某地鐵高架橋段樁基試樁載荷試驗研究

陳樹杰

(同濟大學土木工程學院，上海 200092)

1 概述

樁基礎是土木工程建設中最常見的一種基礎形式。采用樁基礎的目的，一是提高地基的承載力，二是有效地控制地基及基礎的沉降。由于城市的迅猛發(fā)展，大直徑超長鉆孔灌注樁在我國已廣泛被使用，但針對該類樁荷載傳遞機制的研究還不深入，迄今仍無可直接用于工程實踐的基樁承載力計算方法［1］。中小直徑樁的研究和應用歷史較長，設計方法相對成熟，故對大直徑超長鉆孔灌注樁的設計仍依據(jù)中小直徑的計算理論?，F(xiàn)行規(guī)范中，關于大直徑超長鉆孔灌注樁的設計理論并非以其特殊的承載變形機制為基礎，而只是簡單按中小直徑樁的經(jīng)驗加以修正，并未考慮到大小直徑樁承載性能的差異［1］。大直徑鉆孔灌注樁的理論研究成果相對匱乏，深入研究大直徑鉆孔灌注樁的荷載傳遞機制不僅是樁基理論自身發(fā)展的需要，也是工程界實踐的迫切需要［1］。

2 工程實例

2.1 工程概述

某地鐵高架橋段，鉆孔灌注樁累計樁數(shù)為1 000余根，為了驗證基樁性能，優(yōu)化基樁設計，對其中五標工程C21、C22樁(設計樁長 50 m)和六標工程 F8、F9樁(設計樁長55 m)進行了單樁豎向載荷試驗，同步進行了樁身內(nèi)力的測試研究，，本文選取F8、F9的數(shù)據(jù)。

某地鐵高架線擬建場地位于太湖沖湖積平原區(qū)，地勢平坦，地表水系發(fā)育，第四系覆蓋層厚度較大，各土層水平向分布較穩(wěn)定，基底地質(zhì)構造與水文地質(zhì)條件較復雜，人類工程活動對地質(zhì)環(huán)境的擾動和作用強烈。地質(zhì)環(huán)境條件復雜程度屬中等地區(qū)。

2.2 工程地質(zhì)條件

范圍內(nèi)無明顯變異特性。其樁基穿越的巖土層物理、力學指標見表1。

根據(jù)勘察報告，擬建場地底層分布層理明顯，全線

表1 主要土層工程性質(zhì)指標匯總

可以看出，F(xiàn)8、F9、試驗場址工程地質(zhì)條件總體良好，試樁穿越土層與樁端持力層主要為黏性土、粉質(zhì)黏性土、黏性土與粉土互層三大類。其中，黏性土主要為低液限粉質(zhì)黏土和黏土，天然含水量一般W＜30%，孔隙比一般e＜0.85，靜力觸探錐尖阻力一般CPT-qc＞1.2 MPa。粉土層天然含水量W＜30%，孔隙比一般e＜0.85，標準貫入擊數(shù)一般SPT-N＞12擊。因此，綜合試樁現(xiàn)場場地環(huán)境及原位試驗結果，F(xiàn)8、F9設計采用了55 m樁長的灌注樁。樁端持力層選擇在(8)3土層，天然含水量平均值W≈24.4%，孔隙比一般e≈0.71，標準貫入擊數(shù)一般SPT－N=18.95擊。

2.3 試樁概述

靜載試驗采用錨樁反力梁法，采用“四錨一”方案，試架設計加載等級為20 000 kN。其中F8/F9設計樁長L=55 m，樁徑 D=1 200 mm(＞800 mm)，L/D=45.83，該試樁可稱為大直徑超長鉆孔灌注樁。四根錨樁為工程樁，直徑采用1 200 mm，長度采用55 m;試樁位于4根錨樁所組成長方形的形心處。

3 樁身質(zhì)量超聲波檢測結果

聲波透射法是根據(jù)超聲波的透射原理檢測樁身完整性，目前已成為基樁無損檢測中行之有效的方法之一。根據(jù)相關資料，各樁超聲波檢測成果匯總見表2。

4 單樁豎向靜載荷試驗

4.1 試樁目的

試樁工作是大型土木工程基礎施工中十分重要且必不可少的一個環(huán)節(jié)，為確保樁基礎安全經(jīng)濟，同時了解基樁在該場地地質(zhì)條件下的實際承載能力，必須進行試樁。通過試樁，可以更好地為設計和施工服務，從而達到以下目的:

