通莫测桩法——静载试验新方法

　　随着基础工程急速发展，在桩内预埋加载装置进行静载试验的方法采用得越来越多，并在工程应用中很好地体现了其独特的优势，包括其在大吨位的应用、其安全性、高效性等等。该法的应用，在以色列被称为“T-pile通莫静载法”，在美国被称为“Osterberg试桩法”，在中国被称为“自平衡法”。国内已经进行了上千个项目的应用，目前在江苏、浙江、广西、贵州、山东、安徽、江西等地已经或者正在编写相关规范，显示了巨大的发展前景。学术界主该法与传统堆载法的比较，提出过许多关于数据分析的理论。笔者认为，正确的分析方法固然重要，而人们普遍忽视的，却又是异常重要的一个关键问题是：怎样保证使用正确的设备和方法来进行客观准确的量测？本文概要阐述了通莫静载法的起源、发展和设备介绍，旨在帮助业内人士更为全面而正确地认识这种方法的应用。
　　1 背景和技术概述
　　1.1 通莫静载法的发明
　　根据现有可查证的档案记录，已被举世公认的Osterberg试桩法，而目前在国内被冠之以“自平衡法”之名的桩内预埋加载设备进行桩基承载特性检测的方法，最早于1960年代由以色列Afar Vasela公司提出并实施。根据专利资料，该法被称为“一种新的承载力测试方法”，俗称为“通莫静载法（T-pile®）”。
　　其检测原理是将一种特制的加载装置——荷载箱，在混凝土浇筑之前和钢筋笼一起埋入桩内相应的位置（具体位置根据试验的不同目的和条件而定），将加载箱的加压管以及所需的其他测试装置（位移、应变等）从桩体引到地面，然后灌注成桩。由加压泵在地面向荷载箱加压加载，使得桩体内部产生加载力，通过对加载力与这些参数（位移、应变等）之间关系的计算和分析，不仅可以获得桩基承载力，而且可以获得每层土层的侧阻系数、桩的侧阻、桩端承力等一系列数据。这种方法可以用于为设计提供数据依据，也可用于工程桩承载力的检验。
　　1979年Afar Vasele公司通过以色列专利局申请了专利证书（以色列专利局注册号58035）。
　　1.2 通莫静载法的发展
　　在此项技术问世之时，为保持其在当地检测和施工行业的优势竞争力，通莫静载法的发明人并没有着力对外推广此项技术。直到90年代中后期，随着荷兰通莫系统有限公司——这家由专利持有人的后人创办，并致力于将Afar Vasele公司系列技术进行市场化推广的企业走入人们的视野，这项技术的初创者才广为世人所知。迄今为止，在该法已成功应用在各种类型，总量达几千根桩的检测工程中。而这项专利技术的有效持有者——荷兰通莫系统有限公司（www.tomer.com），也于2005年底通过其中国的总代理——杭州欧感科技有限公司（www.tomer.com.cn），开始将此法系统地引进到中国，至今已完成包括杭州湾大桥主墩（7000吨单桩极限承载力）、泰安广电中心大楼（3400吨单桩极限承载力）、河南济邵高速逢石河大桥（4200吨单桩极限承载力）、宁波机场路姚江大桥（3300吨单桩极限承载力）、宁波城庄路姚江大桥（1600吨单桩极限承载力）、宁波东外环甬江大桥（1700吨单桩极限承载力）等多个国家及地方重点项目。
　　在此之前，1980年代中期，通莫静载法（T-pile®）传入了美国，并通过美国西北大学教授Os-terberg先生的推广，在国际基础工程行业进行了成功的应用。其在美国的应用被称为Osterberg试桩法，由于知识产权等方面的原因，Osterberg先生在美国自行开发了加载装置，并申请了专利（美国专利号4614110）。1990年代后期，通过美国和中国的学术交流，这种方法也被引入了中国。
　　1.3 技术特征
　　通莫静载法的牲是，通在桩体内部预先埋设一个加载设备——荷载箱，利用桩体自身产生的反力，来方便而准确地测量桩周土的特性。
　　目前在国内的普遍工程实践中，往往将这个设备埋设在桩上下两部分反力均衡的位置，通过荷载箱产生上下两个反向且相对均衡的力，将得到相当于两个静载试验的数据：荷载箱以上部分，获得反向加载时上部分桩体的相应反应系列参数；荷载箱以下部分，获得正向加载时下部分桩体的相应反应参数。
　　实施通莫静载法的试验装置，一般包括以下基本部分：
　　加载装置：包括荷载箱、加载泵和加压管。用于在桩体内部对桩基进行加载。一般采用普通油缸组装，或装有荷载箱。
　　位移检测系统：用于测读桩体各关键层面的位移值。包括位移传送装置（位移管、位移丝和测量结构组成）、位移传感器和电脑测读系统（或人工记录）。
　　应变检测系统（需要测量具体土层的摩阻系数时）：用于测读桩体各关键层面的应变值。包括应变传感器和电脑测读系统。
　　数据测读系统：用于测读测量值，并对数值进行存储记录。一般采用专用电脑系统，也可人工进行测读。
　　1.4 技术扩展
　　实际上，通莫静载试验法还可用于更广阔的用途，举例如下：
　　说明：
　　例1：增加被检测桩的长度（目的：避免将荷载箱埋设在桩体内；区分侧阻和端阻；测试桩的抗拔力等）
　　例2：将荷载箱埋设在桩底（目的：区分侧阻和端阻）
　　例3：将荷载箱埋设在特定地层，并浇注部分混凝土（目的：测定特定地层的承载特性；减少试桩成本等）
