人工挖孔嵌巖灌注樁承載特性現場試驗與機理分析

陳小鈺+張明義+白曉宇

摘 要：以青島市某大型工程為依托，對在泥質粉砂巖地基中的5根人工挖孔嵌巖灌注樁分別進行豎向靜載荷試驗與樁身內力測試。根據大直徑嵌巖樁實測數據探討大直徑人工挖孔嵌巖灌注樁的荷載傳遞機理與豎向承載特性。試驗結果表明：試樁荷載沉降（Q-s）曲線為緩變形，樁頂沉降量均小于11 mm，卸載回彈率大，幅度為51%～75%，承載力較高，5根試樁均滿足設計要求；在最大荷載下，5根嵌巖樁樁端阻力所占樁頂荷載比值均在10%～20%之間，隨樁長、嵌巖深度（中風化）增大而減小，表現出端承摩擦樁的特性；樁身荷載自上而下逐步發揮，上覆土層先達到側摩阻力極限值，在嵌巖段中部側摩阻力達到峰值；樁入巖越深，安全儲備量越大，在泥質粉砂巖中風化段，實測側摩阻力約為規范推薦值的2.5倍，說明5根樁有較大的承載潛力；隨著荷載的增大，嵌巖段分擔的總阻力由39%上升至45%，嵌巖段側摩阻力占主要比重，但樁端阻力分擔荷載的比例上升速率較快；根據行業標準與靜載試驗數據，重新認識該地層人工挖孔嵌巖灌注樁的豎向承載特性，充分發揮其承載潛力，對工程樁樁身尺寸進行優化，達到節約材料和提高施工功效的目的，具有較好的經濟效益。

關鍵詞：挖孔樁；泥質粉砂巖；樁身應力；樁側摩阻力；樁身優化

中圖分類號：TU473.1

文獻標志碼：A 文章編號：1674-4764（2017）05-0079-08

Abstract：Based on an important project at Qingdao， vertical static load test and the pile shaft stress test were conducted on five manual hole digging and pilling piles installed into argillaceous siltstone. The load transfer mechanism and vertical load bearing capacity of the large-diameter rock-socketed piles were discussed through the measured data. The test results showed that the load-displacement of five test piles was slow type， with the pile sedimentation less than 11 mm and larger unloading resilience ranging from 51%～75%， and all the piles had high bearing capacity which could meet the design requirements. Under the ultimate load， the proportion of head load transmitted and supported by the shaft base was between 10%～20% and decreased along with the increase of the shaft length and socked length （socketed into medium weather part）， which showed the characteristic of end-support friction pile. The load of the shaft gradually worked from the top to the toe， and the soil side friction reached its ultimate value at first， while the peak side friction located at the medium of the socked length. The deeper of the socked length， the more safety stock of the pile， and the measured side friction was 2.5 times of the recommendation at the medium weathering rock. The percentage of the socked part supporting the total loading increased from 39% to 45% along with the increasing applied load， and the side friction of the socked part played an important role while the end resistance possessed a quick growth ratio. Based on the standard and data of static load test， vertical bearing capacity of the manual hole digging pile was refreshed， and the pile size was optimized in order to save the materials and improve the effectiveness of the construction， leading to the great economic benefits.

Keywords：hole digging pile； argillaceous siltstone； static compression load； shaft friction； pile optimizationendprint

