数值模拟法找自平衡法试桩自平衡点位置应用研究

马亮

（临夏公路事业发展中心广河公路段，甘肃 临夏 731100）

寻找自平衡点位置的不准确是影响桩基承载力测试结果的主要原因。自平衡试桩法的加载设备是埋在桩身中的荷载箱，因此确定平衡点对于后续工序的进行起着至关重要，荷载箱位置的精度将直接决定桩基承载力测定的精度。自平衡点也即在使用荷载箱通过该点施压时，桩体上下段同步达到极限状态所对应的位置。

1 自平衡点的确定方法

1.1 规范经验值法

这一方法主要需要基于工程经验及钻探数据来大致估计平衡点位置：（1）对于持力层处于良好地质层的端承桩，其桩侧摩阻力一般小于桩端阻力，荷载箱也处于桩底位置，因此此时没有平衡点，可通过在桩顶附加反力系统来测定桩侧的极限摩阻力。（2）若桩侧摩阻力高于桩端阻力，则荷载箱应当不至于桩身某一位置处，此处也即平衡点。在这样的情况下，平衡点应当结合勘察报告对于桩侧、桩端土体性质的实测数据来分析，选定不同土层的qiu和qr，以此来计算桩基础的极限承载能力，随后再基于上、下段桩同时达到极限承载力的要求来具体分析。

其中，上述各参数的取值应当根据设计规范要求确定。

1.2 相似模拟试验法

基于摩尔-库伦准则 τ =σ tan φ+c即可得到不同土层中的桩侧摩阻力。上式中 σ为不同地层中点位置自重产生的侧向水平应力，c、φ 则可通过剪切模拟试验来具体测定。桩端阻力，可借助室内三轴模拟试验来测定。对不同土层提供的桩侧摩阻力、桩端摩阻力进行叠加即可得到桩体的总承载力，以此即可确定平衡点，见图1。

图1 极限平衡应力状态

1.3 自平衡点改进计算方法

自平衡试桩法计算桩基承载力时，基本计算公式中的K 由相同条件下进行自平衡法和传统静载法对比试验得出，目前自平衡规范规定K 在以砂土为主时取1.25，粘性土为主时取1.4，过于粗略，不能满足变化万千的土层地质情况的需要。王伯惠教授利用同一土层的正负摩阻力比值Kτ 对K上进行修正。Kτ对于特定的土层是一常数，较K上稳定的多，利用其计算的自平衡点也较为准确，但要依靠现实试验得到。

1.4 数值模拟分析法

借助由有限元分析软件，对工程实际过程进行模拟，以此求得不同土层中桩体所受的摩阻力及端阻力。

上述分析方法中，前三类均需借助《桥规》所建议的参数来完成分析，这些参数为经验统计得出的平均值，在数值拟合度上难以与工程中土体实际的受力状态完全相符，平衡点也就难以准确求得。有限元模拟的方式可以较为全面地考虑到工程实际条件的影响，在这一方法下得出的摩阻力与实际情况比较接近，因此平衡点的确定也就更为精确。

2 数值模拟法统计平衡点位置

2.1 受力分析

对桩身进行受力分析如图2，由图中上段及下段桩的受力得：

图2 上下桩段受力图

2.2 寻找平衡点位置

2.2.1 如前图所示，给定桩基以荷载箱位置0.3li，利用验证可靠性后的地质参数建立75m 深长桩的自平衡加载模型。

2.2.2 分别在上段桩桩底（平面A）及下段桩桩顶（平面B）附加同等的分级荷载作用Ni(i=2,3,4……)，N2=2000kN, 其中每级荷载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）（如表1）绘出自

表1 数值加载位移数值表

平衡试验的加载-面A/B 位移曲线如图3 所示。

图3 加载-面A/B 位移曲线

2.2.3 建立自平衡加载模型后，可得到新荷载箱位置下的位移（Ni,SAi;SBi）情况，如表2 所示，加载位移曲线如图4 所示。

表2 数值加载位移数值表

图4 加载-面A/B 位移曲线

2.2.4 借助二分法逼近的方式确定荷载箱位置，当N-SA与N-SB同时发生剧变时停止运算，可得荷载箱位置为此时的荷载箱位置即为此桩的自平衡点位置。

2.2.5 针对本课题，要对此方法所求的自平衡点进行准确性验证：利用传统法实测的75m 桩基的桩侧摩阻力和桩端阻力，可算得一自平衡点位置，得出两者平衡点位置吻合的结论。

2.2.6 在桩长确定的情况下，改变桩径，然后按（2）中方法得出不同桩径下的平衡点位置。

2.2.7 在桩径确定的情况下，改变桩长，然后按（2）中方法得出各桩长下的自平衡点位置。

2.2.8 通过以上分析，给出黄河中下游冲积平原不同桩长、不同桩径下的平衡点位置，为以后类似地区桩的自平衡试验提供参考。

3 结论

3.1 给定桩基以荷载箱位置，利用第五章验证可靠性后的地质参数建立深长桩的自平衡加载模型。

3.2 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……)，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）绘出自平衡试验的加载-面A/B 位移曲线。

3.3 分析变形曲线，若N-SA曲线首先发生剧变，则荷载箱位置偏上，则荷载箱位置相应下移一距离l1（l1大小有剧变发生荷载的大小判定），再次运算模型，荷载箱位置利用二分法进行逼近，当N-SA与N-Sb同时发生剧变时停止运算，此时的荷载箱位置即为此桩的自平衡点位置。

3.4 针对本课题，要对此方法所求的自平衡点进行准确性验证：利用传统法实测的75m 桩基的桩侧摩阻力和桩端阻力，可算得一自平衡点位置，得出两者平衡点位置吻合的结论。说明此方法的可行性和准确性。

3.5 推广使用黄河地区可以直接用本地质参数进行建模求平衡点位置。黄河中下游以外地区可以在拟合地质参数后利用此方法求平衡定位置。