過厚層填土嵌巖樁承載力性狀試驗研究

(廣西瑞宇建筑科技有限公司,南寧 530003)

引言

近些年來，在社會經濟和國家政策的指引下，我國土木工程基建事業快速發展，其中高層和超高層建筑物的發展尤為迅速，從而使我國的深基礎工程不斷面臨新的技術挑戰。樁基礎由于其承載能力高、適用范圍廣、歷史久遠等特點而廣泛應用于深基礎工程中[1-4]。而嵌巖樁因為其單樁承載力高且擁有良好的抗震性能和良好的沉降收斂性能而被施工單位運用到深基坑工程中[5-8]，正逐漸往大直徑、深長嵌巖樁的研究方向發展[9-13]，但由于嵌巖樁的高承載力導致其試驗破壞過程較困難，所以現行關于嵌巖樁的工程試樁實測資料匱乏，極大地影響了人們對于嵌巖樁承載性狀的相關了解[14-18]。且目前應用于工程實際中的嵌巖樁穿過填土層的厚度一般較小，更加缺乏對過厚填土層嵌巖樁的承載力性狀的試驗研究。本文通過對南寧市第三中學國際學校過厚層填土三根嵌巖樁進行現場靜載荷試驗，研究討論其在靜載作用下的承載特性，以此為嵌巖樁在今后類似地質條件下的實際工程施工過程提供相關應用參考依據。

1 工程概況及試驗方案

1.1 工程概況

該工程為南寧市第三中學國際學校工程，場地地形屬南寧盆地邊緣低丘地貌，位于南寧向斜構造盆地東南部邊緣，從南至北呈斜坡狀，起伏較大，高差約10 m～34m，地面標高約為105.62 m～157.77m。場地內大部分區域存在回填土，厚約0.5 m～43.1m。下伏巖土層主要為古近系內陸湖相沉積的半成巖軟質巖類地層，由泥巖、粉砂質泥巖、泥質粉砂巖、砂巖互層夾褐煤、鈣質泥巖、泥灰巖等組成。兩根試樁Z1(長21.6m，樁徑1m)和Z2(長16m，樁徑1m)樁位處地層分布如表1-2。

表1 試驗樁Z1地質情況表

表2 試驗樁Z2地質情況表

1.2 試驗方案

測試采用慢速維持荷載法。

1)加載前對樁進行預壓，預壓值為按勘察報告參數計算的極限荷載的10%。

2)加載分級進行，每一級極限荷載的10%，首次加載極限荷載的20%，加載至極限荷載后按極限荷載的5%進行加載，加載至破壞。

3)加時應使荷載傳遞均勻、連續、無沖擊，每級荷載在維持過程中的變化幅度不得超過分級荷載的±10%。

加載分級見表3。

表3 試驗樁Z1、Z2加載分級表

2 試驗結果及分析

2.1 荷載—沉降(Q—s)關系曲線

根據以上試驗所得結果，Z1、Z2試樁所得的荷載—沉降(Q—s)曲線如圖1所示。

圖1 Z1樁荷載—沉降(Q—s)關系曲線圖

圖2 Z2樁荷載—沉降(Q—s)關系曲線圖

由圖1知，Z1試樁預估單樁豎向抗壓極限承載力值為10900kN，當加載至第10級已達到本試樁預估單樁豎向抗壓極限承載力值為10900kN時，測得樁頂沉降量為25.3mm，沉降數據相對穩定，遠小于試樁破壞極限s=80.00mm。為了使試樁達到極限破壞繼續加載，至15805kN時樁頂位移超過8000mm，已超過試樁破壞值，停止了加載。根據規范對緩變型Q～s曲線可取s=0.05D(D為樁徑，s=50mm)對應的荷載值作為單樁豎向抗壓極限承載力，第2根試樁取s小于50mm的上一級做為單樁豎向抗壓極限承載力，即13625kN，對應的位移為49.00mm。

由圖2知，Z2試樁預估單樁豎向抗壓極限承載力值為7090kN，當加載至第10級已達到本試樁預估單樁豎向抗壓極限承載力值為7090kN時，測得樁頂沉降量為35.00mm，沉降數據相對穩定，遠小于試樁破壞極限s=80.00mm，為了使試樁達到極限破壞繼續加載至7865kN時樁頂位移s=80.34mm，已達到試樁破壞值，停止了加載。根據規范對緩變型Q～s曲線可取s=0.05D(D為樁徑，s=50mm)對應的荷載值作為單樁豎向抗壓極限承載力，第3根試樁取s小于50mm的上一級做為單樁豎向抗壓極限承載力，即7507kN，對應的位移為47.00mm。

2.1 樁軸向力

樁的軸向荷載傳遞，就是指在樁頂軸向荷載作用下，樁身產生內力和變形，通過樁壁和土的相對位移(簡稱樁土位移)產生樁側摩阻力，同時樁端對土的貫入產生樁端阻力，作用在樁頂的軸向荷載就是通過樁側摩阻力和樁端阻力傳遞到土中的。

