大口徑超深孔樁基軸向靜荷載試驗研究

王建軍 ，彭振斌，劉睦峰，李奮強

(1. 中南大學 地球科學與信息物理學院，湖南 長沙，410083；2. 湖南省煤田地質局，湖南 長沙，410014)

隨著樁基技術的發展，灌注樁的樁徑、樁長不斷地向超大、超深方向發展。同時，對公路橋梁大型樁基礎單樁承載力設計要求也越來越高，樁基礎承載力的確定方法也不斷更新，迄今為止，所采用的方法主要有靜荷載試驗法、動測法、靜動法、聲波透射法以及自平衡法。這些方法已在工程實踐中得到應用，并取得了一定的成果[1-8]。某主橋為主跨480 m的雙塔組合梁斜拉橋，橋址需穿過淤泥層35.27 m，黏土、礫砂及圓礫互疊層88.11 m，在孔深143 m處嵌入弱風化凝灰巖3.72 m；試樁是直徑為2.5～2.8 m的變截面鉆孔灌注樁。對這種大直徑超深孔嵌巖樁進行軸向靜荷載試驗，在國內大口徑樁基礎施工領域尚屬首次。在此，本文作者結合試驗結果，對樁頂位移、樁身軸力和樁側摩阻力的變化規律進行探討。

1 試驗設計

1.1 試樁荷載箱的設置

荷載箱埋設原則上是保證上段樁周摩阻力達到極限時，下段樁周摩阻力及樁底反力同時達到極限。試驗采用自平衡法測試方案，結合室內模擬試驗結果，將荷載箱設置在距樁端3.5 m處[9-11]。

1.2 測試設備

1.2.1 加載設備

加載采用專用的荷載箱進行自平衡法試驗，荷載箱位移方向與樁身軸線夾角≤5°，測試方法如圖1所示(其中，p為軸力)。

1.2.2 荷載與位移的量測原理

采用聯接荷載箱的壓力表測定油壓，根據荷載箱率定曲線換算荷載。在荷載箱上、下頂面及樁身頂面分別設置位移棒，在位移棒外設置護筒。位移棒頂端高出樁頂，并采用電子位移計測量位移棒的位移，測定荷載箱上、下頂面及樁身位移。電子位移計基座置于基準梁上，位移探頭設置于位移棒頂端。固定位移計和支承位移計的基準梁采用一端固定一端自由的方式，試樁與基準樁之間的中心距離大于或等于 3D(D為樁徑)且不小于 4.0 m。

1.3 鋼筋計的布置

樁身受荷后的軸力采用振弦式鋼筋計測量，鋼筋計布設位置與各土層分布關系見表1。其布設原則為：(1) 巖土層分界面埋設測試元件，樁身均勻布置3個；(2) 對主要控制土層適當加密。

圖1 自平衡測試示意圖Fig.1 diagram of self-balancing test

表1 鋼筋計布設位置Table 1 Reinforcement meter location

1.4 試驗步驟

(1) 試驗加載方式。試驗采用慢速維持荷載法即逐級加載，每級荷載達到相對穩定后方可進行下一級加載，直至試樁被破壞為止，然后分級卸載至0 N。

(2) 加載分級及位移觀測。每級加載為預估極限荷載的1/10～1/15。第1級可按分級荷載的2倍施加。每級加載后在1 h內按5，15，30，45和60 min測讀，以后每隔30 min測讀1次。

(3) 位移相對穩定標準。每級荷載施加后，若每30 min的位移不超過0.1 mm，即可認為達到相對穩定，可進行下一級加載。

(4) 終止加載條件。當出現下列情況之一時，即可終止加載：

① 已達到極限加載值。

② 總位移大于或等于 40 mm，在本級荷載作用下樁的位移為前一級荷載作用下位移的5倍。

③ 總位移大于或等于 40 mm，在本級荷載作用下樁的位移大于前一級荷載作用下位移的2倍，且經24 h尚未相對穩定。

④ 累計上拔量超過100 mm。

(5) 卸載與卸載位移觀測。卸載分級為加載分級的2倍。每級卸載后每隔15 min讀1次殘余沉降，讀2次后隔30 min再讀1次，即可卸下一級荷載，全部卸載后隔3～4 h再讀1次。

2 測試結果及分析

2.1 樁頂位移測試結果

每級試驗荷載下荷載(Q)-位移(s)測試結果見表2，變化規律見圖2和圖3。從圖2和圖3可見：當荷載加至25 MN后，荷載箱以上的位移隨荷載的增加呈遞增趨勢(曲線1和3)，而荷載箱以下的位移則呈遞減趨勢(曲線2)；當荷載超過56 MN時，曲線的變化規律趨緩。表明荷載在25 MN內對該類樁型的樁頂位移幾乎沒有影響，樁身側摩阻力足于抵抗上部荷載。

