本文拆分至“第二册 第9章静载荷试验 9.2轴向抗压载荷试验”

我们最常做的静载荷测试是桩身轴向抗压试验。不过，我们也可以进行轴向抗拔以及水平抗力测试。图1显示了进行轴向抗压载荷试验的基本原理。

   图1 轴向抗压静载试验图

该原理通常包括以下步骤：

1. 按预先设定的加载方案在桩头处逐渐加荷载，或者以连续的恒定的速率加载。

2. 在试验期间，记录时间、施加的载荷量和桩头位移的读数。可以在桩侧的其它点测量应力，同时可以得出极限载荷传输细节和单位桩侧阻力。

3. 绘制荷载位移曲线。

4. 标准阻力状态对应的标准土阻力及位移的确定，依据的是几种分析方法之一。

5. 位移通常仅在桩头处测量。不过也可以通过安装传感器测量任意位置的位移或者变形。传感器(由测管保护的实心探杆)如图1所示。

6. 位移计可测量两个传感器位置之间的应变。在桩身安装或者内置应变传感器可测量桩身测点处的应变。这两种方法测得的应变都可以用来评估荷载沿桩身传递的情况。

抗压载荷试验设备

ASTM D1143-07(2013年重新批准)推荐了几种测试系统可选方案，用于(1)对桩施加压力载荷，以及(2)测量位移。通常情况下，压力通过千斤顶来施加，提供反力的可以是一根由反力桩或者地锚锚固在地面的反力梁，也可以是荷重平台。测量施加到桩上的载荷的最基本的手段是使用经过校准的荷重传感器。同时，我们还应该使用一个经过校准的压力计记录千斤顶的压力，并将其作为计算作用于桩身荷载的第二选择。为了使施加的荷载偏差最小，应在施加荷载的装置中加入圆形承重板。

桩顶轴向位移通常用线性差压传感器或者千分表测量，具体测量的是桩头与独立固定的参考光束的相对位移。ASTM标准要求千分表或线性差压传感器量程至少为2英寸，精度至少为0.01英寸。不过，对于那些在荷载作用下容易产生较大弹性变形的长桩来说，量程达到4英寸，精度达到0.001英寸会更好，这也是我们强烈推荐的配置。至少需要两个千分表或线性差压传感器，要求对称等距离地安装在桩身上。在许多情况下，对称安装四个千分表或线性差压传感器可能会更好。

还应配备一个由标尺、反射镜和导线组成的备用系统，标尺精度应达到0.01英寸。备份系统也应径向对称地安装在桩身上。参考光束和备用导线都应独立支撑，离开试验桩或者反力桩至少5倍桩径的距离，且不小于8英尺。另外，还应准备一个移动的备份测量系统，以防止参考光束或导线系统在试验期间受到干扰。如果试验使用了反力梁，这套测试系统还可以用来测量反力梁的位移。

ASTM D1143规定，试验桩和反力桩之间的净距离至少为反力桩或测试桩(如果桩型不同则取直径较大者)最大直径的5倍且不小于8英尺。如果使用荷重平台，支撑荷重平台的支架和试验桩之间的净距应大于5英尺。

典型的抗压载荷试验的原理图如图2所示。图3和图4所示，则是典型的加载装置和位移监测设备。为了提高荷重传感器读数的精度，图3所示的加载装置还应该在液压千斤顶推杆和荷重传感器之间，以及荷重传感器和球面承压板之间安装钢承重板。这些承重板包括在图5所示的荷载配置中，并在后续章节中将会有更详细的讨论。图5所示的是连接至反力梁的MnDOT移动加载装置，装置外设置了临时保温结构，以避免冬季气候的影响。使用木制参考梁可以减小温度波动的影响。

图2 静载荷试验图

图3 载荷试验系统和监控系统

图4  载荷试验位移监控组件

图5 MnDOT反力梁和加载装置(由MnDOT提供)

