静载试桩

第9篇 桩的载荷试验

第1章 概述

桩的承载力大小是确保桩基础经济、安全承载的重要参数，在设计应用上，它的合理确定非常关键。人们虽然可以通过相关规范，利用静力学公式、静力触探、动力触探等计算桩的承载力，但是由于桩的承载力是一个涉及桩、土边界条件及其相互作用的复合响应问题，其破坏模式很多、破坏机理也很复杂,因此通过计算的桩承载力的可靠程度往往并不能令人满意。

通过桩的荷载试验是确定承载力大小的最可靠的手段。它包括静载荷试验、动载荷试验等试验方法，如轴向抗压静载荷试验、轴向抗拔静载荷试验、动载荷试验，水平静载荷试验、水平动载荷试验等。

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桩基施工手册 第9篇 第3章 概述

第2章 桩的轴向抗压静载荷试验

桩的轴向抗压静载荷试验方法是确定单桩承载力及其沉降特性的最基本的方法。根据反力装置的不同可分为：锚桩法，堆载法，锚桩堆载联合法，自平衡法等，其加载一般均采用油压千斤顶，自平衡法采用荷载箱。测试方法可分为慢速维持载荷法、快速维持载荷法、等贯入速率法（CRP法）、平衡法和各种循环加载试验方法等。 9.2.1常用测试方法简介

1、慢速维持荷载法

这是我国目前建筑桩基规范中首推的一种确定单桩轴向抗压承载力的方法。按一定要求将荷载分级加到试桩桩顶，每级荷载在维持过程中保持不变，按时观测桩顶沉降及其沉降速率，直到桩顶沉降或其速率达到某一规定的“稳定标准”以后，方可施加下一级荷载……，当达到规定的加载终止标准后，停止加载，遂分级卸载，直到为零。该试验方法周期一般需时2～5d。

2、快速维持荷载法

该法与慢速维持荷载法的主要区别在于前者在每一级荷载加载后不需要等待沉降的“稳定”，而以等时间间隔连续加载，定时观测桩顶沉降，直至达到荷载终止标准后，停止加荷，再分级卸载，直到为零。我国的桩基规范中规定快速维持荷载法每级荷载维持1h。该法试验周期较短，一般每根桩仅需时1d。快速维持荷载法在我国的港口以及部分桩基承载力验收工程中应用较多。

3、 循环加卸载法

循环加卸载法是一个总称，它包括单循环、多循环加载法以及“回零法”等等。该法的主要特点是：不但测出各级荷载或总荷载的下沉量，还能测出各级荷载或总荷载下的弹性变形量（曲线）和残余变形量（曲线）。目前欧美及日本常使用这一方法，我国在港口工程及陆上一些重要工程中也有应用，可以借以区分弹性和塑性变形。在需测定桩的轴向压缩系数（即单位轴向力作用下的桩顶下沉量）时，也应采用循环加卸载试验。

4、 等贯入速率法（CRP法）

试验时荷载以保持桩顶按等速率贯入于土中而连续施加。试验中定时读取荷载值与桩顶下沉量，并绘制桩顶荷载～桩顶下沉量曲线，从而藉此确定桩的极限荷载。 9.2.2 常用试验设备、测试仪器

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虽然不同的试验方法有不同的试验设备，不同的测试内容又有不同的测试仪器，但是各种试验其基本试验设备和仪器却大同小异。