表2 試樁F8/F9檢測成果匯總

①對成樁工藝和施工進度有所了解，從而選擇更加合適的施工方法和機具設備，并確定施工工藝和控制標準。

②測定基樁的極限承載力，并通過樁身軸力推算出各土(巖)層的樁側摩阻力，校核工程地質(zhì)報告提供的土(巖)層樁基設計參數(shù)，進一步優(yōu)化樁徑和樁長設計。

本次靜載荷試驗的主要目的是檢驗單樁豎向抗壓極限承載力是否滿足設計要求;在靜載試驗的同時，通過預先埋設在樁身內(nèi)的鋼筋計，量測在各級荷載下樁身的內(nèi)力和變形情況，從而獲得軸力和樁側摩阻力沿樁身的分布規(guī)律，以及樁側摩阻力和樁端阻力的發(fā)揮情況。

4.2 試樁結果與分析

F8/F9試樁的靜載荷試驗結果如表3、表4所示。

表3 F8試樁的靜載荷試驗結果

表4 F9試樁的靜載荷試驗結果

續(xù)表4

根據(jù)工程地質(zhì)條件，用《鐵路橋涵地基和基礎設計規(guī)范》(TB10002.5—2005)［2］和《建筑樁基技術規(guī)范》(JGJ94—2008)［3］估算的單樁極限承載力，以及根據(jù)已有的荷載—沉降曲線(Q-S曲線)，采用麥隨基威克司法(作圖法)［4］和折線法(指數(shù)法)［5］所預測的單樁極限承載力如表5所示。

表5 4種方法所預測的單樁極限承載力 kN

由表8可見，上述4種方法預測的單樁極限承載力中，對于F8/F9試樁后3種方法的數(shù)值總體上相差不大，《建筑樁基技術規(guī)范》(JGJ94—2008)估算的單樁極限承載力相對較小?？紤]到《鐵路橋涵地基和基礎設計規(guī)范》(TB10002.5—2005)和《建筑樁基技術規(guī)范》(JGJ94—2008)是針對全國而言，必須綜合不同地區(qū)的勘察水平、試驗條件和施工水平等各項差異，所以取值相對保守。隨著施工技術的不斷進步，規(guī)范已有相對的滯后性，按規(guī)范計算承載力顯得不經(jīng)濟，明顯偏于保守，安全系數(shù)過大，大直徑深長樁的承載力還有潛力可挖。因此，通過分析認為F8/F9試樁的單樁承載力應在14 800 kN左右。

5 樁身應力測試與分析

5.1 樁身應力測試結果

樁身軸力分布曲線見圖1。

樁側摩阻力分布曲線見圖2。

樁身位移曲線見圖3。

樁端阻力與樁頂荷載的關系曲線見圖4。

樁身壓縮量與樁頂荷載的關系曲線見圖5。

樁側摩阻力與樁身位移的關系曲線見圖6。

5.2 比較分析

最大實測值(側摩阻力和端阻力)與規(guī)范推薦值比較如表6、表7所示。

圖1 樁身軸力分布曲線

圖2 樁側摩阻力分布曲線

通過實測值與規(guī)范推薦值比較分析可知，F(xiàn)8/F9試樁的樁側摩阻力實測值明顯大于規(guī)范(JGJ94—2008)推薦值，說明在工程實際中大直徑深長鉆孔灌注樁的樁側摩阻力能夠較好的發(fā)揮，規(guī)范(JGJ94—2008)推薦值明顯偏于保守。

6 結論

(1)F8/F9試樁單樁極限承載力稍大于14 400 kN，滿足設計要求，通過多種方法預測分析，其單樁極限承載力在14 800 kN左右，屬于摩擦型樁。

(2)樁側阻力先于樁端阻力發(fā)揮，樁身上部的摩阻力先于下部發(fā)揮，即摩阻力從上往下逐步發(fā)揮，并且樁身上部的摩阻力先達到極限狀態(tài)。通常在樁達到和超過極限狀態(tài)時，樁身下部的側摩阻力和樁端阻力還沒有充分發(fā)揮。本次試驗各土層的實測側摩阻力最大值實測值明顯大于及規(guī)范(JGJ94—2008)推薦值。