典型的应用反力桩进行抗压载荷试验的配置见图6，使用荷重平台配置的配置见图7。为让人员远离加载系统/反力系统，建议使用电子仪器远程记录荷载和位移值。关于施加载荷以及桩头载荷和位移大小的其它细节可以在ASTM D1143中找到。

图6 4000吨移动载测试系统(加州运输部提供)

图7 使用荷重平台进行静载荷试验

轴向抗压载荷试验推荐方法

遵循标准化的载荷试验程序很重要。在ASTM D1143中，详细记载了几种对深基础进行轴向抗压载荷试验的标准方法的详细的加载流程。AASHTO(2014)推荐使用快速载荷试验方法。之所以推荐此方法，是因为荷载通常可在2至4小时内完成加载，从而减少对工期的延误以及载荷试验成本。然而，在ASTM D1143中也提供了替代测试方法。

在快速荷载法中，荷载以标准岩土阻力的5%的增量逐级施加。该方案应保证在加载至标准阻力载荷前，记录产生20个数据点，以保证绘制一条详细的载荷—位移曲线。

每级载荷作用时间应保持不超过15分钟且不少于4分钟，每级荷载应使用相同的时间间隔。在载荷施加后的0.5，1，2和4分钟处记录载荷和相应的总位移读数，如果选择加载时间间隔较长，则在加载后8分钟和15分钟记录读数。按这个程序持续加载，直至达到岩土标准阻力或千斤顶的量程为止，当然前提是在桩及反力系统的设计安全范围内。ASTM D1143提出，加载至岩土标准阻力时应考虑加长荷载持续时间，以期测得最终位移。需要注意的是，如果在施加载荷时桩身快速下沉，则这种操作是不可行的。当发生桩身快速下沉时，则应该释放油泵压力，使其在该级最大载荷下达到平衡。在达到并保持最大载荷或达到发生桩身快速下沉的载荷时，以5至10个相等的递减量减荷，每次减荷时间保持不超过15分钟且不少于4分钟。在每次减荷后，包括零荷，应在0.5，1，2和4分钟(或者8和15分钟)处记录载荷和总位移读数，完全卸载后，可以保持更长时间，以允许桩身充分恢复弹性变形。

轴向抗压载荷试验结果的展示及解读

轴向抗压载荷试验的结果应按ASTM D1143的要求呈列在报告中。应绘制类似于图8所示的荷载—位移曲线，来解读载荷试验结果。

图8 轴向抗压载荷试验的典型载荷—位移曲线

文献中有多种不同的方法定义静载荷试验中的标准岩土阻力。对于基于最大位移量来确定标准阻力的方法，如果没有将桩身弹性变形考虑进去，则其结果是不可取的。因为这样会高估短桩的标准阻力而低估长桩的标准阻力。考虑弹性变形并以破坏准则为基础的方法可以更好地理解桩的性能并提供更准确的结果。

AASHTO(2014)设计规范第10.7.3.8.2条，基于不同桩尺寸提供了三种桩基轴向抗压试验结果解释标准。所有的方法均考虑了桩的弹性变形。为了统一呈现和解释轴向抗压载荷试验结果，建立载荷以及位移坐标轴时，使桩的线性弹性变形A与载荷轴成约20°的夹角。

等截面桩的弹性变形A由下式计算：

公式1

此处

△=桩的弹性变形(英寸)

Q=测试荷载(千磅)

L=千分表或线性差压传感器安装位置以下的桩长(英寸)

A=桩的横截面积(平方英寸)

E=桩身的弹性模量

AASHTO(2014)关于轴向抗压载荷试验分析方法是以Davisson(1972)提出的屈服极限法为基础的。该方法会绘制一条与弹性变形线平行的屈服极限线如图8所示。载荷-位移曲线与屈服极限线相交的点就定义为标准岩土阻力或破坏载荷。注意，该方法是以有限弹性变形为基础的。在图8中，桩身并没有出现快速下沉，在上述破坏荷载位置之后，随着桩头的位移，岩土发挥了更多的阻力。如果载荷—位移曲线与屈服极限线不相交，则桩的标准岩土阻力超过施加的最大试验载荷。

