陜北地區鉆孔灌注樁承載特性試驗研究

馬文龍，牛 兵，蘇立保，白逸潔，張曉波

(1.機械工業勘察設計研究院有限公司，陜西 西安 710043； 2.陜西中機巖土工程有限責任公司，陜西 西安 710043)

1 概述

鉆孔灌注樁由于其樁身剛度大、承載力高、地層適應性強等優點在樁基礎中得到廣泛的使用，并在減少上部結構沉降、提高地基承載力等方面發揮著明顯的作用[1]，因此成為高層建筑等眾多工程建設重要的基礎形式。

近年來，我國眾多學者對鉆孔灌注樁承載特性進行了深入研究，并取得了一定的研究成果。桑偉鋒[2]開展大直徑鉆孔灌注樁大噸位豎向單樁靜載試驗，發現大直徑超長鉆孔灌注樁樁側摩阻力的發揮與土層性質、土層埋深及樁頂荷載水平有關；趙升峰[3]在南京河西地區開展現場載荷試驗，對大直徑超長鉆孔灌注樁的承載特性及荷載傳遞機理進行了分析，結果表明該試樁表現出摩擦型樁特征，且樁側摩阻力與樁端阻力呈現出異步發揮的特征；陳旻[4]在深厚軟土地區進行大直徑鉆孔灌注樁靜載試驗，對軟土中持力層為卵石的超長樁的承載性狀和荷載傳遞機理展開研究，發現靠近樁端的側摩阻力弱化及強化現象均有出現，適當提高樁身混凝土設計強度,增大樁身剛度，減少樁身壓縮量，可充分發揮樁身下部土層的樁側摩阻力和樁端阻力，并減少樁側阻力弱化現象，研究結果積累了該地區樁基設計經驗；呂鵬飛[5]以高承載力鉆孔灌注樁為研究對象，通過現場試驗、理論分析、有限元模擬相結合，對鉆孔灌注樁的承載性能、荷載傳遞和側摩阻力進行研究[6]。

本文以陜西省榆林市某工程為依托，開展大直徑鉆孔灌注樁單樁豎向抗壓靜載荷試驗和樁身軸力測試試驗研究，試驗結果對該地區的工程設計及施工有一定的指導意義。

2 工程概況

試驗區位于陜西省榆林市靖邊縣，場地地貌單元屬于低緩黃土梁、峁，屬毛烏素沙漠的南緣，地形起伏較大，整體地形大致為東西走向的黃土(沙)梁和梁間洼地組成，微地貌地勢大致由西南向東北傾斜，地面高程大約在1 247.5 m～1 319.7 m之間，最大高差約70 m。

各地層的物理力學指標如表1所示。

表1 土層物理力學參數

3 試驗設計及方案

本次現場試驗共設3組，3根試驗樁編號分別為SZ1,SZ2和SZ3，樁身混凝土等級C35，其他試樁具體參數見表2，平面布置圖見圖1，3根試驗樁均進行單樁豎向抗壓靜載荷試驗，對SZ1和SZ3進行樁身軸力測試試驗，具體試驗方案如表2所示。

表2 試樁參數

3.1 單樁豎向抗壓靜載荷試驗

單樁豎向抗壓靜載荷試驗由加載裝置、反力裝置、荷載測量和沉降觀測四部分組成。試驗加載采用3臺5 000 kN油壓千斤頂并聯工作，千斤頂合力中心與樁軸線重合，加載控制采用JCQ-500FM型油泵流量控制器自動控載；加載反力裝置采用錨樁橫梁反力裝置，主梁2根、副梁2根，每根試樁用4根錨樁提供反力；荷載測量由接在千斤頂進油口的油壓傳感器完成；沉降測量由對稱安置在樁頭兩個方向的位移傳感器進行測讀(見圖2)。試驗采用慢速維持荷載法進行加卸載，試驗按照JGJ 106—2014建筑基樁檢測技術規范相關規定執行。

3.2 樁身軸力測試試驗

本次試樁樁身軸力測試采用鋼筋應力計。對SZ1和SZ3進行樁身應力測試，在兩根試樁鋼筋籠制作的同時，在兩根對稱的主筋上焊接、安裝應力計。SZ1,SZ3分別布置鋼筋應力計26個,24個。應力計采用丹東市丹東三達儀表有限公司生產的GJL-2(Ф14和Ф22)型鋼弦式傳感器。

