自平衡法现状概述

自平衡法现状概述（精选3篇）

篇1：自平衡法现状概述

目前, “自平衡点”位置确定的方法有规范经验值法、相似模拟试验法、自平衡点改进计算方法等, 这些是方法都是利用经验统计分析得出的均值, 无论如何精确选用, 都难与测试的场地实际土质受力相符, “自平衡点“的位置也难以精确确定。计算机数值模拟分析方法能考虑实际地质条件, 计算出的摩阻力接近于实际情况, 能准确确定“自平衡点”的位置。

本文将以某工程实例对“自平衡点”位置确定进行有限元分析。研究思路是先建立自平衡试桩法有限元数值模型, 然后用实测数据验证所建模型的可靠性和参数取值的可行性, 据此再建立另一桩长下的有限元模型, 确定“自平衡点”位置, 最后根据传统静载荷试验数据验证“自平衡点”位置确定的正确性。

1 工程概况

某跨越黄河的公铁两用桥, 项目建设规模大, 基础数量多, 为节省桩基础工程数量、保证结构的安全可靠和施工的顺利, 需要进行桩基静载试验。具体是传统静载荷试验 (锚桩法) 选用南、北岸各1根工程试桩;自平衡静载试验共设6根试桩, 南、北岸原做4根, 后各补做1根。本文选用南岸2根试桩进行分析, 参数见表1。该地区地层以第四系河流相粉、细、中砂为主, 其间多夹粉土、粉质粘土薄层或透镜体。

2 试桩有限元模拟分析

2.1 计算方法及假定

有限元软件Abaqus对于非常复杂的模型和高度非线性问题的处理具有强健的计算功能和分析能力。本文采用Abaqus对超长基桩桩土相互作用进行模拟。在建模和计算过程中考虑主要因素, 结合具体问题进行简化, 做以下假定。

(1) 竖向荷载作用下, 试桩按二维平面轴对称问题进行分析, 桩体采用轴对称八节点减缩单元 (CAX8R) 离散, 土体采用轴对称四节点减缩单元 (CAX4R) 离散。

(2) 土体的弹性模量和泊松比不因桩的存在而改变。

(3) 桩土接触界面力学行为采用罚函数模拟, 分析过程中桩土间的摩擦系数不变。

(4) 桩仅考虑弹性, 土体采用Mohr-Conlomb弹塑性模型, 且为各向同性体。

(5) 在有限元数值模拟中为满足边界条件, 文中将土体分析区水平方向宽度取为桩长的1倍, 桩端下的距离取为桩长的1倍。

2.2 计算参数及注意问题

(1) 土层参数取值影响模型计算结果, 本文合并相似土层, 根据土力学公式计算各层土的计算参数, 见表2。

(2) 边界条件:在模型的两侧施加水平方向约束, 底部施加水平和垂直两个方向的位移约束。

(3) 初始地应力平衡:将重力荷载先施加于模型, 并施加相应的边界约束, 计算得到在重力荷载下的应力场, 再将得到的应力场和重力荷载一起施加于原始有限元模型, 这样便得到了一个既满足平衡条件又不违背屈服准则的没有位移的初始应力场。

2.3 有限元模型的建立、结果分析及模型可靠性验证

根据以上内容和自平衡加载方式, 建立2#试桩有限元模型, 由计算结果绘制的Q～S曲线图见图1。

由图1可以看出, 计算位移值与实测值基本吻合, 因此所建自平衡试桩法的有限元模型是可靠的。

3 数值模拟法确定“自平衡点”位置

“自平衡点”位置的力学解释是自平衡试桩法中使桩自重加上段桩桩侧阻力的和与下段桩桩侧阻力加桩端阻力的和相等的荷载箱位置。

(1) 预先给定桩基以荷载箱位置0.3il, 即距桩端22.5m, 建立1#试桩自平衡试桩加载模型, 过程同2#试桩, 在此不再赘述 (与2#试桩属同一地区, 地质参数相同) 。

(2) 在上段桩桩底 (平面A) 和下段桩桩顶 (平面B) 同时施加等大的分级荷载Ni (i=2, 3, 4……) , N2=2000k N, 则每级荷载Ni对应一上端桩底上位移SAi和下段桩底下位移SBi;利用数据 (Ni, SAi SBi) 绘制出自平衡试桩法的加载—面A/B位移曲线。

(3) 若下段桩位移先发生剧变, 则下段桩首先达到极限承载力, 荷载箱位置较自平衡点位置偏下, 则将荷载箱位置相应上移一距离∆l1, 由于曲线发生剧变位置的荷载较大, 改变荷载箱位置时不应步幅太大, ∆l1取一较小值, 这里∆l1取0.1L (L为超长桩桩长) , 即7.5m, 此时据桩端30m, 再次建立自平衡加载模型 (采用命令流方法) , 可得到新“自平衡点”位置下 (Ni, SAi;SBi) 和加载位移曲线。