1、 加荷设备及测力仪器

加荷设备包括荷载架（或称反力架、锚桩架）及其锚碇系统、加载千斤顶（或荷载箱）及其油压系统。

测力仪器主要有各类荷载传感器：如压力表、压力传感器、拉磅等。 2、桩顶、桩身、桩端的变位量测仪器

变位量测仪器主要有百分表、电测位移计及沉降杆等。 3、桩身内力量测仪器

桩身内力量测仪器主要有应变式测力计、钢弦式测力计、测微计及相应接收仪器等。 9.2.3 试验桩的要求

桩的承载力试验对于桩基有着举足轻重的意义，因此对于试验桩来说是有一定的要求的。

首先，试验桩在基桩中要有其代表性。试验桩的长度、形状、材质，试验桩周围的土质、施工工艺、施工条件以及桩受力特性等都应有其代表性。

其次，试验桩在施工工艺、桩型尺寸和制作质量上应与工程桩相同，不应有“特殊性”（试验需要的除外）。

对于抗拔和抗水平力的试验桩，其桩身抗开裂的能力、主筋抗拉能力等都应满足试验要求。对用作抗压试验的钻孔（冲孔、挖孔）灌注桩，其桩顶应按试验要求另行处理。

抗压或抗拔试验桩的垂直度应满足试验要求，一般不低于１%，锚桩不低于2%。港口类工程要求则更高。抗水平力试验的桩其扭角偏差一般应不大于５度。

试验桩中埋设的传感器、荷载箱、导线以及相应的测试仪器、仪表等应根据不同桩型、不同成（沉）桩工艺和环境选择相应的仪器，传感器的埋设应科学、规范，传感器的数量和成活率应满足资料分析的需要。 9.2.4 试验及分析方法

1、试验目的

通过现场试验确定桩的轴向抗压承载力以及与其相关的参数，如桩端阻力、桩侧摩阻力、桩顶沉降、桩端沉降、桩身轴向压缩系数ｋ等。

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2、试验方法与试验装置

试验一般采用“锚桩反力”形式（图9.2-1）或“堆载”形式（图9.2-2）。当然也可采用“锚桩+堆载”的联合反力装置或地锚反力装置（图9.2-3）。在大桥基桩及一些高承载力（如高于20000kN）混凝土灌注桩工程中，因加载条件，无法采用传统的桩顶加载试验方法，近年也有采用“自平衡法”的（图9.2-4）。

自平衡法是美国西北大学的osterbrg教授在上世纪八十年代末提出的一种在桩端或桩身埋设荷载箱的新试验方法，并已在许多国家的桩基工程中得到了应用。该法在我国称为自平衡法，在日本称作桩端荷载试验法。大致的原理如下：试验时通过预埋在桩内的液压管从地面分级向荷载箱加载，同时检测各级荷载下荷载箱上部桩身上拔量和下部的沉降量，再推算出桩的总承载力。详细内容可见本篇第5章。

图9.2-1 锚桩反力装置

图9.2-2 堆载反力装置

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图9.2-3 地锚装置示意图

图9.2-4 自平衡法示意图

3、加载与测试

加载一般多采用慢速维持荷载法或快速维持荷载法。

1) 荷载分级：每级加载按预估极限承载力的1/10∽1/12逐级等量施加，直至符合终 止加载条件为止。进行卸载时，可按２倍于加载量的数量逐级卸载，直至到零。

2) 慢速维持荷载法试验时顶沉降量（或其它）测读：

(1) 每级荷载施加后按第5、10、15、30、45、60min测读，以后每隔30min读一次，直至达到稳定标准后再施加下一级荷载。

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(2) 稳定标准：在某级荷载下，如果桩顶1h累计沉降量小于0.1mm，并连续出现两次（也 有规范只要出现一次的），则认为该级荷载下桩的沉降稳定，可以继续施加下一级荷载。

3) 快速维持荷载法试验时桩顶沉降测读：

一般每级荷载加载后测读1h，不要求沉降的稳定，测读方法与慢速维持荷载的前60min相同。国内有些规范为防止桩周土体破坏后继续加下一级荷载，还规定了在1小时内若桩顶沉降不收敛，则需延长观测时间，直至收敛为止。

4) 终止加载条件：

当出现下列情况之一时，即可终止加载：

(1) 某级荷载作用下，桩顶沉降量为前一级荷载作用下沉降量的５倍。

(2) 某级荷载作用下，桩顶沉降量为前一级荷载作用下沉降量的２倍，且２４ｈ达不到稳定。

(3) 已达到设计要求的最大控制荷载。 (4) 桩顶总沉降量已达到规范规定的要求。 (5) 试桩桩顶已破坏，或锚桩上拔量已达到允许值。 4、单桩轴向抗压极限承载力的确定

单桩轴向抗压极限承载力的确定是桩静载荷试验的关键问题。国内外根据桩的静载荷试验确定单桩轴向抗压极限承载力的方法很多，国内常见的如Q∽S曲线法、S∽logt曲线法、 logQ∽logS曲线法、S∽logQ法，以及根据各试验标准、规范、各自试验方法所派生出来的各种特殊方法。在有关曲线呈缓变型情况下也有根据桩顶沉降量来确定单桩轴向抗压极限承载力的。

