张卫东 董道军
（武汉建科科技有限公司，武汉，430074）（中国地质大学，武汉，430074）
摘要：概述了我国桩基静载测试工作的发展历程，对桩基静载测试技术做了简要介绍，同时展望了桩基静载测试工作的发展前景。
关键词：桩，承载力
Abstract: This paper is trying to gave a
general review on the chinese static_load test of pile,some experiences and
formulae have been introduced,and look into the future development for
static_load test of pile.
Key words: pile,bearing capacity
一、
前言
桩基静载试验是一项方法成立，理论上无可争议的桩基检测技术。在确定单桩极限承载力方面，它是目前最为准确、可靠的检验方法，判定某种动载检验方法是否成熟，均以静载试验成果的对比误差大小为依据。因此，每种地基基础设计处理规范都把单桩静载试验列入首要位置。一般情况下，桩基静载试验的成果数据，如单桩承载力、沉降量等均认为是准确、可靠的，这已为无数的工程实例证明。
二、
我国静载试验的发展
桩基静载测试技术是随着桩基础在建筑设计中的使用越来越广泛而发展起来的。新中国成立以前，在国内基本上没有桩基静载测试技术的发展，新中国成立以后，桩基静载测试技术才逐步发展起来，就拿西南边陲省份云南来讲，50年代末和60年代初，就有了在预制桩上进行的静载试验，单因为桩基础的使用量很少，故试验的数量也少。进入到80年代以后，随着改革开放的深入，基本建设规模的逐年加大，特别是灌注桩在工程上的广泛应用，我国的桩基静载测试技术也进入了一个全新的发展时期。
1、测试理论的发展
桩基测试技术理论的发展本身促进了桩土荷载传递机理理论的研究，而这一直是国内外岩土工程界研究的热点，在这方面我国的学者也通过试验研究发表了许多自己的理论方法。我国的沈保汉分析了大量的为测试位移和应力数据而埋有实测元件的试桩资料，结果表明：
(1)S—㏒Q法的极限荷载是桩侧摩阻力得到充分发挥时的荷载，相应于极限荷载时的极限桩顶下沉量Su（即桩土间相对位移量）与桩的类型、桩径和施工方法等有关；对于同一施工类型的桩，一般说来，按摩擦桩、端承摩擦桩和摩擦端承桩的顺序排列，Su依次增大；
(2)大直径钻孔桩的Su值比小直径钻孔桩的Su值大；
(3)打入式预制桩和钻孔灌注桩的Su也有较大差别
(4)施工工艺和施工质量对钻孔桩的极限荷载Qu和极限桩顶下沉量Su有较大影响。
在桩的破坏模式研究方面，赵明华认为应分为三种模式，即：屈曲破坏、整体剪切破坏、刺入破坏；沈保汉认为应分为四种模式，即：端承摩擦桩的整体剪切破坏、摩擦桩的整体剪切破坏、摩擦端承桩的刺入剪切破坏、端承桩的屈曲破坏。
在依靠桩的下沉量确定桩的极限承载力方面，我国《建筑地基基础设计规范》（GBJ7－89）规定：当Q－s曲线无明显的拐点时，可取桩顶总沉降量为40㎜时相应的荷载值为单桩极限承载力；《建筑桩基技术规范》（JGJ94－94）规定：对于缓变型Q～s曲线一般可取s＝40～60mm对应的荷载，对大直径桩可取s＝0.03～0.06D(D为桩端直径，大桩径取低值，小桩径取高值)所对应的荷载值；对于细长桩(l/d>80)可取s＝60～80mm对应的荷载。沈保汉建议，对直径为0.3m～0.5m的打套管成孔灌注桩可采用桩顶下沉量为桩径的10％所对应的荷载为极限荷载；对于钻孔扩底灌注桩可取桩顶下沉量为扩大头直径7％所对应的荷载为极限荷载。