人工挖孔樁最早于1983年在美國溫哥華問世，具有施工成本低，影響范圍小，承載力大等優點，一般直徑大于800 mm[1]。隨著近年中國經濟的發展，人工挖孔樁被廣泛運用于江蘇、江西、山東半島等地的重點高層建筑、大型橋梁以及碼頭工程中；同時，人工挖孔樁的廣泛應用也吸引眾多學者關注。柳春[2]收集福州市300根以軟弱土層作為持力層的人工挖孔灌注樁，給出其承載力計算公式以及當地常用土層的極限端阻力標準值；蔡來炳等[3]根據現場試驗數據，分析了花崗巖殘積土對人工挖孔樁承載力的影響，指出以花崗巖殘積土為持力層的人工挖孔樁，單樁承載力主要取決于樁端承載力；何現啟等[4]使用模糊綜合法對影響灰巖地區人工挖孔樁施工安全各因素進行多層次綜合評價；曹賢發[5]利用FLAC3D軟件建立人工挖孔施工過程中樁間土失穩力學模型，并探討了各主要因素對樁間土穩定性的影響規律；余海見等[6]通過ANSYS分析了人工挖孔樁護壁結構對樁豎向承載力貢獻的影響，在給定工況條件下，按承載力控制時，分段式護壁結構對樁豎向承載力的貢獻可高達20%。已有研究從承載性能、施工技術等不同角度對人工挖孔樁進行了分析與研究，但對于嵌巖深度（全風化）大于10 m的人工挖孔樁鮮有研究。另外，《建筑樁基技術規范》（JGJ 94—2008）[7]中取干作業鉆孔作用下的側阻極限值來估算人工挖孔樁側阻力極限值，與實際工況不符。設計人員過低評估樁身側摩阻力，造成樁身尺寸過大，從而引起不必要的財力與物力成本。鑒于此，為深入研究人工挖孔嵌巖樁的受力特性與荷載傳遞機制，根據青島某大型工程中5根大直徑人工挖孔嵌巖灌注樁靜載試驗與樁身內力測試結果，分析深厚泥質粉砂巖中人工挖孔灌注樁的受力特性。

1 試驗概況

1.1 工程概況

青島某大型工程位于膠州市膠東鎮，大沽河西岸地區，土層±0絕對高程約10.0 m，擬采用框架結構體系，基礎采用大直徑人工挖孔嵌巖灌注樁，試驗樁5根，樁徑1.0 m，樁長介于12～13 m之間，混凝土強度等級為C30，樁端持力層為中等風化泥質粉砂巖，各試樁參數如表1所示。

1.2 場地水文地質與工程地質條件

場區地形整體較平坦，地貌屬河流洪沖積平原，后經人工回填改造。場區土層主要由第四系全新統人工填土層、洪沖積層組成，場區基巖埋深較淺，基巖面整體較平緩，基巖軟硬不均，主要為白堊系王氏群紅土崖組泥質粉砂巖。地下水形態類型主要是上層滯水和基巖裂隙水，實測鉆孔內水位標高為4.94～9.77 m，場區地下水主要受大氣降水補給，受季節影響，地下水位年變幅1～2 m。按地層滲透性，場區地下水對混凝土結構具有弱腐蝕性，屬Ⅱ類環境類型。工程共揭示了5個標準層，1個亞層，按自上而下，由新到老的順序將各土層分布特征與其物理力學性質分述如表2，其中fak 由靜載荷試驗測得，ck、φk為室內剪切試驗取得。

場區地下水位較淺，一般在粉質黏土層與填土層之間；泥質粉砂巖中風化帶穩定性相對較強，是很好的樁端持力層，由于其下覆厚度較大，按樁基考慮，樁端持力層以下地基可視為均勻性地基；填土層、黏土層與泥質粉砂巖全、強風化段均有不同程度的弱膨脹性，呈不連續層狀或團狀分布； 樁身自重較小，可忽略不計。

2 試驗方案

選取場地共5根試樁進行豎向承載性能研究，經樁身低應變檢測后，5根試樁與錨樁樁身結構均完整，屬Ⅰ類樁。在此基礎上，樁身內力測試與單樁靜載試驗同時進行。

2.1 靜載荷試驗

靜載荷試驗最大加載量應大于設計單樁抗壓承載力特征值的2倍[8]，P1、P2、P4試樁最大加載量為12 600 kN，P3、P5為10 800 kN，5根試樁加載到最大荷載時均未產生明顯破壞。

試驗采用錨樁反力梁體系加載，4根錨樁與反力梁連接，使用4臺500 t的千斤頂配合高壓油泵同步加載，合力中心與試樁軸線重合。施加的荷載通過安裝在千斤頂上的荷重傳感器進行量測，樁頂位移通過安裝在樁頂的4個位移傳感器量測。靜載試驗采用慢速維持荷載法，每級加載量為1 080 kN，首次施加兩級荷載，以后每級加載1 080 kN，試驗過程中加載與補載均自動完成。測讀時間、終止試驗條件以及試樁極限承載力的確定均按《建筑樁基檢測技術規范》（JGJ 106—2014）[8]執行。