(4) “自平衡点”位置利用二分法逼近, 当N-SA与N-SB同时发生剧变时停止运算, 可得荷载箱位置为25.26m, 即0.337l处, 此时的荷载箱位置即为此桩的“自平衡点”位置。

4“自平衡点”位置确定可靠性验证

1#试桩传统法极限承载力下所测桩端阻力为:Qp=565k N, 当桩侧摩阻力Qs上-Qs下=565k N, 即时即为平衡点位置。

由实测极限摩阻力表可得每层处累计极限摩阻力如表3所示。

由表3中累计极限摩阻力可得, 当sQ上=9743.37k N时, sQ下=8149.63k N, Qs上-Qs下=1593.74k N>565k N, 此时平衡点位置位于-5 0.5 5 m处;此时将其位置上移, 当sQ上=8372.97k N, sQ下=9520.03k N, Qs上-Qs下=-1147.06k N<565k N, 则平衡点位置在-45.55m～-50.55m之间, 而由实测数据知此层的摩阻应力为5 8.2 k P a, 则由此得方程组:

可得a=3.384mb=1.616m, 则平衡点位置在-48.93处, 即距桩底26.07m处, 即为0.348l处, 与模型所得25.26m (0.337l) 处基本吻合, 利用数值模型所得“自平衡点”位置准确。

5 结语

(1) “自平衡点”位置确定是影响自平衡试桩法试验结果的关键因素, 传统计算“自平衡点”位置的方法都是利用经验统计分析得出的, 难与测试的场地实际土质受力相符。计算机数值模拟分析方法能考虑实际地质条件, 能利用有限元数值计算的方法较准确确定“自平衡点”位置。

(2) 有限元方法计算可靠的关键是相关计算参数的选取, 有条件可参照类似地质情况的实测试桩数据对模型加以验证, 验证可靠性后可用于确定不同桩长的“自平衡点”位置。

参考文献

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[2]龚维明, 翟晋, 薛国亚.桩承载力自平衡测试法的理论研究[J].工业建筑, 2002, 32 (1) :37～40.

[3]杨忠, 佴磊.自平衡测桩技术中“平衡点”位置确定[J].水文地质工程地质, 2006, 3:117～120.

篇2：自平衡法现状概述

【摘 要】本文通过对用自平衡法作基桩静载检测的监控，阐述了在检测过程中需要监督的几个质量要点。

【关键词】自平衡法；基桩检测；监控要点

Self-balancing Detect Foundation Pile of Quality Supervision Essentials

Pan Wei1，Yang Qiu-liang2

（1.Fenyi County Construction Project Quality Supervision Station Fenyi Jiangxi 336600；

2.The Fenyi Engineering Construction Supervision Co.， Ltd Fenyi Jiangxi 336600）

【Abstract】Based on the self-balancing method for the foundation pile static load detection monitoring on the quality of several points need to monitor the testing process.

【Key words】Self-balancing law；Foundation pile test；Monitoring points

用自反力平衡测试桩法（以下简自平衡法）作基桩静载检测，是目前基桩静载检测中的一种较新的检测方法。采用自平衡法作基桩静载检测的原理：是在基桩施工阶段，将一种特制的液压千斤顶式的自平衡荷载箱与基桩的钢筋笼连焊在一起，安放在桩身的指定位置，同时将荷载箱的输压管和位移棒接伸出桩顶，测试时由高压油泵通过输压管对荷载箱充油加压，从而使荷载箱处自动产生上部桩身向下的摩擦力、和荷载箱处下部桩身向上的摩擦力、以及桩端阻力。随着通过对上段桩的摩擦力和下段桩的摩擦力以及桩端阻力相平衡的维持加载，再根据加载时所得到的两条荷载——位移曲线（即向上、向下的Q-S和S-lg曲线）来确定出基桩的承载力。用自平衡法作基桩的静载检测，它与传统的堆载法作基桩的静载检测相比，其特点是：测桩装置比较简单，不占用场地，不需运入数百吨或数千吨的物料，不需构筑笨重的反力架，测试桩的准备工作省时省力，检测时十分安全，对施工工地无污染，检测后的基桩仍可作为工程桩使用。采用自平衡法作基桩的静载检测，特别适合于大口径的桥梁基桩和大吨位的建筑基桩，以及施工场地不能满足常规静载检测要求的工程桩。同时也可用自平衡法来测定基桩的侧阻或端阻的单项极限值。采用自平衡法对单桩承载力检测，是对不能采用传统堆载法作单桩静载检测时的一种补充方法。但是用自平衡法检测基桩也有它的不足之处：一是基桩必须是事先确定的，这对整批工程桩而言，它缺乏随机性；二是采用自平衡法作基桩检测时，平衡箱制作和安装的好坏也将直接影响到检测数据的真实性。笔者根据多次对采用自平衡法作桩基静载检测的过程监控，谈谈在采用自平衡法作桩基静载检测中，应当注意监督的几个质量要点：

