無錫大直徑超長鉆孔灌注樁承載性狀試驗研究

張瑞坤 石名磊 倪富健 王 晉

(東南大學交通學院，南京 210096)

無錫大直徑超長鉆孔灌注樁承載性狀試驗研究

張瑞坤 石名磊 倪富健 王 晉

(東南大學交通學院，南京 210096)

基于無錫地鐵高架橋試樁工程中4根大直徑超長鉆孔灌注樁的現(xiàn)場靜荷載試驗和樁身應力測試試驗，結合同一地區(qū)12根同類型樁的試驗成果，研究了無錫地區(qū)大直徑超長鉆孔灌注樁豎向荷載下的側、端阻力發(fā)揮特點和荷載傳遞規(guī)律.研究表明:不同的大直徑超長鉆孔灌注樁施工工藝會造成樁底沉渣厚度差異，宏觀表現(xiàn)為Q-s曲線形態(tài)呈陡降型或緩變型.大直徑超長鉆孔灌注樁單樁受豎向荷載，側摩阻力從上到下逐步發(fā)揮，側、端阻力非同步發(fā)揮且相互影響.不同埋深條件下，物理性質(zhì)相同土層提供的側摩阻力實測極限值與規(guī)范推薦值差異較大，說明側摩阻力深度效應顯著，且淺層黏土易發(fā)生軟化效應.發(fā)揮側摩阻力極限值所需樁土相對位移為4～7 mm.該結論可指導該地區(qū)同類工程的設計和施工.

大直徑超長鉆孔灌注樁;荷載傳遞;靜載試驗;樁側阻力;樁端阻力

樁筏基礎是長江三角洲深厚軟土地區(qū)興建的高層建筑和大型橋梁工程的首選基礎類型，而大直徑超長泥漿護壁鉆孔灌注樁［1-7］以其諸多技術優(yōu)勢作為首選樁型，受到工程界的青睞，與其相關的研究亦受到學術界的關注.現(xiàn)行規(guī)范中［8］關于大直徑超長鉆孔灌注樁的設計理論并非以其承載變形機制為基礎，仍然沿用中小直徑樁的理論，按照經(jīng)驗加以修正，簡單考慮或未考慮樁長、樁徑等因素差異對樁基承載性能的影響.目前學術界依舊缺乏針對該類型樁承載性狀的系統(tǒng)研究，部分學者從零星的現(xiàn)場靜載荷試驗資料或從理論分析的角度闡述大直徑超長鉆孔灌注樁的承載性狀，并認為地基土土體特性、樁體特性、施工工藝等因素顯著影響著該特殊樁型的荷載傳遞機制.本文以無錫地區(qū)16根大直徑超長鉆孔灌注樁的單樁靜載荷試驗資料為依據(jù)，分析無錫地區(qū)豎向荷載作用下大直徑超長鉆孔灌注樁在分層土中的荷載傳遞特性，為無錫地區(qū)大直徑超長鉆孔灌注樁的設計提供參考依據(jù)，并進一步完善大直徑超長鉆孔灌注樁的荷載傳遞機制的研究.

1 大直徑超長鉆孔灌注樁靜載試驗

1.1 工程概況

無錫市交通軌道1號線高架段全長7.157 km，擬建場地位于太湖沖湖積平原區(qū).場址沉積物較厚，在試樁深度范圍內(nèi)未遇基巖，樁周介質(zhì)以黏性土為主.分布地層層理性明顯，全線無變異特性.為便于分析，筆者將原工程地質(zhì)報告中劃分的土層重新進行了整合，使土層劃分相對簡化，突出主要土層特征.簡化整合后土層的主要物理力學性質(zhì)見表1.在無錫地鐵1號線高架橋承臺F和承臺C兩個典型場址中，各設2組試樁進行錨樁法靜載荷試驗.試樁樁徑D=120 cm，F(xiàn)承臺樁長L=55.0 m.C承臺樁長L=50 m，長徑比L/D＞40.樁端進入粉質(zhì)黏土持力層深度超過20 m，遠遠超過臨界深度.4根試樁單樁特征值為4.0 MN，設計最大加載值為14.4 MN.根據(jù)土層分層情況，分設9個斷面，各測試截面平行對稱布置4個鋼筋計，傳感器埋設深度見圖1.現(xiàn)場試驗見圖2.