錨樁施工工藝與試驗樁相同，錨樁為人工挖孔擴底樁，錨樁中心與試驗樁中心的距離為4.0 m，錨樁提供的反力大于預估最大加載值的1.5倍，錨樁參數見表3。靜載試驗加載系統立面圖見圖1、圖2。

2.2 樁身內力監測

為提高試驗精準性與可操作性，5根試樁在相同位置布設JTM-V1000型振弦式鋼筋應力計和XB-150型振弦式土壓力計。每根試樁安裝6組鋼筋應力計與2個土壓力計，鋼筋應力計布設分布如圖3，每一截面4個鋼筋應力計呈90°安裝。每根試樁共24個鋼筋應力計，鋼筋應力計在安裝時采用同軸搭接焊。在每級加載前后記錄鋼筋應力計頻率值，進一步求得加載過程中的樁身軸力、樁側摩阻力與樁端阻力。鋼筋應力計安裝現場如圖4所示。

3 試驗結果與分析

3.1 Q-s曲線分析

Q-s曲線從宏觀上表現了荷載傳遞性狀、樁土相互作用以及樁受荷載破壞模式，因此，對Q-s曲線分析有助于對樁身豎向承載力的分析[9-12]。試驗區5根試樁Q-s曲線如圖5所示，各試樁的最大加載值，樁頂沉降相關數據見表4。

從表4及圖5可以看出，在各級荷載作用下，5根試樁沉降均較小，最大僅為10.31 mm，嵌巖樁承載性能較好；殘余變形小，殘余沉降介于1.5～4.6 mm之間，卸載回彈率大，幅度為51%～75%，樁的彈性工作特性較明顯，并具有一定的壓縮性。5根試樁的Q-s曲線為緩慢型，在整個加載過程中，無陡降段，隨著荷載的增大沉降速率基本保持不變，總沉降量較小，在6.07～10.31 mm之間，為典型的抗壓靜載試驗曲線，說明即使嵌入軟巖地基，嵌巖樁的承載力依然較高。呂福慶[13]等根據19個工程71根嵌巖樁靜載試驗的實測資料將嵌巖樁沉降曲線分為3個區域，其中1區為挖孔嵌巖樁Q-s曲線分布區，當樁達到設計要求的荷載時，沉降量一般不超過25 mm。這與試驗中人工挖孔嵌巖樁沉降量較小一致。endprint

5根試樁中P3、P4的長徑比均為12.5，P1、P2、P5的長徑比分別為12、12.8、13。5根試樁樁頂最大沉降差距約為5 mm，最大沉降量為最小沉降量的1.7倍，在樁頂沉降量為4 mm時，P4樁的豎向承載力為10 800 kN，而P5試樁僅為7 540 kN。即使是在相同的場地條件下，相同的長徑比、荷載施加值，相同的試驗方法，也很難取得完全一致的試驗結果，因為成樁質量是有差別的。

3.2 樁身軸力分布規律

設試樁截面上下軸向應力相同，根據應力計讀數以及樁身相對彈性模量可求樁身不同截面處樁身軸力[14]。由于在每級荷載作用下，軸力分布曲線較為接近，僅給出部分試樁（P3試樁）的軸力分布曲線，如圖6所示?？梢钥闯?，在特定荷載作用下，軸力分布沿樁身逐漸遞減，樁身軸力從上而下依次發揮，且軸力分布斜率逐漸減小，在基巖中部達到最小，說明隨樁身埋深深度的增加，樁側摩阻力逐漸增大；在特定土層中，軸力分布曲線斜率隨著上部垂直荷載的增大不斷減小，且在基巖層內斜率降低幅度最大，說明隨荷載增加，各地層側摩阻力被不斷發揮出來，基巖層側摩阻力增幅最大。