现将几种常见的判别单桩轴向抗压极限承载力的方法举例如下： （1）Q∽S曲线法

以横座标表示桩顶荷载Q、纵座标表示桩顶沉降量S，绘制Q∽S曲线。对陡变型Q∽S曲线，取明显发生陡降的起始点所对应的荷载值为该桩的轴向抗压极限承载力（图9.2-5），

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图9.2-5 图9.2-6

图中桩的轴向极限承载力为10000kN，与该承载力相对应的桩顶沉降量为24.5mm。也可采用下面方法确定（见图9.2-6）：

设试验时第n级的桩顶加载量为ΔQn，对应的桩顶沉降增量ΔSn，第n+1级的荷载增量ΔQn+1对应的桩顶沉降增量为ΔSn+1，该曲线陡降段的起始点可根据下列方法确定：

当Sn/Qn≤f(L)而Sn1/Qn1f(L)时，或（Sn1/Qn1）/（Sn/Qn）>5且Sn1>40mm时，n点对应的荷载为该桩的轴向极限承载力。其中f（L）=3.3/L-0.04，L为桩长（m），f（L）单位为mm/kn。此方法对中、长混凝土预制桩较为合适。 （2）S∽logt曲线法

这是判别单桩极限承载力另一常用方法，曲线能比较明显反映出每一级维持荷载下沉降随时间变化，一般规范中均规定取S∽logt曲线尾部明显向下弯曲的前一级荷载为该桩的极限承载力（图9.2-7）。

图9.2-7 S∽logt关系曲线

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对超长钢管桩及钻孔灌注桩，由于桩自身变形或桩端沉渣等因素的影响，当试桩荷载增加到某一数值时桩顶沉降会突然增大，但在该级荷载维持过程中沉降增量不大，S∽logt曲线尾部并没有出现明显向下弯曲的现象，为此一些文献提出了应综合考虑曲线间距变化及桩顶下沉量等条件，如图9.2-8中可判定该桩的极限承载力为15000kN。

图9.2-8 S∽logt关系曲线

（3）S∽logQ曲线法

当某些试验桩的Q∽S曲线无明显陡降段时，采用S∽logQ曲线可使曲线后面的陡降变得明显（图9.2-9），一般取曲线尾部陡降直线段的起始对应点荷载为极限荷载。我国目前生产的几种主要静载检测仪均配置了该曲线功能。该法的难点是如何确定降陡直线段的起始点，在缺乏经验时往往会使判别的极限承载力偏低。

图9.2-9 试桩S∽logQ关系曲线

（4）logQ∽logS曲线法

与前面的S∽logQ曲线法一样，当某些情况下的Q∽S曲线无明显陡降段时，通过双对

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数曲线logQ∽logS变换后，可以容易找出其拐折点，一般认为该曲线的第二拐点即为桩的极限承载力，（图9.2-10）中的第二拐点对应的荷载14910KN可以判为该桩的极限承载力，相应的第一拐点被认为是屈服荷载。

图9.2-10 logP∽logS曲线

P～s曲线

（5）桩顶总沉降量控制法

有部分试验桩（如超长钢管桩，嵌岩灌注桩等）的Q∽S曲线呈缓变形，在前述曲线方法难以判别时，可采用桩顶总沉降量控制法，我国的一些桩基规范中也规定了沉降量控制的

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标准或范围，由于对建筑物的沉降要求不同，各规范对桩顶沉降要求也不相同。我国现行“建筑桩基技术规范”、“建筑基桩检测技术规范”和“港口工程桩基规范”等对一般工程桩取S=40mm 对应的试验荷载为极限承载力，对柔性钢管桩、大直径扩底桩及超长混凝土桩等可适当增大桩顶沉降量控制值，其中超长钢管桩的桩顶沉降可控制到60mm∽80mm。