1. 认真审查检测单位编写的桩基检测专项方案。特别要仔细核对方案中所选定的桩位、桩径，桩的承载力特征值是否与设计基桩相符，拟选择的荷载平衡箱的尺寸是否与桩的钢筋笼内径尺寸基本相符，荷载平衡箱的制作和安装中的技术参数是否符合要求。在自平衡检测基桩过程中的控制措施是否得当。

2. 严格控制自平衡荷载箱的制作和安装质量。

（1）所制作的自平衡荷载箱的外形尺寸应不小于钢筋笼的内径尺寸，因为当荷载箱的外形尺寸小于被测基桩所设计的钢筋笼的内径尺寸时，其检测数据在换算过程中，容易导致承载力的推定值产生过大的误差，直接影响基桩检测结果的真实性。所以在自平衡荷载箱制作完并运到施工现场后，监理应对自平衡荷载箱上所标注的内径尺寸、外径尺寸、额定荷载值、张拉行程、额定油压、活塞面积以及出厂编号等参数进行复查，在检查荷载箱制作符合测桩方案中的要求后，方可允许焊接输压管和位移棒，在平衡箱与钢筋笼焊接好后，还应检查焊接质量，在符合要求后，方可允许安装。检查完毕，应作好全部检查记录，安装过程还需拍照留样。

（2）另外，要求安放自平衡荷载箱的基桩底部应平整，因为荷载箱底部不平整，容易引起荷载箱处产生过大的向下位移，从而引起荷载箱上下桩身段的阻力不平衡而使检测数据失真，因此在安装荷载箱之前，应先在桩底浇灌一层与桩身混凝土强度等级相同的混凝土作为垫层，在混凝土垫层还未初凝前，将荷载箱水平安放在砼垫层上面，并检查荷载箱安装符合要求后，再浇灌桩身混凝土。

3. 选择适合的测桩时间和测桩条件一般在桩身混凝土强度不低于设计要求强度的85%（一般在15d）后，方可开始作自平衡检测。检测前应先采用小应变法或超声波法对桩身作完整性检测，以确定桩身有无缩颈、断桩和所浇灌的混凝土有无大的蜂窝、孔洞等缺陷。在检测符合要求后，方可开始作自平衡检测。

4. 全程监控自平衡测桩过程，并作好详细的记录。对于测桩的加载：一般采用慢速维持荷载法，即逐级加载法。一般每隔1h加一级荷载；对于加载的分级：可按预估的极限荷载的1/10～1/5进行加载，第一级可按2倍分级荷载加载；对于桩顶的沉降观测：在每级荷载施加后维持1h，按第5min、15min、30min、45min、60min测读桩顶的沉降量，以后每隔15min测读一次。在测读时间累计1h时，若最后15min时间间隔的桩顶沉降增量与前阶段的桩顶沉降量相比，未明显收敛时，应延长维持荷载时间，直至最后15min的沉降增量小于相邻15min的桩顶沉降增量为止；对于加载的终止条件：当出现下列情况之一时，即可终止加载：

（1）已达到预定的加载值或桩体在检测加载中已破坏。（2）在某级荷载作用下，桩的沉降量为前一级荷载作用下的沉降量的5倍。（3）在某级荷载作用下，桩的沉降量大于前一级荷载作用下沉降量的2倍，且经24h尚未达到相对稳定。（4）累计上拔量超过20～40mm（工程桩检测取小值，设计试桩取大值）。

（5）向上位移量和向下位移量合计超过荷载箱活塞的有效行程；对于卸载的观测：每级卸载值为每级加载值的2倍，每级卸载后隔15min测读一次残余沉降值，读两次后，隔30min再测读一次，即可卸下一级荷载。卸载至零后，还应测读桩顶残余沉降量，隔3～4h再测读一次。