表1 主要土層工程性質(zhì)指標匯總

圖1 試樁工程地質(zhì)剖面與測試元件埋設示意圖(單位:m)

圖2 現(xiàn)場靜載荷試驗圖片

1.2 試樁成果

荷載沉降(Q-s)曲線可從宏觀上反映樁受荷后的荷載傳遞性狀、樁-土相互作用規(guī)律及樁受荷破壞模式.上述4根試樁Q-s曲線見圖3，圖中曲線未出現(xiàn)明顯陡降點.對應樁頂最大荷載為14.4 MN(F8，F(xiàn)9，C22 樁)和 12.0 MN(C21)時，樁頂最大位移分別為15.49，17.52，16.14 和9.21 mm.卸載后，各試樁最大回彈量分別為 10.33，9.37，10.93和6.31 mm，回彈率分別為 53%，67%，68%和69%，回彈量和回彈率較大，說明樁土體系處于彈性范圍內(nèi).

圖3 無錫地鐵試樁Q-s曲線

根據(jù)樁身應力測試試驗，試樁在4.0 MN以及14.4 MN荷載作用下樁側摩阻力沿樁身深度分布情況見圖4.對應工作荷載為4.0 MN時，各試樁樁側摩阻力呈三角形分布;各試樁在最大加載值時，樁側摩阻力呈中間大、兩頭小的“腰鼓狀”分布，樁身上部(1/4樁長)側阻力小于工作狀態(tài)荷載下的應力水平.

圖4 樁側摩阻力隨深度分布曲線

根據(jù)試驗得到的各土層的最大側摩阻力值、極限荷載下側摩阻力值與規(guī)范推薦極限值見表2.依據(jù)規(guī)范 JGJ 94—2008［8］，除土層1，3，4 的側摩阻力推薦值為68 kPa，其余土層推薦值相近，均為40 kPa左右.而實測的下部土層提供的側摩阻力明顯大于上部土層.究其原因，一方面是下部土層較上部土層更為堅硬密實，具有較大的側摩擦系數(shù);另一方面，深層土對樁側面產(chǎn)生較大正壓力，樁土側摩阻力較大.表2中側摩阻力最大值與極限荷載下(14.4 MN)測得值對比揭示，淺層土1，2在極限荷載下側摩阻力值小于最大值，其余土層最大值與極限荷載下極值相同，分析其原因是上部土層在極限荷載下有剪切破壞的趨勢，使得樁側阻力產(chǎn)生了一定程度的軟化效應.

表2 極限荷載下實測樁側阻力與規(guī)范推薦值對比

根據(jù)試樁的應力測試結果，樁端荷載分擔比即端阻比a隨樁頂荷載作用水平的變化見圖5.樁端端阻比a隨樁頂荷載作用水平增加而增加，呈明顯正相關性.4組試樁達到對應最大加載值時，端阻比a約占單樁樁頂總荷載的10%或以下，見表3.

圖5 樁端端阻比與樁頂荷載關系

表3 無錫地鐵試樁成果

2 大直徑超長灌注樁承載性狀分析

除上述無錫地鐵試樁工程外，課題組近15年來依托錫澄高速公路的2處試樁工程、錫宜高速公路的京杭運河特大橋、錫澄運河特大橋和宜興互通試樁工程以及無錫市內(nèi)環(huán)江海快速路的試樁工程，通過對12根大直徑超長鉆孔灌注樁的現(xiàn)場試驗，研究了該類型樁的承載性狀.各試樁概況見表4.上述場址整合后的土層劃分、土類定名、埋藏深度以及物理力學性質(zhì)見文獻［9］.各場址中主要土層的分布、物理力學指標與表1中相近.江陰試樁141墩和錫澄運河特大橋試樁工程的工程地質(zhì)與其余4處試樁場址略有不同，地表覆蓋有一層厚15～20 m的高含水率、高孔隙比的亞黏土.該層土的主要物理力學指標見表5.

表4 無錫地區(qū)其余試樁概況

表5 表層亞黏土物理力學指標

2.1 荷載-沉降規(guī)律

泥漿護壁鉆孔灌注樁受制于現(xiàn)有施工工藝，不可避免地會出現(xiàn)樁底沉渣.樁底沉渣強度低、壓縮性大，較厚的樁底沉渣必然導致Q-s曲線呈陡降型，或稱之為沉降突然增長型，使得各樁在受力特征上屬“摩擦樁”［10］.圖6為上述6處場址中各試樁的單樁靜載荷試驗結果曲線.各試樁的Q-s曲線形態(tài)除無錫江海快速試樁外，均為陡降型.其原因是施工中采用的潛水鉆進和正循環(huán)清孔方式，不可能完全清除干凈樁底沉渣，由此推測出上述場址樁端存在較厚的沉渣.而采用排渣能力較強的反循環(huán)清孔方式的江?？焖僭嚇逗蜔o錫地鐵試樁，樁底沉渣厚度較小，Q-s曲線形態(tài)呈緩變型.各試樁場址的Q-s曲線在加載的前期，斜率基本相同，而后半段離散性變大，同樣說明施工差異性會造成不同的樁端沉渣厚度，并對樁的承載性能產(chǎn)生影響.