均質土體中的一根等截面的單樁(樁周土不動，樁在荷載下往下壓)，在樁頂荷載Q作用下：樁頂位移δ0、樁身任意深度z處的軸力NZ和樁土位移δz以及樁端的軸力N1和位移Z1。以樁頂(地面)作為坐標原點，離樁頂深度為 處的樁身軸力為：

(1)

通過靜載試驗和內力測試可以得到軸力分布情況，如圖3、4所示。

圖3 Z1樁軸力—埋深(N—s)關系曲線圖

由圖4可以看出，隨著埋深增大，樁身截面的軸力將隨之減小，是因為在豎向荷載的作用下，嵌巖樁的樁體會產生一定的軸向壓縮，將會與嵌巖樁周圍的土體產生縱向相對位移，在樁和周圍土體間就會形成摩阻力，會阻礙樁頂荷載沿嵌巖樁身往下部的傳遞，所以會使得樁身截面的軸力隨著深度的增大而減小。對于某一個試樁來說，當其樁頂的荷載越大時，相應軸力遞減速率也更快，這表明了樁頂荷載越大時，樁側阻力的阻礙作用就越明顯。對于Z1和Z2試樁來說，其樁端截面仍殘余一定軸力，表明了該嵌巖樁的樁端阻力也起著一定的作用。

圖4 Z1樁軸力—埋深(N—s)關系曲線圖

2.2 樁側摩阻力

由側摩阻力的計算公式f=Qi-QI+1(kN)和單位摩阻力公式fi=(Qi-Qi+1)/(πDh)(kPa)[19],可以得出相應荷載下各個土層的單位摩阻力和總摩阻力，并整理繪制沿嵌巖樁埋深變化的摩阻力圖如圖5所示。

圖5 Z1樁摩阻力—埋深關系曲線圖

由圖5知，加載量較小時，上部荷載由素填土側阻力承擔較大一部分；隨著加載量的增加，強風化泥巖、強風化粉砂巖、中風化泥巖側阻力逐漸增加。加載接近極限承載力13625kN時，素填土、強風化粉砂巖層側阻力增加量減小，說明該土層側阻力得到了較充分發揮，而中風化泥巖側阻力隨加載的增加側阻力仍繼續增大。由圖6知，加載量較小時，上部荷載由素填土、粉質粘土側阻力承擔較大一部分；隨著加載量的增加，強風化泥巖、強風化砂巖、中風化泥巖、中風化砂巖層側阻力逐漸增加。當荷載在4290kN～6435kN之間達到最大值，隨荷載的增加側阻力有減小的趨勢。

總體來說，對于嵌巖樁來說，當其樁頂荷載越大時，樁側摩阻力就越大，其阻礙作用就越明顯。

圖6 Z2樁摩阻力—埋深關系曲線圖

2.3 樁端阻力

由圖7知，加載超過5450kN樁端阻力才開始發揮，加載到11445kN時樁端阻力發揮急驟增加，加載至13625kN時樁端端阻為4880kPa，繼續加載樁端端阻仍有所增加,這也說明試樁的樁端阻力沒有得到充分的發揮。由圖8知，加載超過1000kN樁端阻力才開始發揮，加載至5720kN后端阻力急驟增加，加載至7507kN時樁端端阻力為2857kPa，略小于勘察報告所提供的3000kPa，也說明在該試驗條件下試樁樁端阻力并沒有達到極限值。

圖7 Z1樁端阻力—荷載關系曲線圖

圖8 Z2樁端阻力—荷載關系曲線圖

3 結論

本文通過對過厚層填土嵌巖樁進行現場靜載荷試驗，研究討論其在靜載作用下的承載特性，并為今后工程實際施工提供借鑒意義，總結有以下結論：

(1)在豎向荷載作用下，樁周土巖層的側摩阻力和樁端巖層的端承力一起構成嵌巖樁承載力。在豎向荷載的作用下，嵌巖樁會產生一定的軸向壓縮從而與周圍土體發生相對位移形成側摩阻力阻礙樁頂荷載沿嵌巖樁身往下部的傳遞，使得樁身截面的軸力隨著深度的增大而減小。當嵌巖樁頂豎向荷載越大時，其軸力衰減也越快。

(2)該試驗條件下，各試樁的樁端阻力都隨著豎向荷載的增加而增大，說明試樁的樁端阻力并沒有得到充分的發揮。

(3)由于過厚層填土的存在，成樁充盈系數偏大，試樁施工過程不可避免產生塌孔、沉渣等現象。試樁結果顯示，中風化粉砂巖端阻力占總加載量比重小，因此建議無論是試樁還是工程樁施工過程應嚴格控制泥漿護壁的泥漿稠度，加強沉渣厚度檢測。

(4)在過厚層填土地區采用旋挖樁施工工藝，即使施工十分嚴格仍有出現較厚沉渣的可能，故建議采用樁底注漿技術，以保證端阻的充分發揮。