本文拆分至“第二册 第9章静载荷试验 9.5载荷传输评估”

测力杆是一种细的金属杆，从桩头延伸至桩中选定的测点，用稍大套管将其包裹其中。图1是测力杆用于载荷试验的原理图。NYSDOT静载荷试验手册GCP-18(2007)提供了在管桩、H型桩和木桩上使用测力计的详细信息。

图1 在桩上安装测力杆原理图(改自Kyfor等人1992)

安装于测力杆顶部的LVDT’s或千分表可以测量桩上的杆安装点与其它参考点(例如独立参考梁或桩头)之间的相对位移。当使用多节连杆时，杆附接点之间的位移差可以反映这些固定位置之间的载荷传输。根据Kyfor等人(1992)，两个测量点之间的桩的平均载荷Qavg可以根据如下公式确定：

公式1

式中：

Qavg=桩两点之间的平均荷载(千磅)

A=桩的横截面积(平方英寸)。  

E=桩材的弹性模量(ksi)。

R1=高处测量位置的位移读数(英寸)。

R2=低处测量位置的位移读数(英寸)。

L=在无荷载条件下两个测量点之间的桩长。

如果R1和R2读数分别对应桩头和桩端，则可以计算估计桩侧和桩端阻力。假设桩侧土阻力连续分布(均匀桩)，Fellenius(1990)指出，可以从施加的桩的试验载荷Q估计端部阻力Rp。施加的桩头载荷Q尽可能选择接近标准阻力或破坏载荷的数值。

公式2

式中：

Rp=标准桩端阻力(千磅)。

Qavg=两点之间的平均荷载(千磅)。

Q=测试施加在桩头的载荷(千磅)。

假设桩周围土壤阻力分布呈线性增加(三角形)，可以使用下式计算估计桩端阻力：

公式3

式中：

Rp=标准桩端阻力(千磅)。

Qavg=两点之间的平均荷载(千磅)。

Q=测试施加在桩头的载荷(千磅)。

然后可以从施加的桩头载荷减去桩端阻力计算估计桩侧阻力。

当需要详细的荷载传递数据时，由于无法诠释残余荷载，所以只用测力杆是做不到的。Dunnicliff(1988)建议在钢桩上使用可焊接的振弦式应变传感器，而在灌注桩的钢筋上内埋振弦式传感器，以获得详细的载荷传输评估。如果需要在静态和动态条件下测量荷载传输，也可以使用其他规格类型的应变传感器。应请岩土仪器专家来选择适用的仪器，选择能够承受桩侧阻力和打桩打击力的仪器，确定所需的备用仪器，并确定适当数据采集系统程序。

图2给出了绑扎在钢筋上的振弦式应变传感器。盒子里最上面一根钢筋上的传感器保护套已经被移除。这些传感器通常是随钢筋一起被浇筑到预应力混凝土桩中，或者现场浇筑的混凝土桩中。对于预应力管桩，这根钢筋通常在钢筋加工场绑扎到钢筋笼的纵向主筋上，而对于现场灌芯的管桩，则绑扎到插到桩孔中心的一根钢筋上。

图2 埋置混凝土所用的振弦式应变传感器

焊接于H型钢桩上的可焊接振弦式应变传感器如图3所示。首先将传感器的安装底座焊接到桩身上，然后将振弦式传感器安装到两个底座的中间。

图3 振弦式应变传感器，焊接底座及保护盖

桩也可以安装电阻型应变传感器。这些传感器既可用于静载荷测试，也可用于桩的动力学测试。图4所示的是用螺栓安装于钢管桩侧面的电阻式应变计，该传感器是防水的。因为桩是要打入地下的，所以传感器及其电缆外需加装钢板保护盖。如图5所示的则是安装于钢筋上的电阻式应变计。这些传感器会直接被浇筑到预应力的桩身中，中心钢筋上还会安装一个加速度传感器，以便进行动力学测试。

图4 螺栓安装于管桩上的防水电阻式应变传感器，带保护盖

图5 绑扎于钢筋上的电阻式应变计，内埋于混凝土桩内部

水是导致应变传感器失效的主要原因之一。因此应仔细检查所有导线是否有任何缺口或磨损的地方，并对这些仪器适当进行密封。另外，多通道数据采集系统为仪器系统的一部分。

应变传感器通常沿着桩长安装在预选点，以确定在特定地层或指定位置处的载荷传输和单位桩侧阻力。作为载荷传输测试项目的一部分，应该检查最接近载荷测试位置的土壤钻孔资料，以确定所选择的岩石材料的单位桩侧阻力值。另外，可以根据工程师的经验、备用设备的需要、场地特定条件以及项目要求等来额外布设一定数量的传感器。可以根据确定的地质材料阻力来制定性价比高的设计方案。