靜載試驗開始前，采用GPC-2型鋼弦頻率檢測儀對鋼筋應力計進行量測，至少量測3次～4次，以便對結果進行修正。單樁豎向抗壓靜載試驗加載前一個小時測讀一次，作為頻率初值。以后每級加載沉降穩定后測讀一次，直至全部荷載加完為止。

4 試驗結果分析

4.1 單樁豎向載荷試驗結果分析

圖3為SZ1,SZ2和SZ3靜載試驗后所繪制的荷載-沉降(Q-s)曲線。SZ1與SZ2樁Q-s曲線均為緩變型，無明顯的陡降段，SZ1在上部荷載達13 000 kN時，終止加載，累計沉降量約為13.60 mm，卸載后殘余沉降為3.83 mm，最大回彈量為9.77 mm，回彈率71.8%；SZ2在上部荷載為12 000 kN時，終止加載，累計沉降14.76 mm，卸載后殘余沉降3.69 mm，最大回彈量11.07 mm，回彈率75.0%；SZ3在上部荷載為12 000 kN時，終止加載，累計沉降量達20.02 mm，卸載后殘余沉降為7.86 mm，最大回彈量12.16 mm，回彈率60.7%，從其Q-s曲線形態可以看出，當上部荷載為12 000 kN時，曲線尾部變陡，沉降量明顯增加，但s-lgt曲線尾部未出現明顯向下彎曲，最后一級荷載沉降達6.26 mm，占總沉降量31.3%。3根試驗樁回彈率在60.7%～75.0%之間，說明樁土體系仍然在彈性工作范圍內，并未進入破壞狀態，仍然具有較大的承載潛力。按照JGJ 106—2014建筑基樁檢測技術規范確定，SZ1，SZ2和SZ3的單樁豎向抗壓極限承載力分別取13 000 kN，12 000 kN和12 000 kN。

3根試驗樁的抗壓極限承載力的平均值12 333 kN，其極差不超過平均值的30%，因此根據試驗結果，試樁區的單樁豎向抗壓極限承載力取值為12 333 kN，單樁豎向抗壓承載力特征值6 166.5 kN?？紤]到將來工程樁大面積施工時，從成孔、灌注等各個施工環節的控制，與試樁工況相比，對于整個工程質量的控制均屬于不利因素，結合樁頂實際標高，綜合建議工程區的單樁豎向抗壓極限承載力取值為10 000 kN，單樁豎向抗壓承載力特征值取值為5 000 kN。

4.2 樁身軸力測試試驗結果分析

4.2.1 樁身軸力分布特征

為方便在試驗后對樁的軸力以及側摩阻力進行計算，做出以下規定與假設：1)樁身材料表現出線彈性特征；2)樁身截面面積相等；3)鋼筋與混凝土澆筑后組成整體，兩者應變協調。

采用式(1)～式(3)對樁的軸力以及每段地層的側摩阻力進行計算：

(1)

Ni=σhiA

(2)

(3)

其中，E為試樁彈模；Eg為鋼筋彈模；Ag為鋼筋截面積；A為試樁截面積；D為樁直徑；qs為每段地層Hi的側摩阻力；ΔNi為地層上下界面的軸力差。

圖4(a)，圖4(b)是SZ1和SZ2在各級荷載下所繪制的樁身軸力曲線，由圖4可以看出，在各級荷載作用下，樁身軸力均表現為隨深度增加而減小，這充分說明了樁身軸力是自上而下逐步發揮的。在同一荷載下，軸力曲線基本是一條直線段，說明當荷載一定時，樁身軸力隨深度呈線性方式減小。對比不同荷載下的軸力曲線斜率，發現曲線斜率隨荷載增加逐漸減小，曲線的斜率可以反映樁身側摩阻力的變化，具體為曲線斜率越小，樁身側摩阻力越大，反之則側摩阻力越小。試驗加載初期，樁頂上部荷載較小，樁身側摩阻力較小，曲線斜率相對較大，隨著上部荷載逐漸增加，曲線逐漸變緩，樁身側摩阻力開始逐漸發揮作用，當加載至極限荷載時曲線斜率最小，樁側摩阻力發揮最充分。隨上部荷載的增加，樁端阻力也開始逐漸發揮作用，對于SZ1，當上部荷載為2 000 kN時，樁端阻力所承擔荷載百分比僅為2.27%，約45.40 kN；上部荷載為13 000 kN時，樁端阻力所占極限荷載百分比上升至12.46%，達1 619.80 kN。對于SZ3試驗樁，開始加載荷載2 000 kN時，樁端阻力所承擔百分比為2.73%，約54.60 kN；當上部荷載加至極限荷載12 000 kN，樁端阻力所占極限荷載百分比提高到10.88%，1 305.60 kN。