圖6 試樁Q-s曲線

2.2 樁側摩阻力分布特性

無錫試樁對應樁頂荷載為Pu/4，Pu/2，Pu，其中Pu為單樁極限荷載.樁側摩阻力沿深度分布見圖7.可看出，樁側摩阻力分布隨荷載水平的變化發(fā)生顯著改變，其基本特征是:樁頂荷載水平相對較低，樁頂荷載主要由上部土層的側摩阻力承擔，中下部土層的側摩阻力發(fā)揮相對較小.隨著荷載水平的增加，上部土層側摩阻力得以充分發(fā)揮，而中部土層的側摩阻力也部分地參與承擔荷載;當樁頂荷載達到單樁極限承載力時，上部土層側摩阻力在加載的后半程，不再增長或表現(xiàn)出軟化現(xiàn)象.而中部土層的側摩阻力基本發(fā)揮出其極限承載力.即使達到單樁承載力的臨界狀態(tài)，下部土層側摩阻力仍未達到其極限狀態(tài).但是，這一部分摩阻力繼續(xù)發(fā)揮所需的樁頂沉降早已超過了單樁的破壞準則.綜上所述，加載過程中，黏性土中大直徑超長鉆孔灌注樁的側摩阻力發(fā)揮規(guī)律是:上部土層側摩阻力最先發(fā)揮，接著是中部側摩阻力逐步發(fā)揮;下部土層摩阻力即使是在單樁承載力的臨界狀態(tài)，也未必能充分發(fā)揮.顯然，樁側下部土層的側摩阻力發(fā)揮與樁結構特征和邊界條件有關.

圖7 樁側摩阻力隨深度分布曲線

樁側摩阻力分布(發(fā)揮)與荷載水平、樁周土層的性質(zhì)直接相關，尤其是樁側摩阻力的大小.然而樁端邊界條件對其亦有一定的影響，尤其是樁底沉渣層厚度對樁側摩阻力的發(fā)揮和臨界位移有顯著影響，即樁底沉渣愈厚，樁身中下部側摩阻力愈低，臨界位移增加［11-12］.因此，盡管樁下部土層性質(zhì)一般相對較好，但在單樁極限狀態(tài)時，樁底沉渣層的存在使得該部分樁側摩阻力的發(fā)揮一般明顯低于樁身中部(或中部偏下部分)，即樁端邊界對樁側摩阻力產(chǎn)生影響.

樁側摩阻力的分布與深度相關性表現(xiàn)為:該趨勢從樁頂至樁身中下部隨深度呈非線性增長;當樁端邊界條件對樁側摩阻力折減作用占優(yōu)時，該趨勢不再顯著.無錫現(xiàn)場實測結果表明，黏性土中大直徑超長鉆孔灌注樁的樁側摩阻力一般在樁身中部或偏下的區(qū)域達到最大.

2.3 樁側摩阻力與樁-土位移關系

圖8 樁側摩阻力與樁土相對位移關系曲線

側摩阻力的發(fā)揮與樁-土的相對位移有著直接關系，且土性不同，樁周土充分發(fā)揮其阻力所需的樁-土位移也不同.因此，研究樁周土側摩阻力的發(fā)揮與樁-土相對位移之間的關系對于研究樁基承載機制非常重要.無錫地鐵試樁工程測得的各土層側摩阻力與樁土相對位移關系曲線如圖8所示.由圖可知，無錫地區(qū)各土層側阻力達到最大位移時樁土相對位移較小，只有4～7 mm.而且淺層土(圖8中傳感器編號1，2對應的土層)的側摩阻力峰值未位于最大位移處，說明淺層土均不同程度地發(fā)生樁土相對滑移，出現(xiàn)側阻軟化現(xiàn)象.而其他土層的側阻從上而下由接近峰值逐漸變?yōu)殡S位移增長側阻變大，間接反映了荷載傳遞的過程.