最上部的传感器应安装在桩头以下不受桩侧阻力作用的桩身区域。Dunnicliff(1988)建议露出地表以上部分至少3倍直径桩长，且不能有缺陷，以模拟不受限抗压状态。传感器安装位置应离开桩头至少两倍桩径的距离，以保证传感器可以接收到一个完整的荷载。在该位置，可以确定模量，而内部和外部应变读数的比较可以表明混凝土填充管桩的复合截面作用（Sellers 1995；Komurka 2015）。如图6所示，为了谨慎起见，通过沿桩身等距离对称安装多个传感器，或者将单个传感器安装到桩中心，可以有效降低作用力偏心带来的影响。

图6 进行静载荷试验时，在土壤阻力有效截面外部串联安装应变传感器(每面2个)(WKG2提供)

Komurka(2015)还推荐了另一个安装传感器的位置；即桩底以上两倍桩径的位置，以便评估桩端附近的荷载传输。他在报告中提到，通过测点以外的桩身部分可以推算出荷载传递的情况，从而可以评估桩底的阻力。安装于桩底附近的传感器不应该直接坐落于桩底，而应在混凝土浇筑与凝固过程中从桩头处加以固定。

应变传感器安装后，且桩施工到位后，应变传感器安装平面中的轴向力可以使用公式4计算。

公式4

式中：

F=传感器安装平面中的轴向力(千磅)。

????=传感器测得的应变量。

E=桩身的弹性模量(ksi)。

A=桩横截面面积(平方英寸)。

钢的弹性模量有确定的值。然而，对于混凝土填充的钢桩，混凝土和钢截面的复合模量必须使用公式5计算。

公式5

式中：

E=桩身弹性模量(ksi)。

Est=钢的弹性模量(ksi)。

Ast=钢的横截面积(in2)。

Ec=混凝土弹性模量(ksi)。

Ac=混凝土横截面积(in2)。

混凝土的弹性模量随应变的增加而减小，并且由于载荷传输，该值应该随桩长度而发生变化。Fellenius(2001)建议使用切线模量法来确定正割模量Esm，评价混凝土桩荷载传递。记录所有应变量和所有荷载增量，并绘制切线模量与微应变的曲线。如图7所示，通过最佳拟合曲线可确定斜率A和y轴截距B。

图7 确定弹性模量的切线模量法(改自Fellenius2001)

接下来可以用公式6计算切线模量，公式7可以计算应力。

公式6

公式7

式中：

Mt=切线模量(ksi)。

Δσ=从一个载荷增量到下一个载荷增量的应力变化(ksi)。

????????=从一个载荷增量到下一个载荷增量产生的应变变化。

A=切线模量线的斜率。

????=传感器测得的应变。

B=切线模量线的截距Y。

σ=应力(ksi)。

通过胡克定律，正割模量与公式8方程中的应力和应变相关。通过代入公式7，正割模量可以用公式9表示。

公式8

公式9

式中：

σ=应力(ksi)。

E????m=正割模量(ksi)。

Ɛ=传感器测得的应变。

A=切线模量线的斜率。

B=切线模量线的Y轴截距。

一旦确定了桩身材料的模量，则用公式4可以确定给定深度处的力或载荷。图8给出了静载荷试验的轴向载荷与高度的关系图。该图是来自一根填充了混凝土的钢管桩，直径14英寸，为了获得详细的荷载传递信息，我们内埋了7只应变传感器。通过计算选定点的力值差，可以得到传输到土层的荷载。例如，当施加最后一级荷载增量时，有16.3吨载荷(53.9吨-37.6吨=16.3吨)传输到高度为EL 549.7和EL 537.4应变传感器之间的土壤中。图8中桩的周长为3.67英尺，由于最后两个应变传感器相距12.3英尺，在此间隔内的单位桩侧阻力为16.3吨除以45.1 平方英尺(12.3英尺乘以3.67英尺)或0.36tsf 。应该注意的是，以上计算没有考虑桩中残余荷载的影响。

图8 轴向载荷-应变传感器海拔曲线

单位桩侧阻力值可用于评估其他类似尺寸和相似类型的桩(例如在上述情况下直径为12英寸或直径为16英寸的桩)的标准阻力或者针对所需的标准阻力来改进打桩深度。当在执行设计阶段时，可以更全面深入地理解岩土材料中的载荷传输机制来优化地基设计。