在判定桩的屈服荷载方面我国的牛冬生和沈保汉建议按试验数据的数学特征来确定Q—s曲线上的屈服荷载，其解法如下：
A． 求某级荷载Q
下的Q—s曲线斜率K
B． 求K
的二阶导数
C． 绘制
折线连接图，在此图上，每级荷载的数学特征极为明显，如图1所示，B的荷载接近S—lgQ曲线的极限荷载Q
，而峰值A的荷载相应于Q—S曲线上的屈服荷载Q
。
图1 
法
在极限承载力的预估计算方面我国陈宗岳在1978年按最小曲率半径导得的Qu式为：
赵明华更提出了调整双曲线法预估计算极限承载力，公式为：
随着各种预测理论的研究，我国有学者提出了灰色预测理论预估极限承载力。灰色预测理论是近二十年才发展起来一种新理论。目前，它己广泛地应用于工业、农业、能源、交通、社会科学等诸多领域，最近几年，已有不少人将这一理论应用于岩土工程，并取得了明显的效果。利用这种方法，可以通过载荷试验的部分己知数据对不同沉降时相应的桩身荷载值进行预测。
该方法的基本原理是以一组完全的单桩竖向抗压静载荷试验Q—s曲线为基础，取该曲线的前几级荷载下沉降原始数据进行分析，进而对Q—s曲线的发展趋势作出预测。考虑到一般静载荷试验做到破坏时的加荷级数为10—15级。故一般取前10级建立相应的GM(1，1)模型进行预测。预测所选用的级数少，经济效益越明显：预测时所选用的级数多，预测精度会有所提高，但当级数过多时，就失去了预测的意义。灰色预测方法对于以沉降控制来确定承载力的大直径桩、超长桩和嵌岩桩效果明显。
以第k级荷载下的沉降量△S（k）为一个数据，可以得到一组数据序列△S，△S=（△S（1），△S（2），…，△S（k））。将S进行累加生成可得到另外一组数据，S=（S（1），S（2），…，S（k））。其中，其中S（k）为第k级荷载作用下的累加沉降量。
对于等量加荷试验，可对S（k）建立如下的GM(1，1)预测模型：
式中 
、u—待定系数；
由最小二乘法，可有下式得到待定系数
、u：
式中
则
这样我们就可以得到不同荷载下响应的沉降量，进而就可以确定对应沉降下单桩的竖向抗压承载力值。
2、测试实践的发展
在桩基静载测试技术的起步阶段，由于设计单桩的承载力较低，所以现场用来试验的设备也相对简单。在早期的试验过程中，提供反力的配重并不是一下子全部预先加上的，而是根据试验的进度，将配重逐渐加上。随着现场测试技术的发展，配重物由石块、水箱发展到了砂袋、砼预制块等；反力装置也由堆重平台装置发展到了锚桩反力装置、堆重锚桩联合装置等；加载设备也由直接将配重物堆放在试桩桩头上，发展为使用千斤顶提供反作用力，加压泵由手动发展为了电动；观测用的量测表也由机械式百分表发展为大量程、高精度的电子位移计。
在测试方法上，我国大部分的检测规范（规定）都制定的是“慢速维持荷载法”，具体作法是按一定要求将荷载分级加到桩上，在桩下沉未达到某一规定的相对稳定标准前，该级荷载维持不变；当达到稳定标准时，继续加下一级荷载；当达到规定的终止试验条件时终止加载；然后在分级卸载到零。试验周期一般为3～7天。《建筑地基基础设计规范》（GBJ7-89）和《建筑桩基技术规范》（JGJ94－94）都提供了该试桩方法。但有关试桩入土后的间隔时间、分级标准、测读下沉量间隔时间、试验终止条件以及卸载规定等项目，各规范和标准的规定不尽相同。《建筑桩基技术规范》（JGJ94－94）规定：每级加载为预估极限的1/10～1/15，第一级可按2倍分级荷载加荷。每级加载后间隔5、10、15min各测读一次，以后每隔15min测读一次，累计1h以后每隔30min测读一次。每次测读值计入试验记录表。每一小时的沉降不超过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，可加一级荷载。