3.3 樁身側摩阻力分布規律

設樁側摩阻力沿樁身均勻分布，由軸力與樁身實際尺寸計算而得樁體各截面處側摩阻力，如圖7所示。樁體側摩阻力發揮受土層性質以及土層埋深的影響，從上而下異步發揮。最大荷載作用下，側摩阻力隨樁長埋深增大而不斷增加且在嵌巖段達到峰值。嵌巖段中部側摩阻力高達450～500 kPa，而靠近樁端側摩阻力并未完全發揮，僅為280～340 kPa，說明即使在地層深度（3.0 m）較小的情況下，側摩阻力也存在差異，建議規范考慮埋深對側摩阻力發揮的影響效應。

各地層樁側摩阻力隨樁頂荷載等級變化曲線如圖8所示。在最大荷載下，嵌巖段側摩阻力明顯大于土層，且在分級荷載下，嵌巖段側阻力增大幅度遠大于土層。在上覆土層段，試樁均存在明顯的轉折點：對于埋深2.6 m處土層，其側摩阻力在加載之初已基本接近極限值，約為150 kPa，后隨荷載增大表現為平緩趨勢；在埋深6.1 m處土層，約在第7級荷載下達極限值，約為150 kPa；而對于更深土層，側摩阻力值無明顯轉折點，說明僅上部土層充分發揮其側摩阻力，樁身還有很大承載潛力可挖。

最大加載時的樁周各土層側摩阻力實測值與推薦值如表5所示。5根試樁各土層側摩阻力差別不大，證明試驗的可行性以及試驗數據的可靠性。在最大加載作用下，樁周各土層側摩阻力實測值均大于勘察報告推薦值，且隨著樁入土深度的增加，增強系數不斷增大，在樁端持力層，中等風化段側摩阻力為勘察推薦值的2.5倍。究其原因，樁頂荷載并未達到荷載極限值，樁身側摩阻力從上而下依次發揮，埋深越大，樁側摩阻力越不能充分發揮。另外，即使側摩阻力充分發揮，現行樁基技術規范[7] 取干作業鉆孔條件下的側摩阻力值為人工挖孔樁取值依據，但人工挖孔樁中的護壁與端承作用，能有效增大樁土接觸面積及樁土界面粗糙度，從而增大側摩阻力，且增強應力隨埋深增加不斷增大[6， 15]。根據規范[7]確定P3、P5根樁的試驗豎向抗壓極限承載力均不低于10 800 kN，豎向抗壓極限承載特征值不低于5 400 kN，P1、P2、P4根樁的試驗豎向抗壓極限承載力均不低于12 600 kN，豎向抗壓極限承載特征值不低于6 300 kN。5根試樁平均承載力值小于30%，故極限承載力極限值為11 800 kN。

3.4 嵌巖段阻力分析

根據置于樁底的兩個量程為6 MPa的土壓力盒計算樁端阻力值。樁端阻力與樁長和嵌巖比（中風化）的關系見圖9、圖10，樁端阻力標準值與推薦值對比見表6。

由圖9、10可知，在最大加載下，5根人工挖孔嵌巖灌注樁實測端樁阻力所分擔樁頂荷載比例（Qb/Q）在10%～20%之間，隨著樁身長度增加而減弱，隨樁體嵌巖（中風化）深度增大而降低，5根樁均表現出端承摩擦樁的性狀，說明其單樁豎向承載力大部分由樁側摩阻力提供，這與已有的研究成果一致[16-17]。但如果在極限加載條件下，情形會有所變化，樁端會承受更多的上部荷載。由表6可以看出，在最大加載下，5根試樁樁端阻力實際發揮值遠小于勘察推薦值，說明試樁仍有較大承載潛力可挖。其中P5樁由于其較大的嵌巖比（4.1），端阻發揮值最小，僅為規范值的24%。

由表7可知，隨著荷載的增大，土層分擔荷載比例呈下降趨勢，但下降幅度較小，約為10%左右。相對應，嵌巖段總阻力分擔比例呈上升趨勢，其中，嵌巖段側摩阻力與端阻阻力均隨荷載表現出增長趨勢，增長幅度分別為13%、50%；雖嵌巖段側摩阻力在端阻力中占主要比例，但增幅較小；端阻力占嵌巖段總阻力比值較小，介于19%～28%之間，但增長較大，幅度約為47%。說明嵌巖段中側摩阻力提供主要阻力，但端阻占比增長較快。