2.4 樁端承載力的發(fā)揮特性

無錫地區(qū)各場址的試樁端阻比a在最大加載狀態(tài)下的值見表3和表6.表中數(shù)據(jù)揭示了該地區(qū)鉆孔灌注樁即使在極限荷載下樁端端阻比依然較小，這說明樁端阻力遠未完全發(fā)揮，絕大部分樁頂荷載由側阻來承擔，其承載特征為典型摩擦樁類型，需要一定的樁土相對位移促使樁端阻力進一步發(fā)揮.從表6中可看出，對于不同的試樁場址和不同的試樁，樁端承載力的離散性相對較大，且規(guī)律性很差.顯然這與大直徑鉆孔灌注樁的施工工藝密切相關，不同施工技術和工藝可以帶來顯著不同的系統(tǒng)誤差.例如潛水鉆進成孔時，沉渣控制技術不如正循環(huán)技術，而正循環(huán)技術的清孔質(zhì)量又明顯不如反循環(huán).除系統(tǒng)誤差外，成孔的個體差異性亦難以控制.同一技術，不同個體施工，其結果差異性大，甚至同一個體，鉆不同的孔，也存在差異性.因此，大直徑鉆孔灌注樁成孔中，沉渣控制技術相對不夠完善，離散性相對較大，這給預測單樁的樁端持力層承載力帶來了困難.因此，成孔質(zhì)量的不確定性，使得對黏性土中樁端持力層“承載力發(fā)揮”(并不是持力層土的極限承載力的概念)的預測變得十分困難.

表6 無錫地區(qū)懸浮長樁試樁結果

樁端分擔總荷載的比例與樁的長徑比相關.眾所周知，樁基礎功能在于將上部荷載傳遞給地基土.長樁作為一種細長的傳力構件，樁側接觸面荷載傳遞明顯占優(yōu)，樁端截面相對樁側接觸總面積很小.如設樁端截面積為Ab，樁側總面積As，等截面樁的樁端截面積與樁側總接觸面積之比可定義為

由式(1)可知，端側面積之比λA隨長徑比L/D的增加而減小.長徑比L/D＞25后，端側面積比λA＜1%，當長徑比大于40，在均勻土層中其端阻分擔的荷載比例趨于0.考慮土層分布等對樁側摩阻力和樁端阻力分配的影響，對于長徑比L/D＞40，端側面積比λA＜0.6%的無錫地區(qū)樁基，其端阻力不可忽略，但此類深長樁樁側接觸面是樁向土傳遞荷載最主要的途徑.另外，當長徑比增加時，樁的線剛度減小，樁身變?nèi)幔跇O限荷載時樁身壓縮量增加，且樁身壓縮量占樁頂位移比例增加，樁端位移減小，而樁端阻力充分發(fā)揮所需要的位移大于樁側阻所需要的位移，因此，長徑比的增加削弱了極限狀態(tài)下樁端阻力的發(fā)揮.樁長徑比越大，傳遞到樁端的荷載越小，樁身下部側阻力值相應降低.無錫地區(qū)16根大直徑超長鉆孔灌注樁試樁靜荷載試驗加載最大值對應的樁端阻力占總荷載的比例均不足15%，驗證了上述結論.極限承載力狀態(tài)對應的樁端端阻力受樁端持力層性質(zhì)(極限端阻力和剛度)和長徑比L/D的共同影響，應合理控制深長樁的長徑比.

2.5 樁端承載力與樁土位移關系

各試樁樁端持力層的承載力隨樁端位移的變化見圖9.由圖可看出，各試樁試驗結果的離散性較大，且規(guī)律性很差.宜興互通和錫澄運河試樁場址的樁端持力層性質(zhì)相對較差，其樁端承載力發(fā)揮所需的位移也相對較大.

圖9 靜載試驗中樁端承載力變化曲線

豎向荷載下，樁土荷載的傳遞過程可簡單描述為:樁身位移和樁身荷載隨深度遞減，樁側摩阻力自上而下逐步發(fā)揮.試樁試驗結果揭示了大直徑深長鉆孔灌注樁具有樁側阻力先于樁端阻力發(fā)揮，樁身上部摩阻力先于下部發(fā)揮的荷載傳遞特點.工作荷載下，樁身中上部的樁土荷載傳遞是鉆孔灌注樁豎向承載的最主要途徑，端阻與樁身中下部側阻發(fā)揮水平較低，極限承載力安全儲備良好.

3 結論

1)大直徑超長泥漿護壁鉆孔灌注樁受制于現(xiàn)有施工工藝，不可避免地會出現(xiàn)樁底沉渣.樁底沉渣強度低、壓縮性大，樁底沉渣較厚必然導致Q-s曲線呈陡降型.沉渣控制好，則Q-s曲線呈緩變型.

