1 工程概况
润扬长江公路大桥是江苏省“四纵四横四联”公路主骨架和南北跨越长江公路通道的重要组成部分，全长35.66km。其中跨江主桥工程全长7.4km，由北引桥、北汉主桥、世业洲互通立交、南汉主桥、南引桥5个部分组成。南汉悬索桥主跨1490m。
跨江主桥桥址位于扬子板块，在历次挤压褶皱及岩浆活动综合作用下，地质情况复杂。覆盖层软土具有触变性，部分区域有液化土层分布；基岩构造破碎，风化程度不均匀；土体及下卧基岩物理力学指标变化较大。
润扬长江公路大桥塔墩基础为大直径钻孔灌注桩，桩基根数多，为了验证并优化桩基设计，对桩基础进行试桩试验，用以研究确定单桩承载力、分层岩土摩擦力、端阻力、桩基沉降、桩弹性压缩、岩土塑性变形，找出优化的桩端持力层、桩长、桩径，为设计人员优化桩基设计提供必要依据。
2 自平衡法试桩原理和方法
2.1 测试机理
传统的桩基荷载试验方法有两种，一是堆载法，二是锚桩法，都采用油压千斤顶在桩顶施加荷载，存在的主要问题是：前者必须解决几百吨甚至上千吨荷载的来源、堆放及运输问题，后者必须设置多根锚桩及反力大梁。这2种方法不仅所需费用昂贵，时间较长，而且易受吨位和场地条件限制。
为解决以上难题，美国学者Osterberg
[1]于20世纪80年代首先提出了自平衡测试法，并于80年代中期开展了桩承载力自平衡试验方法的研究，首先在桥梁钢桩中成功应用，后来逐渐推广至各种桩型。
桩承载力自平衡试验方法是在基桩施工过程中将荷载箱(主要由活塞、顶盖、底盖及箱壁4部分组成)放在桩身指定位置，测试时能直观地反映荷载箱上、下两段桩各自的承载力。这为我们区分摩阻力与端阻力的发挥情况提供了强有力的手段，其测试机理如图1所示。试验时，从地面给油压管加压，随着压力的增大，荷载箱将同时向上、向下发生变位，自动调整桩侧阻力及桩端阻力，直到破坏。根据加载及箱体向上、下位移的惟一对应关系，可以绘出向上、向下Q一S曲线;将上段桩得到的极限抗拔承载力经一定处理后转换为极限抗压承载力，再与下段桩承载力相加即为桩极限承载力。
相对传统静载荷测试方法，该法有以下特点：
(1)装置较简单，不占用场地，不需运人数百吨或数千吨物料，不需构筑笨重的反力架，试桩准备工作省时、省力、安全；
(2)该法利用桩的侧阻与端阻互为反力，因而可清楚地分出侧阻力与端阻力分布和各自的荷载一位移曲线；
(3)试验费用省。尽管荷载箱为一次性投人器件，但与传统方法相比可节省试验总费用的30%-60%，具体比例视桩吨位与地质条件而定；
(4)重复试验方便。可在不同的桩端深度(双荷载箱或多荷载箱)和同一桩端深度的不同的时间(后压浆试桩效果)在同一根桩上方便地进行试验[2]；
(5)在水上试桩，坡场试桩，基坑底试桩，狭窄场地试桩，斜桩，嵌岩桩，抗拔桩等情况下，传统试桩法难以做到，而自平衡试验方法则具有优势。
2.2 极限承载力确定
(1) 根据位移随荷载的变化特性确定极限承载力：在陡变形Q-S曲线上取曲线发生明显陡变的起始点对应的荷载；对于缓变形Q-S曲线，上段桩极限侧阻力取对应于向上位移S+= 40一60 mm处的荷载，下段桩极限侧阻力取S-=40~60mm处的荷载，或大直径桩时S-=(0.03~0.06)D 处对应荷载。
(2) 根据沉降(S)随时间(t)的变化特征确定极限承载力：取S-lgt曲线尾部出现明显弯曲的前一级荷载值。
根据上述准则，可求得桩上、下段极限承载力实测值Qu+、 Qu-。该法测试时，荷载箱上部桩身自重方向与桩侧阻力方向一致，故在判定桩侧阻力时应当扣除。
2.3 测试结果向传统方法的转换
在桩承载力自平衡测试法中，可以测定荷载箱向上、向下的变位量，及桩在不同深度的应变或轴力。通过桩的应变和断面刚度，可以计算出轴向力分布，进而求出不同深度的桩侧摩阻力，利用桩侧摩阻力与变位量的关系、荷载箱荷载与向下变位量的关系，通过荷载传递解析方法，可求得等效桩头荷载对应的荷载一沉降关系。
在荷载传递解析中，做如下假定：
(1) 桩为弹性体；
(2) 可由单元上下两面的轴向力和平均断面刚度来求各单元应变；
(3)自平衡测试法中，桩尖的承载力与沉降量关系及不同深度的桩侧摩阻力与变位量关系跟标准试验法是相同的。