2.2 樁身軸力測試值與計算值的對比分析

2.2.1 樁身軸力及樁周巖土阻力計算模型

將同一斷面有效測點的應變取平均值，并按下式計算該斷面處樁身軸力：

式中：Qi為樁身第 i斷面處軸力(kN)；為第i斷面處應變平均值； Ei為第 i斷面處樁身材料彈性模量(kPa)； Ai為第i斷面處樁身截面面積(m2)。

表2 位移測試結果Table 2 Tested displacement

圖2 全過程的荷載試驗荷載-位移(即Q-s曲線)Fig.2 Load test Q-s curves in full process

圖3 不包含卸載部分時荷載試驗荷載-位移(即Q-s曲線)Fig.3 Load test Q-s curves for unloading part

按每級試驗荷載下樁身不同斷面處的軸力制成表格，并繪制軸力分布圖。再由荷載箱最大或極限荷載下對應的各斷面軸力計算樁側土的分層摩阻力和端阻力。

對荷載箱以上樁段：

對荷載箱以下樁段：

式中：qsi為樁第i斷面與第i+1斷面間側摩阻力(kPa)；Qp為樁的端阻力(kN)；i為樁檢測斷面順序號，自樁頂往下從小到大排列；u為樁身周長(m)；li為第 i斷面與第 i+1斷面之間的樁長(m)；Qn為樁端的軸力(kN)。

試驗中荷載設置12,18, 24, 30, 36, 42, 48, 54和56 MN共9個級別。分別計算每級試驗荷載下樁身在不同斷面處的樁身軸力及樁側土的分層摩阻力和端阻力。計算時，扣除荷載箱以上樁段的自身重力。荷載箱以上樁段樁側土的分層摩阻力按實測值和換算值分別給出，換算值為實測值/上拔系數，上拔系數取0.7。

2.2.2 樁身軸力變化規律分析

每級試驗荷載下樁身不同斷面處的樁身軸力分布規律如圖4所示。由圖4可見：隨著深度的增加，樁身軸力呈遞增變化趨勢；在0～-50 m層位內其變化的梯度近似一致；當超過-50 m后，其梯度變化在不同荷載級別表現出不同的差異性。但通過對其軸力增量變化進行計算，發現其增量變化不一定隨荷載的增加而增加。試驗結果表明：上部荷載的傳遞有一部分被樁側摩阻力所逸散，樁頂荷載不一定全部傳遞作用在樁身底端。

圖4 不同荷載級別下樁身軸力分布圖Fig.4 Distribution of axial force under different loads

2.3 樁側、樁端阻力與樁土相對位移擬合分析

為了分析樁側巖土體的摩阻力是否充分發揮，對樁土相對位移進行擬合分析。采用雙曲線擬合函數模型[12-13]：

式中：τ為土層側摩阻力；a和b為擬合系數；s為樁土位移。

表3所示為根據實測結果得到的各土層側摩阻力與樁土位移進行擬合的系數a和b及相關系數R。擬合的樁身斷面摩阻力變化規律如圖5所示。由圖5可見：在含粉質黏土礫砂層摩阻力(即在深度-60 m附近表現最突出。

表3 各土層雙曲線擬合參數a和b計算結果Table 3 Calculation results of hyperbolic fitting parameters a and b

根據試驗結果反演計算出各級荷載下巖層側阻發揮系數c2，計算結果見表 4。計算時，巖石飽和單軸抗壓強度標準值frk按設計值25 MPa取值。

圖5 樁身斷面摩阻力分布圖Fig.5 Distribution of skin friction pile section

表4 試樁主要設計參數反演結果Table 4 Main design parameters of test pile inverse results

3 結論

(1) 荷載箱最大試驗荷載為56 MN，對應的荷載箱位置上位移為 153.29 mm，荷載箱位置下位移為-34.46 mm，樁頂位移為130.94 mm。

(2) 荷載在25 MN內對該類樁型樁頂位移的影響很小，樁身側摩阻力足于抵抗上部荷載；含粉質黏土礫砂層摩阻力表現最為突出。

(3) 樁側各土層實測時間-位移曲線與擬合曲線在加載后期均趨緩，說明樁側摩阻力基本達到極限。

(4) 根據試驗結果，對各級荷載下巖層側摩阻發揮系數c2進行了反算。由于試樁成樁時，未對弱風化凝灰巖取樣進行單軸抗壓強度試驗，因此，巖層側摩阻發揮系數c2反算值僅供參考。

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