大直徑鉆孔灌注樁試驗方法和樁身荷載傳遞分析

楊海賓 崔 勉 谷志超

(河北建設勘察研究院有限公司，河北 石家莊 050031)

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大直徑鉆孔灌注樁試驗方法和樁身荷載傳遞分析

楊海賓 崔 勉 谷志超

(河北建設勘察研究院有限公司，河北 石家莊 050031)

結合石家莊市某試樁工程，采用混合式反力裝置，對大直徑鉆孔灌注樁進行了樁身應力觀測，并對樁身荷載傳遞過程進行了分析，為類似大直徑鉆孔灌注樁的設計和研究提供參考。

鉆孔灌注樁，載荷試驗，混合式反力裝置，應力

近年來，隨著我國建設規模的不斷擴大，樁的設計尺寸越來越大。對于大直徑樁載荷試驗，受困于各種原因，真正能做到樁基破壞階段的試驗很少，加載量在2倍設計荷載時，樁頂沉降往往還很小。由于試驗資料的缺乏，現階段對大直徑樁的荷載傳遞作用機理的研究還不夠完善。本文基于石家莊市某試樁工程，對直徑2 m的鉆孔灌注樁進行了靜載荷試驗及樁身應力測試。試驗反力采用混合式反力裝置，最大提供反力42 000 kN。試驗表明，大直徑灌注樁Q—s曲線呈緩變型，不存在類似小直徑樁樁端刺入性沉降，而只存在壓縮性沉降，樁承載力是按照變形控制的。在工作荷載下，樁頂沉降主要是樁身壓縮量，且主要是樁身摩阻承載，樁端阻力沒有充分發揮。在極限荷載下，樁端位移較大，端阻力的發揮是滯后于側阻力的，且樁端阻和側阻存在相互作用。

1 工程概況和混合式反力裝置

該試樁場地位于石家莊市市區內，采用φ2 000 mm鉆孔灌注樁，樁端及樁側注漿，試樁分為2組，每組數量均為3根，1組有效樁長25 m，2組有效樁長22 m。試樁1預估極限承載力27 500 kN，試樁2預估極限承載力28 000 kN；試樁1最大加載量33 000 kN，試樁2最大加載量42 000 kN。設計樁頂標高較場地自然地坪低約20 m。由于場地地處鬧市區繁華地帶，不具備大范圍開挖條件，試驗加載需在地面完成，為最大限度模擬設計工程樁工況，加載和觀測選定在樁頂設計標高位置，選用荷載箱(即并聯組合千斤頂，以下同)加荷方式，將荷載箱內置在樁體內相當于樁頂設計標高位置，將沉降觀測的樁頂基準面由設計樁頂標高位置引出至自然地面標高位置。上部無效樁身可提供部分反力，不足部分用錨樁提供，這種反力提供方式稱之為混合反力形式。混合式反力裝置提供的反力能力保證了本次試樁最終加載量分別超過預估加載量的11%～45%，滿足了試驗要求，是一種較好的提供反力的裝置。

2 樁身應力觀測計算方法

樁身應力觀測采用頻率式鋼筋計，按照2 m分層布置，第一層作為標定斷面布置在設計樁頂標高1 m處，鋼筋計的焊接采用一端幫焊、一端鉸接。

樁身軸力計算。

樁側摩阻計算。

樁頂豎向荷載作用下各觀測截面間樁側摩阻，可按下式計算：

其中，fj,z(i,i-1)為第j級荷載作用下，樁身第i至i-1段側摩阻；d為樁身第i至i-1段樁身平均直徑；zi,zi-1均為深度，m；Tj,z(i),Tj,z(i-1)分別為距離樁頂i,i-1深度時第j級荷載作用下樁的軸力。

樁身分段沉降計算。

1)樁身分段壓縮量可按下式計算：

其中，Δsk,0,j為第j級荷載作用下，樁身第k即i至i-1之間的截面壓縮量，mm；zi,zi-1均為自樁頂起算樁身深度坐標；Ecsi,Ecs(i-1)分別為對應軸力Tj,z(i),Tj,z(i-1)的樁身等效彈性模量，kPa。

2)樁身總壓縮量可按下式計算：

其中，sj,0為第j級荷載作用下樁身總壓縮量，mm；n為樁的分段數，自標定斷面以下的第一個觀測斷面起算。

其他符號意義同前。

3)樁底沉降量可按下式計算：

sj,b=sj-sj,0。

其中，sj,b為第j級荷載作用下樁底總沉降量，mm；sj為第j級荷載作用下樁頂總沉降量，mm。

其他符號意義同前。

4)樁身任一觀測斷面沉降量可按下式計算：

其中，sj,i為第j級荷載作用下樁身第i截面的總沉降量，m；sj,0,i→n為第j級荷載作用下樁身自i至n截面的總壓縮量，m。

3 試驗數據分析

3.1 載荷試驗Q—s曲線分析

大直徑灌注樁載荷試驗典型Q—s曲線如圖1所示。可以看出，大直徑灌注樁載荷試驗Q—s曲線呈緩變狀態，整個加載過程中并未出現明顯的拐點，這與小直徑樁Q—s曲線一般會出現陡降段明顯不同。這說明大直徑樁樁端土不存在類似小直徑樁樁端刺入性沉降，而只存在壓縮性沉降，其破壞模式表現為樁端壓縮性變形過大，是以變形為控制條件的。對于大直徑樁，隨著樁頂荷載的增加，樁底以下土體產生豎向和側向壓縮，由此排除的土體積足以容納樁端的下沉體積，而不會導致土體形成通向樁端平面以上的連續剪切滑動面。這種以壓縮機理起主導作用漸進破壞使荷載—沉降曲線呈緩變型，無明顯特征點，因此，極限承載力的確定一般應為位移控制。

