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:Q u k=(Q u+-G p)/λ+Q u-k为桩抗压极限承载力式中: QuQ u+为上段桩极限承载力实测值，按《公路桥涵施工技术规范》(JTJ041-2000)附录B “试桩试验办法”确定；Q u-为下段桩极限承载力实测值，按《公路桥涵施工技术规范》(JTJ041-2000)附录B “试桩试验办法”确定；G p为荷载箱上部桩有效自重；λ为系数,对于粘土、粉土,λ=0.8；对于砂土,λ=0.7；对于岩石,λ=1.0。
该判断方法适用于上、下段桩的极限承载力均测出的情况，且该法得出的载力值与位移无对应关系。
2、轴力计算应变量可由桩身预埋的应变计读数求得，其计算公式为:εS=Kε读+B式中：ε—应变计在某级荷载作用下的应变量；Sε读—应变计在某级荷载作用下读数；K—应变计系数；B—应变计计算修正值；在同级荷载作用下，试桩内混凝土所产生的应变量等于钢筋所产生的应变量，相应桩截面微单元内的应变量即为钢筋的应变量，其计算公式如下：εc=εSσc=εc E cσs=εS E sP z=σs A s+νσc A c式中：εc—某级荷载作用下桩身截面混凝土产生的应变量；σc—某级荷载作用下桩身截面混凝土产生的应力值(kN/m2)；σs—某级荷载作用下钢筋产生的应力值(kN/m2)；ν—混凝土的塑性系数；E c—桩身混凝土弹性模量(kN/m2)；E s—钢筋弹性模量(kN/m2)；A s—桩身截面纵向钢筋总面积(m2)；A c—桩身截面混凝土的净面积(m2)；P z—某级荷载作用下桩身某截面的轴向力(kN)；在建立试桩标定截面处的P z—P si相关方程后，各量测截面的桩身轴向力P z值便可由相应的相关方程求得。
3、摩阻力计算各土层桩侧摩阻力q s可根据下式求得：q s=△P z/△F式中：q s —桩侧各土层的摩阻力(kN/m2)；△P z—桩身量测截面之间的轴向力P z之差值(kN)；△F—桩身量测截面之间桩段的侧表面积(m2)。
4、截面位移计算为了得到桩周土摩阻力q s随桩身沉降S的变化规律。
即求得桩侧实测的传递函数Q s—S关系，需确定各计算深度处桩身位移S i值，方法如下：S i=S i+1－△i式中：S i—第i计算截面处的沉降量(Inm)；S i+1—第i+1计算截面处的沉降量(Inm)；△i—第i+1截面到第i截面间桩身的弹性压缩量(mm)，依据虎克定律按下式计算：△i=（P z,i+P z,i+1）L i/（2A n E c）式中：P z,i—第i截面桩身轴向力(kN)：L i—第i+1截面至第i截面处桩段长度(m)：A n—桩身换算截面面积：A n=πr2+nA s（E s/E c－1）式中：r—试桩半径（mm）；n—主钢筋根数；A s—单根主筋面积。
1.2.2 等效转换方法传统静载试验的荷载作用于桩顶，桩侧摩阻力由桩顶向下逐渐发展，桩侧摩阻力方向向上，而在自平衡法中，上段桩的摩阻力由荷载箱处向上发展且方向向下，其受力机理与传统方法不同。
由于荷载箱将试桩分为上、下两段桩，因而荷载传递也分为上、下段桩来分析。
对于下段桩，似乎与传统静载试验的受力是一致的，但由于向上的托力通过上段桩身对周围土层产生向上的剪切应力，降低了下段桩周围土层的有效自重应力，其应力场与堆载法相应部位桩周土层的应力场是不同的。
对于上段桩，由于向上的托力，上段桩承受的负摩阻力，但上托力作用点位于是桩下端，因而与抗拔桩的负摩阻力的分布不同。
在桩承载力自平衡测试中，测定了荷载箱的荷载、垂直方向向上和向下的位移量，以及桩在不同深度的应变，通过桩的应变和断面刚度，由上述公式可计算出轴向力分布，进而求出不同深度的桩侧摩阻力，利用荷载传递解析方法，将桩侧摩阻力与变位量的关系、荷载箱荷载与向下变位量的关系，换算成桩顶荷载对应的荷载—沉降关系(图2.3、图2.4、图2.5)。
(a) 自平衡测试曲线 (b)等效转换曲线图2.3 自平衡测试结果转换示意图Fig 2.3 Self-balance testing result convert drawing在荷载传递解析中，作如下假定：1、桩为弹性体；2、可由单元上下两面的轴向力和平均断面刚度来求各单元应变；3、自平衡测试法中，桩尖的承载力—沉降量关系及不同深度的桩侧摩阻力—变位量关系与标准试验法是相同的。