大直徑擴底灌注樁抗壓承載力試驗研究

毛宗原，徐文武，馬 驥，郭 豪

(1.中國建筑技術集團有限公司，北京 100013；2.北京京投興業置業有限公司，北京 100097)

0 引言

隨著我國經濟的不斷發展，高層建筑、大跨橋梁和大型車站的建設不斷增多，對建筑基礎承載力的要求越來越高。樁基礎是一種能夠充分利用深層地基土承載力，將樁所承受的荷載傳遞到更深、更密實的地基持力層上的基礎形式。對于高層建筑、大型橋梁和車站而言，樁基礎是一種既能滿足要求又經濟的基礎形式。目前，我國已經向著大直徑深長等直徑樁、擴底樁和預應力樁進行研究，但是對于大直徑深長擴底灌注樁的現場試驗研究還較少，其荷載傳遞形式還沒有較多的數據支持。因此，通過現場試驗研究大直徑深長擴底灌注樁的受力形式和荷載傳遞機理對樁基理論的發展、擴底樁的設計方法以及工程的實際應用有巨大幫助。通過對砂土中大直徑深長灌注樁和擴底樁現場靜載荷試驗結果分析，研究大直徑灌注樁和擴底樁承載特性和荷載傳遞機理。

1 工程概況

試驗場地位于通州區芙蓉路以東、玉帶河大街以西、京哈南側路以南、城際聯絡線南側用地邊線以北，場地為北京城市副中心綜合交通樞紐試驗場地。該試驗場地打設4根試驗樁為混凝土灌注樁，其中等直徑樁(SZ1-15,SZ1-19)樁徑為2 400mm，有效樁長為71.6m(樁頂標高為15.100m，樁底標高為-56.500m)，樁頭露出地面600mm，樁身混凝土設計強度等級為C40(水下)；擴底樁(SZ2-17,SZ2-18)樁徑為2 400mm，擴底直徑為3 500mm，有效樁長為71.6m(樁頂標高為15.100m，樁底標高為-56.500m)，樁頭露出地面600mm，樁身混凝土設計強度等級為C40(水下)。試驗樁詳細設計信息如表1所示，擴底樁結構如圖1所示，試樁平面位置如圖2所示。

表1 試驗樁參數

圖1 擴底樁示意

圖2 試樁平面位置示意

試樁均為旋挖成孔灌注樁，試樁成孔后采用成孔質量檢測儀進行成孔質量檢測。試樁澆筑完成并破除樁頭后采用超聲波法和低應變法檢測樁身完整性，每根樁制作鋼筋籠時緊貼鋼筋籠內壁放置4根聲測管，內徑≥4cm。在樁底和樁側45m范圍進行后注漿，在制作鋼筋籠時將4根聲測管與樁端注漿閥焊接在一起兼作樁端注漿管，在樁側綁扎3根樁側后注漿管，布置形式如圖3所示。

圖3 聲測管布置

單樁豎向抗壓承載力試驗按JGJ 106—2003《建筑基樁檢測技術規范》、JGJ94—2008《建筑樁基技術規范》和DB32/T291—1999《樁承載力自平衡測試技術規程》進行，采用錨樁堆載聯合法檢測單樁豎向抗壓極限承載力。試驗前需要在樁頂制作抗壓樁頭，樁頭高出樁頂標高600mm，用厚10mm的鋼板圍裹，樁頭范圍內設水平箍筋，頂部設10層鋼筋網片，間距為250mm，用C60混凝土澆筑，并用高強度等級砂漿將樁頂抹平。試驗過程中利用樁頂上部堆載和錨樁抗拔力提供試驗樁豎向壓力，加載方式為液壓千斤頂(高壓油泵)，加載值由靜荷載測試分析儀測讀，單樁豎向抗壓靜載試驗加載分為14級。

試驗過程中在樁頂架設4個位移傳感器測讀試點的沉降量。采用應力計進行樁身內力檢測，樁身內力測試與抗拔靜載試驗同步進行，鋼筋應變量于每級荷載作用下穩定后用儀器測量其應變值，計算應變計斷面處樁身軸力及樁側土的分層側阻力。應變計安裝共分16個剖面，每個剖面對稱安裝4個應變計。