3.2 樁身應力分析

通過樁身應力觀測，計算樁身軸力和摩阻，得出如下結論：

1)在極限承載力下，樁側阻所占比例很大。最大達到94%，最小也達到87%。表1為其中3根試樁的樁端阻力和樁側阻力值。在試樁加載過程中，樁頂荷載首先由樁側阻力承擔，樁端阻力非常小甚至為0，樁端無沉降。隨著樁頂荷載的增加，樁側阻力逐漸發揮，樁底阻力也開始承擔部分荷載，樁端開始出現沉降。最后樁頂荷載增加至極限值時，樁側阻力增長趨勢變緩，樁端阻力增長趨勢變陡，這時樁身變形過大，達到承載極限。加載過程中樁側阻力和樁端阻力變化見圖2。

表1 樁端阻力和樁側阻力表

2)樁身實測最大摩阻和端阻見表2，并與勘察報告中給出的摩阻、端阻進行比較。

表2 與勘察報告中摩阻值的比較 kPa

實測樁周土層分層摩阻均比勘察報告中給出的相應土層的摩阻值大。試樁采用樁端樁側注漿，實測含卵礫石中粗砂層摩阻值為勘察報告給出的1倍～4倍，粉質粘土層摩阻值為勘察報告給出的2倍～6倍，粗砂層摩阻值為勘察報告給出的1倍～6倍。樁側注漿后，樁側摩阻力增加明顯。實測試樁1最大端阻力955 kPa，試樁2最大端阻力1 717 kPa。

實測端阻力明顯偏小(平均值遠不及勘察提供的3 000 kPa)，樁端沒有產生足夠承載力。大直徑灌注樁，樁端注漿只能增加樁端平面以上樁側摩阻，對樁端端阻增加效果不明顯。試樁在最大加載力下，還能繼續承載，但是沉降會不斷增大，不滿足設計關于變形的要求。正如前文所述，大直徑樁承載力一般是按照變形控制的，如果不限制變形，則大直徑樁承載力會很高。

3)摩阻和端阻相互作用。試樁1，2實測樁端阻和粗砂層的側摩阻見表2，通過對比發現試樁2不僅僅實測端阻大于試樁1，而且試樁2的粗砂層側摩阻同樣大大超過試樁1的粗砂層。分析其原因，發現試樁1，2雖然樁端持力層相同，都是砂卵石層，但是試樁2在持力層之上是中粗砂層或粗砂層，而試樁1在持力層與粗砂層之間有一層粉質粘土層。證明灌注樁底部樁側土層阻力大，對樁端土阻力有增強作用。如果樁底部樁側土存在軟弱層，不僅會降低樁端持力層的承載力，而且會降低樁側軟弱層之上土層的摩阻力。為了保證灌注樁的承載力，必須保證樁端進入堅硬土層一定深度。

3.3 樁身壓縮分析

通過計算樁身壓縮量，發現試樁樁身壓縮量較小，范圍在3.10 mm～6.15 mm之間，試樁承載力特征值對應的樁頂沉降為2.17 mm～5.60 mm，可見，在樁頂工作荷載下(承載力特征值)，樁頂沉降主要是樁身壓縮量，樁在工作荷載下主要是樁身摩阻承載，樁端阻力沒有充分發揮。

樁頂受荷載時，首先樁身產生壓縮，樁土產生相對位移，樁頂荷載由樁周土摩阻承擔。當樁身壓縮量曲線與樁頂加載曲線產生分離時，表明樁身壓縮范圍傳遞到樁底，造成樁底應力和樁底位移出現明顯的增大。

4 結語

以混合式反力裝置對大直徑灌注樁進行載荷試驗，最大加載量達到了42 000 kN，滿足了試驗要求，是一種比較好的提供反力的裝置。通過實驗，發現大直徑鉆孔灌注樁樁身承載具有如下特征：

1)大直徑灌注樁Q—s曲線呈緩變型，樁端不存在類似小直徑樁樁端刺入性沉降，而只存在壓縮性沉降，樁承載力是按照變形控制的。2)在極限承載力下，樁側阻所占比例很大。在樁頂工作荷載下(承載力特征值)，樁頂沉降主要是樁身壓縮量，荷載主要由樁身摩阻承載，樁端阻力沒有充分發揮。在極限荷載下，大直徑灌注樁樁側極限阻力已幾乎全部發揮，而樁端極限阻力還沒有充分發揮。3)樁端阻的發揮是滯后于樁側阻的。4)樁端注漿只能增加樁端平面以上樁側摩阻，對樁端端阻增加效果不明顯。5)摩阻和端阻存在相互作用，灌注樁底部樁側土層阻力大，對樁端土阻力有增強作用。

[1] 郅正華.樁身彈性壓縮量應用研究[Z].

[2] 劉福天，趙春風，吳 杰，等.常州地區大直徑鉆孔灌注樁承載形狀及尺寸效應試驗研究[J].巖石力學與工程學報，2010(7)：62-63.

[3] 曾文韜.后壓漿鉆孔灌注樁單樁承載力試驗研究[J].湖南城市學院學報(自然科學版)，2011,20(2)：76-77.

Analysis on test method and pile load transfer of large diameter bored piles

Yang Haibin Cui Mian Gu Zhichao

(HebeiConstructionSurveyResearchInstituteLimitedCompany,Shijiazhuang050031,China)

Combining with a test pile engineering in Shijiazhuang, this paper adopted the hybrid counter force device, made pile body stress observation to large diameter bored piles, and analyzed the pile load transfer process, provided reference for the design and research of similar large diameter bored piles.

bored pile, load test, hybrid counter force device, stress

1009-6825(2016)13-0087-02

2016-02-23

楊海賓(1982- )，男，碩士，工程師

TU473.13

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