荷重传感器桩头载荷(千磅)

对于直径为24英寸或更小的桩，标准岩土阻力或破坏载荷Qf对应的桩头位移等于：

公式2

此处：

Sf=在标准阻力时测量的桩头位移(英寸)

△=公式1中桩的弹性变形(英寸)

b=桩宽度或直径

对于直径大于36英寸的桩，应增加桩底位移以充分激发桩端阻力。对于这些直径较大的桩，标准岩土阻力或破坏载荷对应的桩顶位移等于：

公式3

此处：

Sf=在标准阻力时测量的桩头的位移(英寸)。

△=公式1中桩的弹性变形(英寸)

b=桩宽度或直径(英寸)

对于直径大于24英寸但小于36英寸的桩，应在公式2和公式3之间线性取值。

公式2和公式3中用到的桩的直径b，AASHTO将其定义为桩的直径或方桩的宽度值。然而，H型桩没有对b下定义。为了保持AASHTO处理方桩的一致性，建议将法兰宽度定义为b。

应当注意，Davisson法适用于荷载作用时间不超过1小时的载荷试验。它不适用于荷载作用时间较长的载荷试验，因为荷载作用时间较长，导致桩头位移增加，Davisson法就会会低估岩土标准阻力。

如“抗压载荷试验设备”章节所述，施加到桩头上的载荷由主系统(荷重传感器)和备用系统(千斤顶压力)测量。主系统和辅助系统测得的载荷应该大体一致，并且在整个测试中，应当对比检测主系统和辅助系统的结果，以便发现可能出现的任何重大错误或差异。如果在初始加载增量期间，在主系统和辅助系统测试结果就出现较大的差异，则应停止测试，并对出现的差异进行评估。可以在地表以上的桩身安装应变传感器，这样可以快速并确定主系统或备用系统测量的荷载是否正确，因而可以选择使用哪一个系统来控制测试。如果出现上述的较大载荷试验差异，则可能出现安全问题或争议。

如果记录的荷载值较小，而实际施加的荷载值较高时，则在测试期间可能出现给千斤顶加压时超出预计范围，或者超出桩的实际承载力或者反力梁的阻力的情况，进而引发安全问题。

如果记录的荷载值偏高，但是实际施加的荷载值较低，则可能导致测试会提前终止，或者导致实测标准阻力低于预期值。这可能导致重复整个载荷试验，使用比实际需要更长的桩，或因为承载力较低而需要重新设计地基，或者修改打桩标准。

因此，每当出现大的差异时，应将施加的荷载从测试桩上移除(彻底卸载)，并在识别和校正产生差异的原因后重新开始载荷试验。

由破坏载荷定义的抗压阻力系数为0.75至0.80。抗压阻力系数的范围取决于打桩标准是仅由静载荷试验结果确定(ϕdyn = 0.75)，还是由静载荷试验结果和动力学试验信号拟合共同确定(ϕdyn = 0.80)。

轴向抗压载荷试验无法仅依据桩头载荷-位移结果给出地层中详细的载荷-传输信息。如果需要知道沿桩侧的载荷传输信息或者桩侧、桩端阻力分布信息，则需要安装在后续章节中所描述的其他设备。

轴向抗压载荷试验的局限性

 轴向抗压载荷试验可以为桩基的设计和施工提供丰富的信息，是确定标准阻力最准确的方法。然而，静载荷试验结果不能解释长期沉降，固结土壤的下拉荷载，也不能充分呈现桩群作用。静载荷试验的其他缺点包括试验成本高、设置和完成试验所需的时间长，以及在打桩应力或桩身缺陷程度(如果有的话)方面获得信息少。静荷载试验结果也可能由于复杂的土壤状况而产生误导。如果需要详细的载荷-传输评估，桩必须安装或预埋应变传感器，这可能会增加不少成本。