在上海市等地区和某些港口工程等也有使用多循环加卸载试验法，此方法国外用的较为广泛，它主要是对每一级荷载进行重复加载卸载循环。《建筑桩基技术规范》（JGJ94－94）中提到“当考虑结合实际工程桩的荷载特征可采用多循环加、卸载法（每级荷载达到相对稳定后卸载到零）”，冶金工业部部标准YBJ 236－91中也写入了此种加载方法—“多次循环回零加载法”。
快速维持荷载法在加载试验的过程中，不要求观测桩顶下沉的相对稳定，而以等时间间隔连续加载，所测得的下沉仅为桩周土的瞬时下沉。与慢速维持荷载法相比，测得的下沉不受时间影响，整个试验持续时间只需几个小时。有关试验加载分级数、测读下沉量间隔时间、试验终止条件以及卸载等规定，各规范和标准的规定不尽相同。《建筑桩基技术规范》（JGJ94－94）中认为，“当考虑缩短试验时间，对于工程桩的检验性试验，可采用快速维持荷载法，即一般每隔一个小时加一级荷载。” 冶金工业部部标准YBJ 236－91中对快速试桩法的描述为“每级加载维持一小时，保持荷载稳定，每级加载的桩顶沉降测读时间与慢速加载法第一小时测读时间相同”，在《建筑工程基桩检测技术规范》（征求意见稿2000）中明确提了出来，对于施工后的工程桩验收检测，当有成熟的地区经验时，可采取快速维持荷载法。试验步骤为：
A、每级荷载加载后维持1h，按5、10、15、30、45、60min测读桩顶沉降量，即可施加下一级荷载；对于最后一级荷载，加载后沉降测读方法及稳定标准按慢速荷载法执行；
B、卸载时每级荷载维持15min，测读时间为第5、15min，即可卸下一级荷载。卸载至零后应测读稳定的残余沉降量，维持时间为2h，测读时间为5、15、30min，以后每隔30min测读一次。
快速维持荷载法的基本依据是快速加载下得到的极限荷载乘以某各修正系数后，可转换成慢速加载时的极限荷载；在设计荷载下，慢速维持荷载法和快速维持荷载法的桩顶下沉量相差不大，有文章认为在5%以内。大量试桩资料分析表明：快速维持荷载法所得的单桩承载力比慢速维持荷载法高。在上海地区，快速维持荷载法所得的单桩承载力比慢速维持荷载法高一级加荷增量左右，而下沉量要偏小百分之十几。慢速维持荷载法试验时间较长，且不易予估；快速维持荷载法试验时间较短，且易予估。
随着高层建筑以及桥梁工程建设的增多，大承载力的混凝土灌注桩得到了广泛的应用，由此而引起的试验手段上的困难所造成的承载力试验无法准确完成的事实越来越引起了人们的注意。在桩基大承载力的测试理论和测试方法研究上，国内外都是近几年刚刚起步。美国在80年代中期开展了桩承载力自平衡试验方法的研究，国内近几年也开展了此方法的理论研究和现场实践。东南大学土木学院于1996年将该方法用于现场实践，取得了良好的社会效益和经济效益。桩承载力自平衡试验方法是在桩端附近安装荷载箱，荷载箱由活塞、顶盖、底盖及箱盖等组成，在上下顶盖布置位移测量装置，然后沿垂直方向加载，即可同时测得桩端阻力和桩侧摩阻力以及上下顶盖的位移值，从而得到试验结果数据与曲线。该方法有以下特点：
i. 试验装置简单；
ii. 可直接测得端阻和侧阻；
iii. 经过处理后，试桩仍可用做工程桩；
3、桩基静载试验测试仪器的发展