3 主要试验研究工作
3.1 试桩情况
根据地质构造情况，南引桥布置1根担φ1.5m试桩(地质钻孔编号Y48)。南汉桥南塔地质情况复杂，受构造块的影响，基岩裂隙发育，同时根据南汉桥南塔基础的地质情况，桩基础的弹性压缩、差异沉降的控制在南塔基础及塔身设计中显得尤为重要，因此在南汉桥南塔布置1根φ2.8m工程试桩(地质钻孔编号ZN121)和2根φ1.2m模拟试桩(地质钻孔编号为ZN36与ZN131)。世业洲高架桥引桥布置1根中φ1.5m试桩(地质钻孔编号Y34)北汉桥南塔墩下伏基岩岩性为花岗岩，处于F1夹江断层与F2断层交汇部位，岩体破碎，风化、蚀变强烈，局部有夹层泥，为构造角砾岩。为确保南塔基础的安全可靠，并符合经济原则，布置1根拟φ1.5m试桩(地质钻孔编号Y20)。共进行了6根试桩，试桩有关数据见表1。
采用自平衡法试桩对桩基施工带来了一定的困难，因为钢筋笼上附加了4~8根钢管及4~8根位移管，使钢筋笼下笼时速度放慢，且桩侧土易于塌孔。因此采取了一系列措施保证了试桩的桩体质量。
3.2 试验研究内容
(1)复杂地质条件下，大直径钻孔桩成孔工艺研究。通过试桩工艺研究，取得经验，确保工程质量，提高成桩优质产品率，减小风险，避免废桩、补桩，提高效率。
(2)桩基承载力的测试通常只是以验证设计为目的，鉴于润扬公路长江大桥桥梁长，桩基数量大，地质情况复杂，通过利用自平衡方法做桩基承载力极限试验，以取得准确的相关数据，达到确保工程安全可靠、优化设计的目的。
(3)研究同一场地大直径桩与小直径桩摩阻力及端承力的关系，进而研究小直径桩静载荷试验模拟大直径桩的试桩方法。
(4)对自平衡法测试结果进行理论分析，利用测得的各土层侧摩阻力与相应变位的关系，建立自平衡测试方法结果向传统测试方法结果的转换方式，计算桩基承载力和沉降量。
(5)测试各土层的极限承载力、桩身轴力，确定该地质条件下的荷载传递机理。
(6)研究提出优化桩基设计方案及大吨位桥梁桩基础承载力测试方法和规程。
本次试桩所测试的桩基最大承载力达1200 00kN，远远超过了在此之前国内试验测试的最大单桩承载力38 000kN。
4 结语
针对桩基吨位大、试桩场地特殊等特点，采用自平衡试桩法成功地进行润扬长江公路大桥桩基静载荷测试，确定了单桩承载力、分层岩土摩擦力、端阻力、桩基沉降、桩弹性压缩、岩土塑性变形，经过一年多的研究，取得了满意的阶段性成果。
(1)采用自平衡试桩法成功地进行了1200 00kN大直径钻孔灌注桩静载荷试验，并配以钢筋计测试元件研究了大直径钻孔灌注桩的荷载传递机理及土层摩阻力分布。结果表明自平衡试桩法试桩能突破常规法试桩吨位的限制，为以后桥梁超大吨位桩基的测试提供了有效途径。
(2)在同一场地、同样桩长、同一施工条件下进行了大小直径桩承载力对比试验，进而对小直径桩模拟大直径桩的试桩效果进行了研究。结果表明，大小直径桩不仅侧摩阻力存在尺寸效应，而且端阻力亦存在尺寸效应，因而模拟试桩应该考虑尺寸效应的影响。
(3)对自平衡法测试结果进行理论分析，利用测得的各土层侧摩阻力与相应变位的关系，建立了自平衡测试方法结果向传统测试方法结果的简化和精确转换方法，计算出桩基承载力和沉降量。结果表明，简化转换法和精确转换法较为接近，在同一荷载水平下，简化转换法对应的沉降稍大于精确转换法对应的沉降。工程实践中采用简化转换法是安全适用的。
(4)南汉桥南塔3根嵌岩桩研究结果表明，桩嵌岩段总阻力与桩顶荷载的比值随着桩顶荷载的增加而增加，桩侧土层总阻力所占比例越来越小，但是，到加载最大值时，嵌岩段总阻力所占比例仅为53.60%~70.40%，因此，规范设计时仅考虑嵌岩段急阻力是不够的，低估了嵌岩桩的承载能力。
参考文献：
1 Osterberg J. New device for load testing driven piles and drilled shaft separates friction and end bearing. Piling andDeepF oundations,1989
2 李增选，张莹。静动试桩法及其应用.同济大学学报，2000(1)
