大口徑超深孔樁基軸向靜荷載試驗(yàn)研究

王建軍 ，彭振斌，劉睦峰，李奮強(qiáng)

(1. 中南大學(xué) 地球科學(xué)與信息物理學(xué)院，湖南 長沙，410083；2. 湖南省煤田地質(zhì)局，湖南 長沙，410014)

隨著樁基技術(shù)的發(fā)展，灌注樁的樁徑、樁長不斷地向超大、超深方向發(fā)展。同時，對公路橋梁大型樁基礎(chǔ)單樁承載力設(shè)計(jì)要求也越來越高，樁基礎(chǔ)承載力的確定方法也不斷更新，迄今為止，所采用的方法主要有靜荷載試驗(yàn)法、動測法、靜動法、聲波透射法以及自平衡法。這些方法已在工程實(shí)踐中得到應(yīng)用，并取得了一定的成果[1-8]。某主橋?yàn)橹骺?80 m的雙塔組合梁斜拉橋，橋址需穿過淤泥層35.27 m，黏土、礫砂及圓礫互疊層88.11 m，在孔深143 m處嵌入弱風(fēng)化凝灰?guī)r3.72 m；試樁是直徑為2.5～2.8 m的變截面鉆孔灌注樁。對這種大直徑超深孔嵌巖樁進(jìn)行軸向靜荷載試驗(yàn)，在國內(nèi)大口徑樁基礎(chǔ)施工領(lǐng)域尚屬首次。在此，本文作者結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果，對樁頂位移、樁身軸力和樁側(cè)摩阻力的變化規(guī)律進(jìn)行探討。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試樁荷載箱的設(shè)置

荷載箱埋設(shè)原則上是保證上段樁周摩阻力達(dá)到極限時，下段樁周摩阻力及樁底反力同時達(dá)到極限。試驗(yàn)采用自平衡法測試方案，結(jié)合室內(nèi)模擬試驗(yàn)結(jié)果，將荷載箱設(shè)置在距樁端3.5 m處[9-11]。

1.2 測試設(shè)備

1.2.1 加載設(shè)備

加載采用專用的荷載箱進(jìn)行自平衡法試驗(yàn)，荷載箱位移方向與樁身軸線夾角≤5°，測試方法如圖1所示(其中，p為軸力)。

1.2.2 荷載與位移的量測原理

采用聯(lián)接荷載箱的壓力表測定油壓，根據(jù)荷載箱率定曲線換算荷載。在荷載箱上、下頂面及樁身頂面分別設(shè)置位移棒，在位移棒外設(shè)置護(hù)筒。位移棒頂端高出樁頂，并采用電子位移計(jì)測量位移棒的位移，測定荷載箱上、下頂面及樁身位移。電子位移計(jì)基座置于基準(zhǔn)梁上，位移探頭設(shè)置于位移棒頂端。固定位移計(jì)和支承位移計(jì)的基準(zhǔn)梁采用一端固定一端自由的方式，試樁與基準(zhǔn)樁之間的中心距離大于或等于 3D(D為樁徑)且不小于 4.0 m。

1.3 鋼筋計(jì)的布置

樁身受荷后的軸力采用振弦式鋼筋計(jì)測量，鋼筋計(jì)布設(shè)位置與各土層分布關(guān)系見表1。其布設(shè)原則為：(1) 巖土層分界面埋設(shè)測試元件，樁身均勻布置3個；(2) 對主要控制土層適當(dāng)加密。

圖1 自平衡測試示意圖Fig.1 diagram of self-balancing test

表1 鋼筋計(jì)布設(shè)位置Table 1 Reinforcement meter location

1.4 試驗(yàn)步驟

(1) 試驗(yàn)加載方式。試驗(yàn)采用慢速維持荷載法即逐級加載，每級荷載達(dá)到相對穩(wěn)定后方可進(jìn)行下一級加載，直至試樁被破壞為止，然后分級卸載至0 N。

(2) 加載分級及位移觀測。每級加載為預(yù)估極限荷載的1/10～1/15。第1級可按分級荷載的2倍施加。每級加載后在1 h內(nèi)按5，15，30，45和60 min測讀，以后每隔30 min測讀1次。

(3) 位移相對穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)。每級荷載施加后，若每30 min的位移不超過0.1 mm，即可認(rèn)為達(dá)到相對穩(wěn)定，可進(jìn)行下一級加載。

(4) 終止加載條件。當(dāng)出現(xiàn)下列情況之一時，即可終止加載：

① 已達(dá)到極限加載值。

② 總位移大于或等于 40 mm，在本級荷載作用下樁的位移為前一級荷載作用下位移的5倍。

③ 總位移大于或等于 40 mm，在本級荷載作用下樁的位移大于前一級荷載作用下位移的2倍，且經(jīng)24 h尚未相對穩(wěn)定。

④ 累計(jì)上拔量超過100 mm。

(5) 卸載與卸載位移觀測。卸載分級為加載分級的2倍。每級卸載后每隔15 min讀1次殘余沉降，讀2次后隔30 min再讀1次，即可卸下一級荷載，全部卸載后隔3～4 h再讀1次。