随着电子技术的发展，桩基静载测试技术也向着自动化测试方向不断发展。在早期阶段，还只是使用“点动”装置，实现了加压的电动泵控制。到了80年代，天津建筑科学研究院率先研制出了具有当时较高水平的“自动化”静载测试仪，可惜的是并没有形成商品化，只是在内部使用；随后，江苏省徐州建筑科学研究所研制成功并商品化了在当时技术含量较高的自动化静载测试仪，虽然还存在许多不尽人意的地方，但这毕竟代表着在桩基静载荷测试仪的研发方面走在了世界前面。进入90年代以后，又有许多单位从事此项仪器的开发工作，1996年，武汉岩海公司研制成功了具有当时较高水平的自动化静载测试仪，进入21世纪以后，在自动化静载测试仪的研制开发方面，武汉建科科技有限公司异军突起，将先进的虚拟仪器技术和无线数据传输技术应用到了自动化静载测试仪的研制开发上面，先后推出了ST1000型静载测试仪和ST2000型静载测试仪，实现了在一种型号仪器内多种测试方法并存的无线数据采集系统，解决了现有的测试仪器只能做单一的桩基检测的弊端，可以提供给用户多种测试模式，涉及到了桩基、地基、基岩、锚杆等需要同时采集位移和压力的测试场合，并且利用武汉建科科技有限公司提供的透明数据接口，具有科研实力的研究机构也可以自己编写符合本单位实际需要的数据采集分析软件，真正实现了人性化设计、理性化产品。目前，武汉建科科技有限公司仍然根据用户的需求和现场测试的要求不断改进现有产品，现在可以说武汉建科科技有限公司的ST2000型静载测试仪已走在了全国同类产品的前列。
三、
我国静载试验现存的问题
1、 检测人员素质参差不齐，有些单位的检测人员是刚进城的民工，从而造成对标准规范执行的偏差，记录不符合要求，现场操作马虎，有些检测单位甚至是三无单位：无检测资质、无检测人员、无检测设备；
2、 现场准备工作不认真，测试仪表不符合要求，特别是现场基准梁的架设以及锚桩、基准桩、试桩间的布置间距不符合规范的规定，在加载设备方面，受现有设备的限制，采用大千斤顶量测小吨位桩，这就如同大称称轻物，其精度不可能满足测试要求；
3、 不认真执行规范制定的试验步骤，提前加压或记录，卸载时不进行回弹观测；
4、 检测报告不规范，内容过于简单，无工程概况及土层分布情况。
5、 桩基静载试验中的任何试验数据都必须从经过定期计量标定的测量器具上获得，这样的数据才能是真实的数据，但在我国有一定数量的桩基检测单位，其所使用的千斤顶、油压表、百分表、自动化测试仪有的几年不标一次，有的甚至没有计量器具许可证。
四、
我国静载试验的展望
传统的桩基静载试验的慢速维持荷载法费时、费力，已远不能适应当前桩基检测工作的发展，在快速荷载试验法的技术上，我们有许多试验单位都作了大量的现场试验对比工作。从国外的发展情况来看，快速荷载试验法将是一个试验手段的发展方向。在这方面，有些地方规范已明确规定了快速荷载试验法的试验步骤，在国家规范方面，《建筑工程基桩检测技术规范》（征求意见稿2001）中已明确提出了试验方法步骤。
桩承载力自平衡试验方法是大承载力桩基静载试验的一种发展方向，但这种技术方法还刚刚兴起，其理论研究还在进行当中，该试验所得到的各种图表数据与传统的试验结果图表还有许多需要对比研究的地方。在现场设备安装时，荷载箱的放置位置会影响到桩侧阻力和桩端阻力的发挥，国外荷载箱一般放在桩端，这是因为国外试桩桩端一般都位于坚硬的持力层中，而我国各地的情况就有所不同，所以在设备安装前要事先进行计算，将荷载箱安装在合适的部位。该方法测出的上段桩的摩阻力方向是向下的，与常规方法测出的摩阻力方向相反，这方面还需要做进一步的理论研究与现场对比试验。
作为桩基工程的使用量和检测量的大国，相信随着测试理论和技术的不断完善、国际交流的不断广泛开展，我国的桩基静载试验将越来越走向成熟并形成自己的特色。
参考文献
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