在設計標準值荷載（5 400 kN）下，端阻分擔比例不足10%，且樁頂平均位移約為2.1 mm，遠小于規范最大位移值（40 mm）以及0.05 D，說明在設計標準值荷載下，5根試樁基本無變形，有很大的承載潛力。

4 討論

對于人工挖孔嵌巖灌注樁，過大的嵌巖深度與樁身直徑均會造成施工難度的增大以及施工成本的增加，因此，應當結合勘察報告與靜載荷試驗數據對樁身尺寸進行優化，以便達到最大性價比。

通過上述分析可知，5根試樁仍有很大的承載潛力，試樁設計參數過于保守。分析原因，一方面，勘察報告中土層極限側摩阻力值取值過低，以干作業鉆孔樁作為取值依據，忽略人工挖孔樁中的端承護壁作用；另一方面，施工過程中，由于施工技術的局限性，樁身直徑、嵌巖深度、樁身質量等因素無法完全控制。

龔成中等[18]、張建新等[19]討論樁身尺寸對側摩阻力發揮的影響得出以下結論：1）對于大直徑樁（D≥800）隨著樁直徑的增大，樁側摩阻力值減??；2）隨著嵌巖深度的增大，樁側摩阻力值減小。據此減小樁身尺寸不會對側摩阻力產生消極影響。endprint

考慮施工難易程度以及行業現行標準，對樁身直徑分別取800、600 mm進行樁豎向極限承載力驗算。其中，樁各層側摩阻力取靜載試驗實測側摩阻力值。不同直徑下的樁豎向承載力極限值見表8。

由表8可以看出，當樁直徑為800 mm時，5根試樁的極限承載值均滿足設計要求，極限承載力增強系數在1.59～1.9之間，有一定的安全儲備。而當直徑為600 mm時，其極限承載力增強系數在0.93～1.28之間，P2、P5試樁承載力略低，不能完全滿足設計承載力要求。故綜合考慮取800 mm作為工程樁直徑。

直徑800 mm的人工挖孔試樁中，每根樁的混凝土方量為31 m3，約73.5 t。與直徑1 000 mm的等長度挖孔樁相比，采用直徑800 mm的挖孔樁，可節省21%混凝土量及18%的人工挖土方量。

按青島當地材料單價以及勞動力成本價格估算，C30混凝土單價取300元/m3，人工挖土方量單價取260元/m3。本工程共計約1 000根人工挖孔灌注樁，若均采用直徑800 mm挖孔樁代替直徑1 000 mm樁，將節省450萬元成本，經濟效益顯著?；炷良巴谕练搅抗澥×考俺杀竟澥×咳绫?、表10所示。

5 結論

1）試樁荷載沉降（Q-s）曲線為緩變形，樁頂沉降量均小于11 mm，樁頂卸載回彈率較大，幅度為51%～75%。即使在相同的施工條件以及相同的樁身參數下，成樁質量也有一定的差別。

2）5根試樁均滿足設計要求，且有較大的承載潛力，說明人工挖孔成樁工藝可行。實測側摩阻力值均大于勘察報告推薦值，在中等風化段，實測樁身側摩阻力值為447 kN，為勘察推薦值的2.5倍。

3）在最大加載條件下，5根樁樁端阻力承擔上部荷載比值均在10%～20%之間，表現出端承摩擦樁的特性。樁身軸力自上而下逐步發揮，側摩阻力在嵌巖段中部達最大值，端阻分擔荷載隨樁長增大而減弱，隨嵌巖深度增大而減小。

4）隨荷載增大，土層側摩阻力分擔上部荷載比例由61%下降至55%，嵌巖段總阻力呈上升趨勢。其中嵌巖段總阻力主要由其側摩阻力承擔，但端阻占比隨荷載增加上升速率較快，約為47%。

5）根據勘察報告與靜載荷試驗值對樁身尺寸進行優化：本工程可用800工程樁代替1 000人工挖孔樁，據此可節約21%混凝土方量，18%人工挖土方量，節省工程總造價450萬元。

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（編輯 胡英奎）endprint