2 測試結(jié)果及分析

2.1 樁頂位移測試結(jié)果

每級試驗(yàn)荷載下荷載(Q)-位移(s)測試結(jié)果見表2，變化規(guī)律見圖2和圖3。從圖2和圖3可見：當(dāng)荷載加至25 MN后，荷載箱以上的位移隨荷載的增加呈遞增趨勢(曲線1和3)，而荷載箱以下的位移則呈遞減趨勢(曲線2)；當(dāng)荷載超過56 MN時，曲線的變化規(guī)律趨緩。表明荷載在25 MN內(nèi)對該類樁型的樁頂位移幾乎沒有影響，樁身側(cè)摩阻力足于抵抗上部荷載。

2.2 樁身軸力測試值與計(jì)算值的對比分析

2.2.1 樁身軸力及樁周巖土阻力計(jì)算模型

將同一斷面有效測點(diǎn)的應(yīng)變?nèi)∑骄?，并按下式?jì)算該斷面處樁身軸力：

式中：Qi為樁身第 i斷面處軸力(kN)；為第i斷面處應(yīng)變平均值； Ei為第 i斷面處樁身材料彈性模量(kPa)； Ai為第i斷面處樁身截面面積(m2)。

表2 位移測試結(jié)果Table 2 Tested displacement

圖2 全過程的荷載試驗(yàn)荷載-位移(即Q-s曲線)Fig.2 Load test Q-s curves in full process

圖3 不包含卸載部分時荷載試驗(yàn)荷載-位移(即Q-s曲線)Fig.3 Load test Q-s curves for unloading part

按每級試驗(yàn)荷載下樁身不同斷面處的軸力制成表格，并繪制軸力分布圖。再由荷載箱最大或極限荷載下對應(yīng)的各斷面軸力計(jì)算樁側(cè)土的分層摩阻力和端阻力。

對荷載箱以上樁段：

對荷載箱以下樁段：

式中：qsi為樁第i斷面與第i+1斷面間側(cè)摩阻力(kPa)；Qp為樁的端阻力(kN)；i為樁檢測斷面順序號，自樁頂往下從小到大排列；u為樁身周長(m)；li為第 i斷面與第 i+1斷面之間的樁長(m)；Qn為樁端的軸力(kN)。

試驗(yàn)中荷載設(shè)置12,18, 24, 30, 36, 42, 48, 54和56 MN共9個級別。分別計(jì)算每級試驗(yàn)荷載下樁身在不同斷面處的樁身軸力及樁側(cè)土的分層摩阻力和端阻力。計(jì)算時，扣除荷載箱以上樁段的自身重力。荷載箱以上樁段樁側(cè)土的分層摩阻力按實(shí)測值和換算值分別給出，換算值為實(shí)測值/上拔系數(shù)，上拔系數(shù)取0.7。

2.2.2 樁身軸力變化規(guī)律分析

每級試驗(yàn)荷載下樁身不同斷面處的樁身軸力分布規(guī)律如圖4所示。由圖4可見：隨著深度的增加，樁身軸力呈遞增變化趨勢；在0～-50 m層位內(nèi)其變化的梯度近似一致；當(dāng)超過-50 m后，其梯度變化在不同荷載級別表現(xiàn)出不同的差異性。但通過對其軸力增量變化進(jìn)行計(jì)算，發(fā)現(xiàn)其增量變化不一定隨荷載的增加而增加。試驗(yàn)結(jié)果表明：上部荷載的傳遞有一部分被樁側(cè)摩阻力所逸散，樁頂荷載不一定全部傳遞作用在樁身底端。

圖4 不同荷載級別下樁身軸力分布圖Fig.4 Distribution of axial force under different loads

2.3 樁側(cè)、樁端阻力與樁土相對位移擬合分析

為了分析樁側(cè)巖土體的摩阻力是否充分發(fā)揮，對樁土相對位移進(jìn)行擬合分析。采用雙曲線擬合函數(shù)模型[12-13]：

式中：τ為土層側(cè)摩阻力；a和b為擬合系數(shù)；s為樁土位移。

表3所示為根據(jù)實(shí)測結(jié)果得到的各土層側(cè)摩阻力與樁土位移進(jìn)行擬合的系數(shù)a和b及相關(guān)系數(shù)R。擬合的樁身斷面摩阻力變化規(guī)律如圖5所示。由圖5可見：在含粉質(zhì)黏土礫砂層摩阻力(即在深度-60 m附近表現(xiàn)最突出。

表3 各土層雙曲線擬合參數(shù)a和b計(jì)算結(jié)果Table 3 Calculation results of hyperbolic fitting parameters a and b

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果反演計(jì)算出各級荷載下巖層側(cè)阻發(fā)揮系數(shù)c2，計(jì)算結(jié)果見表 4。計(jì)算時，巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值frk按設(shè)計(jì)值25 MPa取值。

圖5 樁身斷面摩阻力分布圖Fig.5 Distribution of skin friction pile section

表4 試樁主要設(shè)計(jì)參數(shù)反演結(jié)果Table 4 Main design parameters of test pile inverse results