（6）对于长径比很大的钢管桩（如L/D>80）,Q∽Se曲线呈缓变形，无明显拐点（图9.2-11），S∽logt曲线也无明显向下弯曲现象。德国工业标准DIN1054及日本规范对此类桩推荐了一种新的判别方法，即在同一坐标系中先按循环荷载试验结果绘制出荷载——弹性沉降Q∽Se曲线和荷载——塑性沉降Q∽Sp曲线（图9.2-12），其中Q∽Se曲线基本呈线性，反映了在荷载作用下桩身弹性变形和桩端土层弹性沉降；Q∽Sp曲线在开始阶段基本呈线性，但当桩顶达到一定荷载后曲线开始拐弯，表明桩的摩阻力已得到充分发挥，可取S=0.05 D(D为桩径)对应的桩顶荷载为该桩的极限承载力。(图9.2-12)为上海某大厦的试桩结果，钢管桩直径为914mm，取S=0.025×914mm=22.85mm对应的荷载14250kN为极限荷载。

图9.2-11 循环荷载下的Q∽S曲线

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图9.2-12 P∽Se及P∽Sp曲线

按桩的轴向抗压静载试验结果判别单桩轴向抗压极限承载力的方法很多，在我国现行规范中一般均推荐Q∽S曲线法、S∽logt曲线法和桩顶总沉降量判别法，具体试验中由于情况复杂，在某些情况下可采用多种方法综合判别。

5、工程实例

1、某深水港码头对一根长60m、直径ø1700mm的钢管桩进行轴向抗压静载荷试验，快速维持荷载法，试验得到的Q∽S曲及S∽logt曲线分别见图9.2-13和9.2.14。该桩在荷载21000kN时桩顶总沉降量60.02mm，其中本级荷载下沉降5.25mm；在21750kN时桩顶总沉降量88.79mm，其中本级沉降28.77mm，达到前一级沉降量的5.48倍，满足规范中停止加载的要求。从Q∽S曲线看,在21750kN时曲线明显向下拐折，且S∽logt曲线在该级荷载时也出现尾部明显向下弯曲，综合Q∽S曲线和S∽logt曲线，判定该桩垂直极限承载力为21000kN。

该桩在荷载1500kN∽6000kN区间内进行多次循环试验，根据试验结果得出该桩的轴向压缩系数为2.068×10m/kN。

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Q～s曲线

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s～logt曲线

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桩轴力图

2:某大桥钢管桩长m，桩径ø1600mm，慢速循环荷载试验得出的Q∽S曲及S∽logt曲线见图9.2-15和图9.2.16。该桩在荷载20000kN时桩顶总沉降量为49.78mm，卸载回零后的桩顶残余沉降量5.18mm。从试验结果看，该桩的Q∽S曲线在加载段接近线性，未出现拐点；各级荷载下的S∽logt曲线几乎平行。结合Q∽S曲线、S∽logt曲线、桩顶总沉降量和残余沉降量判别，该桩的垂直极限承载力不小于20000kN。由循环试验得出的桩的轴向压缩系数为1.226×10m/kN。

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Q～s曲线

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S～logt曲线

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轴力图

3、某大厦采用长70m，直径Φ850mm的钻孔灌注桩，采用慢速维持荷载法试验，得到的Q∽S曲线和S∽logt曲线等见以下曲线，该桩在荷载16500KN时桩顶总沉降量为28.34mm，Q∽S曲线未见明显拐点，S∽logt曲线也没有出现明显向下弯曲，总沉降量只有28.34mm，经综合判定该桩的垂直极限承载力为不小于16500KN。该桩由于桩身结构强度的，未能继续加载。

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Q～s曲线

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S～logt曲线

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轴力图

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传感器布置位置图

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某钻孔灌注桩，长73.2米，桩径Φ850mm。试验分析结果见下图：

Q～s曲线(注浆前)

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4.

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S～logt曲线(注浆前)

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桩轴力图

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5.某试验桩的Q～s曲线，s～logt曲线及分层沉降见下图：

Q～s曲线

S～logt曲线

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桩基施工手册 第9篇 第3章 概述

第3章 桩的轴向抗拔静载试验

确定桩的轴向抗拔承载力通常采用下面几种方法：按同等条件下桩的抗压侧摩阻力经验值乘以一个小于1的折减系数；在静载压桩试验得出的极限承载中扣除端阻力后再乘上一个小于1的折减系数；通过静载拔桩试验直接得出。前两种方法是建立在桩的拔、压侧摩阻力比的基础上，影响该比值的除了桩周土的物理力学性质外，还与桩的入土深度、桩身形状等因素有关。桩的静载抗拔试验是确定桩抗拔承载力既直观又准确的一种方法。 9.3.1 抗拔承载力测试方法