試驗過程中采用慢速維持荷載法，SZ1-15加載至60 000kN時停止加載，SZ1-19加載至57 000kN時停止加載，SZ2-17加載至66 500kN時停止加載，SZ2-18加載至70 000kN時停止加載。每級荷載加荷后按第5，15，30，45，60min測讀樁頂沉降量，以后每30min測讀一次。每1h內的樁頂沉降量不超過0.1mm，并連續超過2次時，表示樁頂沉降達到相對穩定，可以施加下一級荷載。

2 試驗結果

2.1 Q-s曲線分析

Q-s曲線代表樁頂沉降隨樁頂荷載增大而變化的曲線，直接反應單樁在豎向荷載作用下的沉降變化。SZ1-15，SZ1-19，SZ2-17和SZ2-18試樁的Q-s曲線如圖4所示。

圖4 試樁Q-s曲線

由圖4可以看出，試樁SZ1和SZ2的Q-s曲線形式是相同的，都是在剛開始加載時頂部沉降緩慢增加，隨著豎向荷載的增加頂部沉降增量也逐漸增大，試樁Q-s曲線呈緩變型。試樁SZ1和SZ2的沉降增長速度不同，在豎向荷載為40 000kN左右時，試樁SZ1和SZ2的Q-s曲線開始出現明顯的分化，相同荷載下試樁SZ1的沉降量和沉降增量比試樁SZ2大。

根據試樁Q-s曲線和試樁s-lgt曲線可以得出，試樁SZ1-15,SZ1-19,SZ2-17和SZ2-18的單樁抗壓極限承載力和對應的最大沉降量如表2所示。對比SZ1和SZ2型試樁試驗結果可以看出，擴底樁單樁抗壓極限承載力比SZ1-15大6 500～10000kN，承載力提高了10.8%～16.7%；擴底樁單樁抗壓極限承載力比SZ1-19大9 500～13 000kN，承載力提高了16.7%～22.8%。

表2 試驗結果

根據Q-s曲線和試驗結果可以看出，擴底樁增加了單樁豎向抗壓承載力，而且減小了同荷載條件下樁頂沉降量，使單樁Q-s曲線呈現更平穩的變化。

2.2 試樁軸力分布

觀察試樁SZ1-15，SZ1-19，SZ2-17和SZ2-18試的軸力分布可以看出(見圖5，表3)，等直徑樁和擴底樁樁身軸力均呈現上大下小的分布，在樁頂部位軸力最大，隨著深度的增加逐漸減小，在樁身深度-26.000m處減小加快。比較不同荷載等級下的樁身軸力，發現樁承受壓力都是先激活上部樁土側摩阻力，再激活下部樁土側摩阻力和樁端阻力，樁身阻力的發揮是不同步的。

圖5 極限承載力下樁身軸力

表3 試樁樁身軸力 kN

比較試樁在極限承載力下的樁身軸力曲線可以看出，等直徑樁樁身軸力比擴底樁整體要小5 000kN左右，并且在上半部分樁身軸力變化差異較大，在樁身深度-3.000～-26.000m，試樁SZ1-15,SZ1-19,SZ2-17和SZ2-18樁身軸力分別減少了8 441,8 425,10 362kN和10 415kN，擴底樁樁身軸力減小量約是等直徑樁的1.23～1.24倍；而在樁身深度-26.000～-72.000m，試樁SZ1-15,SZ1-19,SZ2-17和SZ2-18樁身軸力分別減少了35 807,34 110,36 919kN和37 427kN，擴底樁樁身軸力減小量約是等直徑樁的1.03～1.10倍，減小比例相對于-3.000～-26.000m段有明顯降低。由此可以看出，與等直徑樁相比，擴底樁增大了樁身-3.000～-26.000m段的樁側承載力，改善了樁身受力形式。

試樁SZ1-15,SZ1-19,SZ2-17和SZ2-18樁底應力計讀數分別為15 206,13 895,18 618kN和21 620kN，擴底樁SZ2-17樁底承載力比等直徑樁SZ1-15和SZ1-19分別增長了3 412kN和4 723kN，增長比例為22.4%和34.0%；擴底樁SZ2-18樁底承載力比等直徑樁SZ1-15和SZ1-19分別增長了6 414kN和7 725kN，增長比例為42.2%和55.4%。由此可以看出，樁底擴大頭部分將樁端承載力提高了20%～50%，有效增強了單樁極限抗壓承載力。