5. 受检基桩在检测完后的处理对于试桩，在检测完后可不必作处理；对于工程用桩，在做完全自平衡检测后，应通过预埋管对荷载箱进行加压注浆处理。

6. 结束语

篇3：自平衡测桩法现场试验分析

1 试验原理及装置

自平衡测桩法[3]是在桩尖附近安设荷载箱, 沿垂直方向加载, 试验时, 在地面上通过油泵加压, 上段桩与下段桩互为“堆重”, 实现自平衡, 桩侧阻力及桩端阻力随之发生作用, 即可同时测得桩端承载力和桩侧摩阻力。对于一般尺寸的桩可做原型桩试验, 而对于大直径嵌岩桩 (D≥1.5 m) 可先测得小直径模型桩 (D≥0.8 m) 的端阻及侧阻单位面积承载力, 再按尺寸换算求得大直径桩的桩端及桩侧总阻力。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。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底后, 即可浇捣混凝土成桩。试验设备荷载箱中的压力可用压力表测得, 荷载箱的向上向下位移可用位移传感器测得, 传至数据采集和分析系统, 由计算机自动处理。

2 现场试验分析

2.1 现场测试情况

本次试验是以某特大桥大直径嵌岩钻孔灌注桩的现场自平衡试验为依托, 主桥采用刚性悬索加劲钢桁梁, 空间三桁承重结构, 上部结构传到基础的荷载大, 基础持力层主要为泥质砂岩, 极限强度较低。基础拟采用桩基础, 桩径1.50 m～2.20 m。荷载箱的放置位置要以使上段桩的侧摩阻约等于下段桩的侧摩阻与端阻之和为原则。根据地质勘察报告提供的侧摩阻力和端阻力建议值, 通过计算来预估。根据自平衡试桩法原理和上述计算依据, 最后确定的荷载箱位置为离桩底3.1 m。本文中挑选了有代表性的冲孔灌注桩N2AT号试桩测试数据进行分析, 试桩N2AT为非工程桩, 桩身混凝土和成桩工艺同工程桩, N2AT试桩先加载到30 000 kN, 然后卸压到0后进行桩底注浆试验, 待浆液凝固3 d后再次试验加载到45 000 kN;N2AT桩桩径1.5 m, 桩长33 m, 混凝土等级为C35, 设计荷载150 000 kN, 最大试验荷载45 000 kN。

2.2 现场测试数据

N2AT号试桩第一阶段试验于2008年10月16日晚8点开始进行, 试验连续进行了28 h, 逐级加载到3 520 t后卸载到0。表1为第一阶段荷载—位移 (P—S) 实测数据。

N2AT号试桩桩底压浆后, 于2008年10月26日上午10点开始进行加载试验测试, 按要求逐级加载到4 800 t后卸载到0。表2为第二阶段荷载—位移 (P—S) 实测数据。

3 实测数值与理论计算值分布的比较

3.1 有限元建模分析

桩周岩土体采用莫尔—库仑材料模型, 桩体采用线弹性模型。桩与桩周岩土体之间、桩底与岩层间设置了接触单元。

3.2 实测值与计算值比较分析

图1为荷载与荷载箱向上位移、向下位移和桩顶位移的实测值与计算值的比较图。从图中可以看出, 在相同的荷载作用下, 桩顶位移实测值与计算值比较吻合。荷载箱向上位移计算值大于实测值, 计算值为3.01 mm, 实测位移为1.9 mm;向下位移曲线在最后几步加载与实测曲线吻合得较好。从计算得到的向下位移曲线可以看出, 曲线可以分成三个阶段:第一个阶段为弹性变形阶段, 在此阶段, 桩侧摩阻力得到了发挥。第二阶段是桩底沉渣压密阶段, 在此阶段, 桩沉降曲线下降得较快, 随着沉渣的逐步压密, 其弹性模量逐渐增大, 桩端岩层开始发挥承载效应。第三阶段为桩底岩层承载阶段, 在这个阶段, 桩底岩层承载力得到充分发挥, 乃至破坏。

4 结语

1) 模拟计算桩顶位移的发展趋势及结果与实测结果基本一致, 上段桩位移的发展趋势与实测值一致, 结果大于实测值。2) 在荷载箱荷载作用下, 下段桩开始阶段位移的发展比较缓慢, 这与实测结果一致。随着侧阻达到极限, 位移快速发展, 但是与实测结果相比发展速率要小。3) 通过对试验结果和有限元模拟结果的对比分析, 验证了自平衡试桩法的可靠性。4) 由于桩基自平衡现场试验较少, 本文得出的结论难免有局限性, 以后应加强这方面的研究, 进一步深化其理论分析。

摘要：以某特大桥大直径嵌岩钻孔灌注桩的现场自平衡试验为依托, 以现场测试数据为依据, 建立有限元模型进行模拟分析。数值分析值与现场实测值的对比表明:模拟计算桩顶位移的发展趋势及结果与现场实测结果基本一致, 上段桩位移的发展趋势与实测值一致, 结果大于实测值。

关键词：自平衡测桩法,现场试验,荷载—位移变化规律,数值分析

参考文献

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