在打桩期间，残余荷载可以在锤击后锁定在桩身中而不完全回弹(即沿着整个桩长返回到零应力的状态)。对于柔性桩、桩侧阻力较大的桩和桩端弹限较大的桩尤其如此。按照上述适用传感器评估的荷载传输，假设在打桩期桩身不存在残余荷载，因此在公式2至4计算的应力分布不包括残余载荷。如果图1中的测量点R1和R2分别代表桩头和桩端，并存在残余载荷时，则计算的平均桩载荷将包含残余载荷。如图9所示，这会导致得出比实际阻力偏低的桩端阻力。

图9 残余荷载对荷载传输评估影响示例

在对带有残余载荷的桩进行静载荷试验时，桩的上部存在负桩侧阻力。图9显示了在测量所施加载荷的实际桩侧阻力之前，必须克服桩的上部中的最小残余载荷。此外，在静载荷试验开始之前，桩侧和桩端都存在残余载荷。在图10中，Fellenius(2014)对激发的桩侧阻力的研究就说明了这个概念。如果在静载荷测试之前桩上没有残余载荷，则路径O-B-C将表示所激发的桩侧阻力。然而，当存在残余载荷时，点D是残余载荷的起点，其沿着路径D-A开始作用于桩。因此，当在静载荷测试期间施加载荷时，桩侧阻力沿着路径A-O-B-C发挥。如果没有残余载荷的影响，则荷载路径应该是A-B-C，这样测量的桩侧阻力将是实际桩侧阻力的两倍，Fellenius(2014)。

图10 进行静载荷试验时桩侧阻力滞回曲线(Fellenius 2014)

在桩端处也会产生残余荷载。在图11中，Fellenius(2014)给出了桩端阻力的激发路径。在没有残余载荷的情况下，桩端阻力将沿着路径O-B-C激发。然而，当桩内存在残余载荷时，阻力则将沿着路径A-D-B-C激发。因此，在静载荷测试期间，施加荷载之前桩端阻力已经发挥了。在卸载时，桩端阻力沿路径B-D'-A(当在点B处开始)卸载，随后的荷载按照路径A-D-B-C发挥。总之，残余载荷可能会导致低估实际桩端阻力。

图11 静载荷试验时桩端阻力的激发(据Fellenius 2014)

从上述讨论可以明显看出，桩中的残余载荷可影响静载荷试验对阻力分布的决定。因为实际的岩土标准阻力不受残余载荷的影响，而是计算的桩侧和桩端阻力发生了改变。因此，应采取额外的措施来测定真实的阻力分布和单位阻力值。当把抗压载荷试验中需要考虑上拔桩侧阻力或者单位阻力值用于设计决策时，这一措施就尤为重要。

Fellenius(2002b)举了一个例子，在静载荷试验中安装应变传感器，并结合地勘结果来评估残余载荷。当在静载荷试验中使用应变传感器测量载荷传递时，要注意在桩施工之前记录零“读数”，以保证桩中不存在载荷。Fellenius 等人(2003)指出，可以根据应变传感器在荷载测试开始之前与真正无荷载状态下的应变差，来估计残余载荷的最小值。然而，这种算法可能低估残余荷载，特别是在混凝土凝固过程中出现温度应变的时候。

图12应变传感器显示了静载荷试验的结果，将预应力混凝土桩打入到48英尺的松散的中等密度的均匀砂土中。应参考Altaee等人(1992)和Fellenius(2002b)有关静载荷试验或地下条件探测的细节。使用等式4在指定深度处“测量荷载”，然后从施加的桩头载荷中减去该载荷以对比“测量的载荷”与深度的关系。

图12 静载荷试验结果和土壤阻力分布(改自Fellenius2002b，数据来自Altaee等人1992)

在图12中，测量的荷载曲线在深度为23英尺附近有拐点，并且随着斜率的增加向下运动。当地下环境均匀时不会出现这种情况，因为它需要满足在桩底部三分之一处的单位轴阻力小于桩中间部分的单位桩侧阻力。因此，残余载荷可能影响载荷的实际分布。

在绘制测量的荷载和沿桩计算单位阻力之后，将测量的桩侧阻力除以2(从测量负载)与深度相加得到图12图表。然后，实际阻力的曲线会下降到拐点水平处(计算施加在桩头上的荷载的差值并用测量阻力除以2)。且因为均匀的土壤显示出的剪切强度应该相似，实际阻力曲线实际应该向下外推。实际上，假设残余的单位桩侧阻力恰好大于该拐点的长度，并且和显示的“假”测量值不同。将残余载荷绘制为真实阻力(包括外推部分)与测量载荷的差，当残余载荷确定时，有必要在工程中仔细判断地下剖面和载荷试验结果。