3 結(jié)論

(1) 荷載箱最大試驗(yàn)荷載為56 MN，對應(yīng)的荷載箱位置上位移為 153.29 mm，荷載箱位置下位移為-34.46 mm，樁頂位移為130.94 mm。

(2) 荷載在25 MN內(nèi)對該類樁型樁頂位移的影響很小，樁身側(cè)摩阻力足于抵抗上部荷載；含粉質(zhì)黏土礫砂層摩阻力表現(xiàn)最為突出。

(3) 樁側(cè)各土層實(shí)測時間-位移曲線與擬合曲線在加載后期均趨緩，說明樁側(cè)摩阻力基本達(dá)到極限。

(4) 根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，對各級荷載下巖層側(cè)摩阻發(fā)揮系數(shù)c2進(jìn)行了反算。由于試樁成樁時，未對弱風(fēng)化凝灰?guī)r取樣進(jìn)行單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，因此，巖層側(cè)摩阻發(fā)揮系數(shù)c2反算值僅供參考。

[1] XIAO Zhao-ran. Pile foundations settlement analysis and its application for Practice[M]. Beijing: Yellow River Water Conservancy Press, 2002: 256-262.

[2] Middendorp P, Bermingham P, Kuiper B. Statnamic load testing of foundation piles[C]//Proceeding of the 4th International Conference on Application of Stress Wave Theory to Piles.Hague, Holland, 1992: 581-588.

[3] 李增選, 張瑩. 靜動試樁法及其應(yīng)用[J]. 同濟(jì)大學(xué)學(xué)報, 2002,28(1): 108-112.LI Zeng-xuan, ZHANG Ying. Statnamic pile testing method and its application[J]. Journal of Tongji University, 2002, 28(1):108-112.

[4] 王天中. 大型壓重平臺靜載測樁試驗(yàn)與應(yīng)用[J]. 建筑技術(shù),1996(23): 194.WANG Tian-zhong. Large weight platform for static pressure tests and application testing of piles[J]. Building Technology,1996(23): 194.

[5] 陳昌斌, 劉小青, 張華, 等. 上海地區(qū)首例自平衡法試樁[J].上海地質(zhì), 2003, 85(1): 51-53, 59.CHEN Chang-bin, LIU Xiao-qing, ZHANG Hua, et al. The first self-equilibrium test in Shanghai area[J]. Shanghai Geology,2003, 85(1): 51-53, 59.

[6] 方磊, 劉松玉, 杜延軍, 等. 橋梁樁基承載力性狀的測試新技術(shù)研究[J]. 東南大學(xué)學(xué)報, 1998, 28(6): 129-133.FANG Lei, LIU Song-yu, DU Yan-jun, et al. A new technique to determine pile bearing capacity for bridge foundation[J]. Journal of Southeast University, 1998, 28(6): 129-133.

[7] 龔維明, 蔣永生, 翟晉. 樁承載力自平衡測試法[J]. 巖土工程學(xué)報, 2000, 22(5): 532-536.GONG Wei-ming, JIANG Yong-sheng, ZHAI Jin. Self-balanced loading test for pile bearing capacity[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2002, 22(5): 532-536.

[8] 龔維明, 翟晉, 薛國亞. 樁承載力自平衡測試法的理論研究[J]. 工業(yè)建筑, 2002, 32(1): 37-40.GONG Wei-ming, ZHAI Jin, XUE Guo-ya. Pile bearing capacity test method from the theory of equilibrium[J]. Industrial Buildings, 2002, 32(1): 37-40.

[9] Bermingham P, Janes M. An innovative approach to load testing of high capacity piles[C]//Proceedings of International Conference on Piling and Deep Foundations. London, 1989:409-413.

[10] 董鳴毅. 自平衡加載法試樁探討[J]. 土工基礎(chǔ), 2000, 14(1):17-20.DONG Min-yi. Probe into self-balanced loading test of piles[J].Soil Engineering and Foundation, 2000, 14(1): 17-20.

[11] 徐松林, 吳玉山. 樁土荷載傳遞的測試分析和模型研究[J].巖土力學(xué), 1996, 17(2): 42-52.XU Song-lin, WU Yu-shan. Pile-soil load transfer behavior and model study[J]. Rock and Soil Mechanics, 1996, 17(2): 42-52.

[12] 陳銀生. 摩擦樁基樁土間極限摩阻力取值問題探討[J]. 世界地質(zhì), 1999, 18(1): 54-59.CHEN Yin-sheng. Discussion on the maximum of the frictional force between the pile and the soil[J]. World Geology, 1996,18(1): 54-59.

[13] 徐龍卿. 關(guān)于鉆孔灌注樁動靜測樁的對比分析及樁側(cè)摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值qs的取值問題探討[J]. 煤炭工程, 2003(9): 53-56.XU Long-qing. Discussion on measured skin friction values of the standard value qsand the comparative static analysis about bored piles[J]. Coal Engineering, 2003(9): 53-56.