　　例4：减小桩径进行试验（目的：减少试桩成本）
　　例5：采用之个荷载箱（目的：增加对地层分析的准确性；实现双向加载等）
　　例6：将荷载箱的加载力倒置（目的：用自平衡实现与传统静载试验完全一致的加载力。）
　　1.5 应用意义
　　通莫静载法的开发，解决了下列工程问题：
　　大吨位静载试验
　　特殊环境下的静载试验（水下、边坡、地下等）
　　针对性地对某个特定地层的特性
　　安全地进行静载试验
　　使大量、高效地实现静载试验成为可能
　　……
　　这种方法的发明，大大推动了岩土工程的发展。
　　2.通莫静载法试验设备介绍
　　2.1 加载设备——荷载箱
　　1）荷载箱
　　作为加载关键设备，通莫荷载箱能满足以下要求和特点：
　　设备预检和标定：因为荷载箱系一次性埋入使用的设备，其100%的可靠性是测试成功的前提。在荷载箱出厂之前，均需经过试压和标定，确保产生足够的精确加载力。
　　中低压设计：根据液压系统的特点，液体压强越高，加载系统的故障发生概率就越大，通莫静载法采用有自主知识产权的增压荷载箱，在很低油压的情况下，就能产生很高的加载力。以杭州湾大桥北岸主墩试验中所采用的通莫荷载箱为例，20MPa油压，就可进行6000吨的静载试验。（下图为杭州湾大桥北岸试桩的荷载箱实图，其最大加载力在60MPa时可达18000吨）
　　预浇混凝土，并安装导流结构，保证加载力在桩体的良好传递。在灌注混凝土的过程中（特别是水下灌注的情况下），由于荷载箱置于桩体内部，会对混凝土的流通起到一定阻挡作用，容易在荷载箱部位形成簿弱层，影响成桩质量和检测结果。通莫荷载箱采用了两项措施完美地解决了这个问题：首先，在加压体的表面，预浇注高强度混凝土，保证荷载箱加压面与混凝土体的无空隙结合。其次，在荷载箱体下部（在直径桩的情况下，也在上部）安置锥形导流体，在混凝土通过荷载箱层面时，能对流体起到顺利的引导作用。
　　保证试验后的注浆补强。
　　由于荷载箱在桩体内部加载发生位移，将产生一定程度的破坏，当试桩用作工程桩，则必须在加载结束后对荷载箱层进行补浆处理。
　　通莫静载法采用的是封闭形成截面加载箱，这种结构的意义在于，在桩体内产生的空隙，必定是连续的断面，从而当通过预埋在该层的注浆管进行注浆时，能保证浆液充满空隙层。结构示意图如下：
　　值得一提的是，国内普遍采用了一种自制的荷载箱，由并联油缸上下加盖板的结构组合而成。笔者认为，对于试桩用作工程桩，将存在的潜在风险。具体体现在：荷载箱产生行程后，荷载箱内部间隙空间形状复杂，不利于水泥浆的填充，故而无法通过注浆的方式进行全方位的补强，内部可能仍然存在有无法估计的桩体缺陷。
　　2.2 位移测量系统
　　通过记录分析加载力和桩体位移的关系，是判断桩基承载特性的一个重要因素。在通莫静载法的检测过程中，通常需要检测三个位置的位移：1）上段桩被加载后产生的位移；2）下段桩被加载后产生的位移；3）桩顶位移。而如何正确地测量这些位移，特别是上部桩体和下部桩体在荷载箱作用下的位移，直接关系到试验的成败。
　　通莫公司对荷载箱上部和下部位移的检测方法非常独特，主要从以下几个方面阐述：
　　上下桩体的位移测量点的选择。通莫公司没有将上下段桩的位移测量点直接安置在荷载箱的上下表面，而是距离荷载箱上下各约30到50cm的位置。通莫公司认为，在某些特殊情况下，上下桩体的实际位移，并不等同于荷载箱箱体的实际位移，从而，将位移测量点确定在桩体上，而非荷载箱上，能确保位移测量的客观性。
　　同截面多点测量。根据桩径大小不同，通常在位移测量截面引出三条或三条以上的位移丝，引到桩顶后，用一特定机械装置将同截面引出的位移丝进行固定，通过电子传感器测读该装置中心点的位移，能够简单而准确地测量出该组位移的平均值。
　　2.3 数据采集和分析系统
　　可采用人工加载和读数的方式读取时间、加载力和位移。也可用自动地方法进行读书和记录。这里介绍通莫数据采集系统如下：
　　电脑系统每300秒（也可根据要求设置）自动采集一次数并实时显示数据。
　　检测人员同步进行检测并记录以备份。记录内容包括：油（水）压，荷载箱上部位移，荷载箱下部位移，桩顶位移，各土层应变等。
　　每只应变传感器独立采集数据，但电脑对同高度的应变传感器的读数自动进行平均将结果实时显示在屏幕上。
　　同一高度的三条（或四条）位移丝作为一组，绑定在一套平衡装置上，可以直接通过该组相应的磁性感应计读出其平均读数并自动将结果输入电脑系统。
　　在检测过程中，系统可以保持一定的加载力，并根据预设的时间间隔来对比测量，通常状态，工作人员无需在测试过程中进行干涉，但如果有需要——可以随时对设定进行调整，包括将自动控制过程切换在手动控制。
　　存储数据通过存储盘转移到办公电脑中，并在办公室进行整理和制图。
　　正确实施通莫静载法，除了上述要点之外，还需要掌握很多细节，包括预埋设备的安装、正确的试验过程、正确的分析方法等等。由于篇幅有限，笔者在此不一一赘述。而对于这样一种有巨大发展前景的方法，只有采用设计使用的设备和正确的实施方法，不盲目地跟风，才能保证成功地进行工程应用。