计算。这些数学模型基于力学平衡原理，考虑桩基及其周围土壤的力学特性，建立桩基的受力平衡方程。通过应用适当的计算算法，系统推断出桩基的受力状态和稳定性；自平衡法测试系统还提供数据分析和结果显示功能，通过对采集的传感器数据进行分析和计算，系统能够生成桩基的评估结果，并将其以图形、表格或报告的形式显示出来，使工程师直观地了解桩基的质量和稳定性情况，并根据结果作出相应的决策；自平衡法测试系统通常配备有控制和操作界面，用于控制系统的运行和操作，工程师通过界面设置测试参数、监测数据采集过程，并查看测试结果。

图2自平衡测试示意图

（三）自平衡法等效转换方法

目前，在国内外，转换Q-s曲线的方法是根据向上和向下位移同步的原则进行拟合。具体的拟合过程如图3所示。根据两种测试方法的受力分析，得到以下公式：

图3 Q-s曲线转换图

Q = Qm + Qn…… (1)

Qm = K上(Q上 - Gp)……  (2)

Qn = K下Q下 …… (3)

其中，Q表示传统静载桩的承载力；Qm和Q上分别对应于传统静载桩和自平衡上段桩的摩阻力；Gp表示上段桩的自重；Qn和Q下分别对应于传统静载桩和自平衡下段桩的阻力；K上和K下分别是上段和下段桩的自平衡到传统静载桩的转换系数。

将式(2)和式(3)代入式(1)，得到：

Q = K上(Q上 - Gp) + K下Q下 …… (4)

工程应用时不考虑相互影响的作用，分别考虑上段和下段桩。令K下 = 1，则得到：

Q = K(Q上 - Gp) + Q下……  (5)

这是由自平衡测试结果得出的试桩承载力公式，其中K = K上。K值应通过自平衡法与受压桩的对比试验来确定[1]。

二、自平衡法在建筑桩基检测中的应用

（一）工程概况

某建筑采用钻孔灌注桩作，共检测了两根桩，cp5号试桩、cp35号试桩的，采用微风化粉砂泥岩作为桩端持力层，灌注C30混凝土。单桩承载力的特征值为12,000kN，要求进行的最大试验荷载为24,000kN。根据《建筑基桩检测技术规范》，对于这两根钻孔灌注桩的测试，根据桩的设计参数和材料特性，确定了桩的几何尺寸和标高情况、承载力的特征值和最大试验荷载

[2]。

（二）试验所需的仪器与设备

荷载箱是重要设备，如图4所示，用于加载荷载并施加到试桩上,能够提供控制荷载大小和方向的功能，模拟实际工程中桩基所承受的荷载情况。电动油泵用于提供稳定的液压力，通过控制荷载箱的升降运动，实现对试桩的垂直加载。为了测量试桩的位移量，使用了多个电子位移计。其中，两个位移计用于测量荷载箱向上的位移，另外两个用于测量荷载箱向下的位移。这些位移计通过连接到数据采集仪系统，实时监测试桩的位移变化，并将数据传输到电脑进行处理和记录。数据采集仪系统起到数据传输和记录的作用,能够将位移计测量到的数据进行采集和存储，并通过与电脑相连，实现对数据的控制和处理。通过数据采集仪系统，试验过程中的相关数据实时显示在屏幕上，便于工程师进行实时监测和分析。综合应用这些设备，实现对基桩自平衡试验中各项参数的测试和测量,通过数据的采集、记录和分析，准确评估桩基的承载能力和稳定性，并为工程设计和施工提供重要的依据[3]。

图4 荷载箱图

这些设备和系统的使用使自平衡试验的数据采集和分析变得更加精确和高效。荷载箱提供了向上和向下加载的功能，通过电动油泵控制荷载箱的移动。电子位移计用于测量荷载箱和试桩的位移情况，从而获取Q-s曲线的数据。数据采集仪系统与应变仪相连，这些设备和系统的运用提供了一种可靠的测试方法，能够准确获取桩的力学特性和承载性能。通过分析得到的曲线和数据，评估桩的稳定性和承载能力，并且为工程设计和桩基优化提供重要依据[4]。

（三）实时掌握检测桩加载情况

自平衡法在建筑桩基检测中的应用，实时掌握检测桩的加载情况。该方法利用荷载箱、电动油泵、电子位移计和数据采集仪系统等设备进行测试和测量。通过荷载箱的加载，电动油泵控制荷载箱的移动，而电子位移计则用于测量荷载箱和试桩的位移。通过应变仪与电脑相连，测量数据被传输给电脑进行处理和分析。电脑控制测量过程，并实时在屏幕上显示Q-s曲线、s-lgt曲线和s-lgQ曲线等重要参数。这种实时监测和显示的方式，使得工程师和技术人员能够准确了解桩的加载情况，包括荷载箱的位移、试桩的变形等，以及通过分析得到的曲线数据，对桩的稳定性和承载能力进行评估。通过自平衡法的应用，我们能够及时掌握检测桩的加载情况，为工程设计和桩基的优化提供了重要的参考依据[5]。