2.3 樁側摩阻力分析

樁側摩阻力是通過計算樁身各截面軸力之差再除以截面之間的樁側面積計算出的單位面積上樁身所受的摩擦力。由圖6和表4可以看出，在極限荷載作用下試樁SZ1-15,SZ1-19,SZ2-17和SZ2-18在樁身深度-2.100～-25.100m段樁側摩阻力平均值約為46.92,46.99,57.27kPa和57.22kPa，而在-25.100～-71.100m段樁側摩阻力平均值約為103.29,98.4,106.5kPa和107.97kPa，試樁樁身深度-2.100～-25.100m段樁側摩阻力約為-25.100～-71.100m段樁側摩阻力的一半，由此看來試樁主要是由樁身中下部來提供反力的。

圖6 試樁極限摩阻力

表4 試樁極限側摩阻力 kN

擴底樁SZ2-17和SZ2-18在樁身深度-2.100～-25.100m段摩阻力比試樁SZ1-15和SZ1-19大10.3kPa左右，樁側摩阻力增長比例為22%；而在樁身深度-25.100～-71.100m段摩阻力比試樁SZ1-15和SZ1-19大6.4kPa左右，增長比例為6.4%。由此可以看出，擴底樁上部樁身的側摩阻力明顯增大，而對中下部樁身側阻力影響較小，這說明擴底樁使樁側阻力有所增加，并且增長比例不同。這是因為擴底樁增大了樁端阻力，限制了樁身與樁側土體的相對位移，結合樁土界面黏結滑移性質和黏結滑移曲線(見圖7)可知，樁身軸力較大已經超過峰值黏結應力處于滑移段，與等直徑樁相比擴底樁樁底擴大頭增大了樁端阻力，限制了樁身的位移(尤其是樁頂的位移)，在滑移段產生較小的位移，對應到典型黏結應力-滑移曲線上可以看出其黏結應力較大，所以擴底樁樁頂部位摩阻力有明顯的增加,樁身中下部摩阻力有少量增加，樁身結構受力形式得到改善。

圖7 樁土黏結應力-滑移曲線示意

3 結語

1)等直徑樁和擴底樁樁頂沉降在剛開始加載時相差不大，樁頂沉降變化緩慢，Q-s曲線呈緩變型。樁身受壓過程中，隨著豎向荷載的增加樁頂沉降逐漸增大，樁頂沉降增量也增大。

2)相較于等直徑樁，擴底樁單樁豎向抗壓承載力提高了10.8%～22.8%，而且減小了同荷載條件下樁頂沉降量，使單樁Q-s曲線呈現更平穩的變化。

3)樁承受壓力都是先激活上部樁土側摩阻力，再激活下部樁土側摩阻力和樁端阻力，樁身阻力的發揮是不同步的。

4)與等直徑樁相比擴底樁增大了樁身上部的樁側承載力，將樁端承載力提高了20%～50%，有效增強了單樁極限抗壓承載力，改善了上部樁身受力形式。

5)試樁上部樁身側阻力為中下部樁身的一半左右，樁身反力主要是由樁身中下部來提供的。相對于等直徑樁，擴底樁上部樁身的側摩阻力提高了22%，而中下部樁身側摩阻力提高了6.4%。結合典型黏結應力-滑移曲線可知，樁身軸力較大處于滑移段，擴底樁增大了樁端阻力，限制了樁身的位移(尤其是上部樁身的位移),使樁土黏結應力增大，所以擴底樁樁頂部位摩阻力有明顯的增加，樁身中下部摩阻力有少量增加，樁身結構受力形式得到改善。

6)擴底樁施工工期與單位造價與等直徑樁相差不大，而單樁抗壓承載力則提高了10.8%～22.8%，樁端阻力提高了20%～50%，樁頂側阻力提高了22%，改善了單樁受力形式，其承載特性表現為端承摩擦樁；并且同荷載條件下擴底樁的沉降量比等直徑樁有所減小。