圖3 樁身位移曲線

圖4 樁端阻力與樁頂荷載關系曲線

圖5 樁身壓縮量與樁頂荷載關系曲線

(3)試驗研究表明，樁身軸力從樁頂?shù)綐抖酥饾u衰減，其衰減的快慢反映了樁側摩阻力作用的大小。對于大直徑深長鉆孔灌注樁，在極限荷載(最大荷載)作用下，樁身下部的軸力要遠小于樁身上部的軸力，所以實際工程中樁身配筋可以根據(jù)截面軸力變化情況沿深度予以減少。

(4)在加載初期，軸力到樁端時幾乎衰減為零，說明在荷載較小時，深長樁的端阻力基本不起作用，其樁頂荷載幾乎全由樁側摩阻力承擔，同時從另外一個側面說明了樁側阻力先于樁端阻力發(fā)揮。

圖6 樁身摩阻力與樁身位移關系曲線

表6 最大實測值與規(guī)范推薦值比較

表7 最大實測值與規(guī)范推薦值比較

(5)在荷載水平比較小的時候，樁頂荷載主要由上部土層的側阻力來承擔;隨著荷載水平的提高，中下部土層的側阻力逐漸發(fā)揮。

(6)樁身各截面位移(沉降)不同是由樁身壓縮引起的，在低荷載水平下，樁身上部和下部的豎向位移差別不大。但當樁頂荷載逐漸增大時，樁身上部和下部的豎向位移差別逐步增大。在最大試驗荷載(14 400 kN)下，F(xiàn)8/F9樁端沉降和樁頂沉降相差10.83 mm和10.97 mm，此值即為樁身壓縮量，占樁頂沉降的69.9%和62.6%。由此可見，對深長樁來說，樁身壓縮是樁頂沉降不可忽視的一部分。

(7)在加載初期，樁端阻力增長速率較低;但在加載中后期，樁端阻力增長速率相對較大，這與鉆孔灌注樁的樁底存在沉渣有關。在加載過程中，隨沉渣不斷壓實，樁端阻力增長速率逐漸提高。因此，嚴格控制好清孔質(zhì)量，對鉆孔灌注樁的承載性能發(fā)揮有著重要的影響。

(8)在最大荷載下，F(xiàn)8/F9試驗測得的樁端阻力(F8為1 085 kN，F(xiàn)9為980 kN)僅占最大荷載的6.8%和7.5%，這主要是由大直徑深長鉆孔灌注樁的承載性狀所決定，其極限承載力通常是由樁頂沉降值控制的，一般樁端阻力很難得到充分發(fā)揮。

(9)在加載初期，樁身壓縮與樁頂荷載基本呈線性關系，表明此時樁身幾乎處于彈性壓縮狀態(tài);隨著荷載增加，樁身壓縮增長速率大于樁頂荷載增長速率，表明此時樁身壓縮模量發(fā)生了變化(壓縮模量開始降低);由于樁頂荷載總體較小，樁身壓縮模量變化不太明顯，但根據(jù)鋼筋混凝土材料的應力應變關系，可以預測，隨著荷載的不斷增加，樁身壓縮與樁頂荷載關系曲線的非線性將逐漸明顯。

［1］ 魏棟梁，楊昌正，譚曉琦．深厚軟基超長大直徑鉆孔灌注樁承載性狀試驗研究［J］．昆明理工大學學報:理工版，2010(4)

［2］ 鐵道第三勘察設計院．TB10002.5—2005 鐵路橋涵地基和基礎設計規(guī)范［S］．北京:中國鐵道出版社，2005

［3］ 中華人民共和國建設部．JGJ94—2008 建筑樁基技術規(guī)范［S］．北京:中國建筑工業(yè)出版社，2008

［4］ 趙春風，于明章，吳水根，等．試樁未達破壞時單樁承載力的估算方法［J］．同濟大學學報:自然科學版，1999(4)

［5］ 涂帆，常方強，李小鵬．指數(shù)法和雙曲線法組合預測單樁極限承載力［J］．福建工程學院學報，2006(1)