（四）试验曲线及其等效转化

自平衡法在建筑桩基检测中的一个重要应用是通过试验曲线的测量和等效转化来评估桩的承载能力。在自平衡试验中，通过荷载箱的上下加载和电子位移计的测量，得到了Q-s曲线（荷载-位移曲线）。这个曲线反映了桩在加载过程中的力学特性。然后，根据力学原理和相应的数学方法，将Q-s曲线转化为其他等效曲线，如图5、图6所示，这些等效曲线提供了更直观和可比较的信息，用于评估桩基的极限承载力和变形特性。通过对试验曲线的测量和等效转化，工程师更好地理解桩基的工作机理和性能，并作出相应的工程决策，以确保桩基在设计要求范围内的安全和稳定[6]。

图5Cp5曲线图

图6 cp5试桩等效转换曲线图

（五）确定极限承载力

根据试验曲线的分析，对于cp5号试桩，当加载达到12,000kN时，上段桩的位移为7.16mm，下段桩的位移为9.96mm，这两根试桩的整体承载能力较高，且位移较小。通过转换后的等效静载曲线的分析，更准确地评估桩的承载能力。这些数据为工程设计和施工提供了重要的参考，确保桩基在实际使用中具有足够的安全性和稳定性[7]。

（六）钢筋笼加工

根据桩的形式和钢筋笼的配筋情况，需要进行荷载箱在钢筋笼中的位置计算。确保荷载箱与钢筋笼处于同一轴线，并进行焊接，保证它们在同一位置。所有主筋都需要进行焊接，焊点的质量要得到保证，确保在吊装过程中钢筋笼和荷载箱不会脱离。为了实现这一点，连接荷载箱和油泵的油管需要事先沿着钢筋笼进行布置并进行固定，使钢筋笼和荷载箱的协调配合，并为后续的试验提供了必要的支持。焊接工作必须按照相关标准和规范进行，确保焊点的质量和可靠性。荷载箱与钢筋笼的牢固连接有助于保持试验时的稳定性和安全性，确保钢筋笼和荷载箱能够承受预期的试验荷载。在吊装过程中，连接荷载箱和油泵的油管的布置固定也非常重要，以确保油管的稳定和安全传递加载力[8]。

（七）安装位移管及油管

在完成荷载箱的焊接后，进行位移管和油管的安装。位移管和油管应沿着钢筋笼进行绑扎和固定，以确保其位置稳定。特别是对于位移管，需要进行良好的密封，避免堵塞的发生。位移管的密封性能对于后续的位移监测至关重要，因此，必须注意确保良好的密封效果。在试验过程中，位移管从荷载箱部位延伸至桩顶，以便准确监测桩的变形情况。试验完成后，使用位移管对荷载箱周围进行补浆加固，旨在增强荷载箱的固定和密封性能，确保试验结果的准确性和可靠性[9]。

（八）混凝土浇筑

钢筋笼放置并固定后，开始安放导管。导管的下口至孔底的距离要控制在30至50cm之间。安放导管后，采用循环注浆置换的方法进行二次清底操作。通过使用吊锤测线来检测孔底的浮渣情况，并确保各项指标满足设计要求后，即可进行混凝土的灌注工作。为了确保在首批灌注混凝土时，导管的出口能够埋入混凝土中至少0.8m以上，需要在承料斗内储备足够量的混凝土，确保足够的供应量进行灌注

[10]。

结束语

自平衡法在建筑桩基检测中的应用为我们提供了一种全新的解决方案，使原本难度较高的桩基质量评估变得更加准确、可靠。通过自平衡法，能够实时监测桩基的位移和应力变化，了解其在实际工作环境下的受力情况，并对桩基的质量和稳定性进行评估，不仅提供了对桩基质量的直接评估手段，还能够为工程施工和维护提供更有效的方法和指导。随着科学技术的不断进步，相信自平衡法在建筑桩基检测中的应用将会得到更广泛的推广和应用，为建筑工程的发展和安全作出更大的贡献。

参考文献：

[1]兰昌志,邓清元.自平衡法桩基检测技术在公共建筑中的应用[J].四川建材,2022,48(12):29-31.

[2]张健.自平衡法静载试验在大管桩桩基检测中的应用[J].中国水运:下半月,2022,22(5):36-38.

[3]张智.自平衡法在大直径桩基检测中的探讨[J].建材发展导向,2021,19(2):95-96.

[4]付超.桩基自平衡法承载力检测技术应用[J].建材发展导向,2021（7）：71-73.

[5]蔺媛媛.灌注桩自平衡法检测试验在公路桥梁工程中的应用[J].交通世界（上旬刊）,2022(8):66-68.

[6]王殿会,郝欣欣.自平衡法在基坑桩基承载力检测中的应用[J].建筑机械：上半月,2022(7):94-96.

[7]黄浩.基桩自平衡法检测的相关问题探讨[J].建材发展导向,2021（11）：250-252.

[8]潘学忠.桩基自平衡法静载检测与传统堆载法静载检测的对比分析[J].中国建筑金属结构,2022(7)：64-66.

[9]秦立朝蒋超.自平衡法在桩基承载能力试验检测中的应用分析[J].江西建材,2021,4(7):55-56,58.

[10]孙振强.桩自平衡法静载试验检测技术在公路桥梁工程中的应用[J].交通世界,2022(31):152-155.