1. 桩的静载抗拔试验一般采用慢连维持荷载法，需要时也可采用循环加卸载方式。具体的加卸载方式、分级及稳定标准等均同桩的轴向抗压静载试验。由于桩在抗拔与抗压时桩周土的受力机理不同，因此一般试桩规范中不主张用快速维持荷载法进行拔桩试验。

2. 静载拔桩试验时的反力装置宜采用反力桩作支座反力。当桩的抗拔承载力不大时， 陆上拔桩试验也可采用天然地基或经适当加固后的地基作反力，但试验前必须经过地基强度验算，且在最大上拔荷载时地基承受的压应力不宜超过地基承载力特征值的1.5倍。 9.3.2 试验设备及仪器

1. 桩的轴向静载抗拔试验常见的反力装置如图9.3-1所示。

图9.3-1

由于加荷设备（千斤顶、压力传感器等）置于钢梁上面，试验中应采取必要的安全措施。

2. 拔桩试验的加载设备及桩顶，桩身位移量测设备等基本类同于静载压桩试验。量测桩顶上拔量的测点应安置在桩身部位，严禁将测点放在试验桩的抗拔钢筋上，因为钢筋的受

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力变形远大于实际的桩顶上拔位移量。

3. 当需要检测桩的抗拔侧摩阻力时，应在制桩时同时在桩身相应部位埋设应力——应变传感器或沉降杆，其埋设要求、测试方法同压桩试验。抗拔试验时由于桩身受拉，混凝土桩的上段易出现微小的环向裂缝，这类裂缝附近的测点反映的数据不代表完整桩断面的受力状态，在资料整理分析时应注意。 9.3.3 试验及分析方法

1. 桩轴向抗拔静载试验的荷载分级、测读方法、稳定标准等均与轴向抗压试验中的慢速维持荷载相同。

2. 抗拔试验的终止加载条件一般亦与压桩相同，但下列两种情况需注意：一是桩的最大上拔力不宜大于受拉钢筋强度标准值的0.9倍；二是当采用上拔量控制时应充分考虑桩身材质和桩长的影响，对长钢管桩或超长混凝土桩，由于其自身弹性变形大或混凝土桩的环向裂缝引起桩身伸长率大，桩顶上拔量的控制值应适当放宽，如建筑基桩检测技术规范中推荐的100mm，否则很难使桩下端的抗拔摩阻力充分发挥。

3. 轴向抗拔极限承载力的确定 （1）U∽Δ曲线法

首先绘制桩顶上拔荷载U与桩顶上拔量Δ的关系曲线（图9.3-2），

图9.3-2 桩顶荷载U-桩顶上拔量Δ曲线

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对于陡伸型曲线，取陡伸段起始点对应的荷载为该桩的抗拔极限荷载。 （2）Δ∽logt曲线法

绘制桩顶上拔量Δ与时间对数logt的关系曲线Δ∽logt曲线（图9.3-3），取曲线陡升的前一级荷载1050kN为该桩的极限抗拔荷载。

图9.3-3 Δ∽lgt曲线

（3）参照桩端上拔量综合判别

前面讲过，对钢管桩和超长混凝土桩，由于桩身变形的影响，桩顶位移可能较大，合适的方法是在桩端埋设沉降杆，试验过程中同时测出桩端U∽Δ’曲线（U为桩顶上拔荷载，Δ为对应的桩端上拔量），结合桩顶与桩端曲线进行综合判别（图9.3-4），

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桩基施工手册 第9篇 第3章 概述

图9.3-4 荷载U-上拔量Δ（Δ’）曲线

该桩长50m，桩径

ø600mm，为一根扩底钻孔灌注桩，尽管未进行到土体破坏，但桩端的位

移已达到19mm，且桩端残余上拔量达6mm，综合判断推荐极限上拔承载力为4200kN。

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例：一钻孔灌注桩，桩长68.2m，桩径ø850mm，试验的U～δ曲线、δ～logU曲线见下图：

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δ～logU曲线

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