圖5是各級荷載下試樁樁端與樁側荷載分擔比示意圖，可以看出，SZ1與SZ3的荷載分擔基本表現出相同的規律，即隨著上部荷載的增加，樁端阻力所占百分比逐漸提高，樁側摩阻力所占百分比緩慢下降。當上部荷載在4 000 kN～10 000 kN時，SZ3的樁端分擔比曲線在SZ1上部，說明在此加載范圍內SZ1的樁端阻力先于SZ3發揮作用，出現這樣的原因主要是因為二者之間的地層雖然大致相同，但是地層力學性質之間存在細微差別。當上部荷載加載至最大時，SZ1與SZ3樁端阻力作用均發揮到最大，但樁端阻力所占百分比僅在2.27%～12.46%，由此可知，兩根樁均為摩擦型樁，樁頂荷載是由樁側摩阻力與樁端阻力兩部分共同承擔的，當樁頂荷載加載到一定程度后樁端阻力才開始發揮，且端阻力所占比例較小。

4.2.2 樁身側摩阻力分析

圖6(a)和圖6(b)是SZ1與SZ3在各級荷載作用下沿樁身不同深度的樁側摩阻力曲線圖。在上部荷載作用下，樁土之間產生相對位移，樁側摩阻力開始發揮作用。SZ1和SZ3二者樁側摩阻力曲線基本表現出相同的變化特征，即隨著深度的變化樁側摩阻力總體表現出階梯狀先增大然后又減小的特征。對二者試驗曲線進行對比后發現，SZ1在6 m～7.5 m時樁側摩阻力突然變大，SZ3的側摩阻力突變發生在7.5 m～10 m之間，對二者具體地層進行分析，樁側摩阻力發生突變主要是由于上部土體與下部接觸層土體性質存在差異，上部土層為粉砂層，下部為粉質黏土，黏土相對砂層而言，土體中含較多的黏土礦物，內摩擦角及黏聚力存在明顯差異，相同的樁土接觸面積黏土層所發揮的側摩阻力明顯大于砂土層。SZ1和SZ2，分別在7.5 m～19 m和11 m～18 m深度范圍內，樁側摩阻力曲線幾乎為豎直線，說明樁側摩阻力隨深度的變化很小，對二者樁側摩阻力曲線豎直段所在地層進行分析，SZ1和SZ2在豎直段地層均為⑥層粉土，對同一試驗樁，當地層相同時，與樁體周圍接觸的土體的力學性質相近，樁側摩阻力變化較小。隨深度增加，樁側摩阻力先緩慢增加然后到一定深度后開始減小。在同一深度，隨著荷載的增加，側摩阻力逐漸變大，這與軸力分布曲線斜率隨荷載增加而減小相對應。

5 結論

以陜西省榆林市某工程為依托，進行大直徑鉆孔灌注樁單樁靜載荷試驗及樁身軸力測試試驗，并對兩種試驗結果進行分析，得到如下結論：

1)3根試驗樁在上部荷載作用下，沉降量介于13.6 mm～20.02 mm之間，卸荷后回彈率在60%～75%之間，說明樁土體系仍然在彈性工作范圍內，并未進入破壞狀態，仍然具有較大的承載潛力。

2)試樁區的單樁豎向抗壓極限承載力取值為12 333 kN，單樁豎向抗壓承載力特征值6 166.5 kN，考慮綜合因素，建議工程區的單樁豎向抗壓極限承載力取值為10 000 kN，單樁豎向抗壓承載力特征值取值為5 000 kN。

3)試樁的側摩阻力表現出自上而下逐步發揮的特征，且側阻力的發揮受到土層物理力學性質的影響，在土層性質相近時側摩阻力隨深度變化較小，反之則變化明顯。

4)試樁的樁側摩阻力與樁端阻力表現出異步發揮，互相耦合的特征，且樁端阻力占總荷載的百分比隨荷載增加而變大，但是樁端阻力分擔比僅在2.27%～12.46%之間，表現出明顯的摩擦樁特征。