2)大直徑超長鉆孔灌注樁的荷載傳遞規(guī)律與普通樁差異較大，其樁側摩阻力從上到下逐步發(fā)揮，樁側、樁端阻力非同步發(fā)揮且相互影響.極限荷載狀態(tài)下，上部土層有剪切破壞趨勢，上部土層的側摩阻力產(chǎn)生軟化效應.

3)在最大加載值時，試樁端阻比僅約10%，為典型端承摩擦樁;樁頂荷載為單樁承載力特征值時，端阻和樁身下段側阻對承載力特征值的貢獻率相對更小，為典型摩擦樁.

4)無錫地區(qū)的地層分布層理性明顯，各黏性土層在極限狀態(tài)下樁側摩阻發(fā)揮的極限位移范圍約為4～7 mm.本文基于16根試樁的試驗結果，推薦了相關土層的側摩阻力參數(shù)，可指導本地區(qū)同類工程的設計和施工.

［1］陽吉寶，鐘正雄.超長樁的荷載傳遞機理［J］.巖土工程學報，1998，20(6):108-112.

Yang Jibao， Zhong Zhengxiong. Research on load transfer mechanism of super-long pile［J］.Chinese Journal of Geotechnical Engineering，1998，20(6):108-112.(in Chinese)

［2］朱向榮，方鵬飛，黃洪勉，等.深厚軟基超長樁工程性狀試驗研究［J］.巖土工程學報，2003，25(1):76-79.

Zhu Xiangrong，F(xiàn)ang Pengfei，Huang Hongmian，et al.Research on super-long pile in soft clay［J］.Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2003，25(1):76-79.(in Chinese)

［3］胡慶立，張克緒.大直徑樁的豎向承載性能研究［J］.巖土工程學報，2002，24(4):491-495.

Hu Qingli，Zhang Kexu.Research on axial bearing behavior of large diameter piles［J］.Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2002，24(4):491-495.(in Chinese)

［4］石名磊，鄧學鈞，劉松玉.大直徑鉆孔灌注樁樁側極限摩阻力研究［J］.建筑結構，2003，33(11):13-16.

Shi Minglei，Deng Xuejun，Liu Songyu.Study on shaft skin friction resistance of large diameter bored piles［J］.Building Structure，2003，33(11):13-16.(in Chinese)

［5］王陶，馬曄.超長鉆孔樁豎向承載性狀的試驗研究［J］.巖土力學，2005，26(7):1053-1057.

Wang Tao，Ma Ye.Study on over-length drilled pile bearing behavior under vertical load［J］.Rock and Soil Mechanics，2005，26(7):1053-1057.(in Chinese)

［6］吳鵬，龔維明，梁書亭.考慮深度效應的超長單樁荷載傳遞性狀研究［J］.巖土力學，2007，28(6):1265-1268.

Wu Peng，Gong Weiming，Liang Shuting.Study on load transfer law of over length piles considering depth effect［J］.Rock and Soil Mechanics，2007，28(6):1265-1268.(in Chinese)

［7］趙春風，魯嘉，孫啟超，等.大直徑深長鉆孔灌注樁分層荷載傳遞特性試驗研究［J］.巖石力學與工程學報，2009，28(5):1020-1026.

Zhao Chunfeng，Lu Jia，Sun Qichao，et al.Experimental study of load transmission property of large-diameter bored cast-in-situ deep and long pile in different soil layers［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2009，28(5):1020-1026.(in Chinese)

［8］中華人民共和國行業(yè)標準編寫組.JGJ 94—2008建筑樁基技術規(guī)范［S］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2008.

［9］石名磊.大直徑鉆孔灌注樁的承載力與沉降研究［D］.南京:東南大學交通學院，2002.

［10］黃明聰，龔曉南，趙善銳.鉆孔灌注長樁試驗曲線型式及破壞機理探討［J］.鐵道學報，1998，20(4):93-97.

Huang Mingcong， GongXiaonan， ZhaoShanrui.Styles of test curves and damage mechanism of long bored piles［J］.Journal of the China Railway Society，1998，20(4):93-97.(in Chinese)

［11］張忠苗，張乾青.樁端土強度對樁側阻力影響的研究［J］.巖土工程學報，2010，32(2):59-63.

Zhang Zhongmiao，Zhang Qianqing.Influences of soil strength at pile end on friction of lateral surface of piles［J］.Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2010，32(2):59-63.(in Chinese)

［12］蔣建平，高廣運，章楊松.樁端巖土強度提高對超長樁樁身總側阻力的強化效應研究［J］.巖土力學，2009，30(9):2609-2615.

Jiang Jianping，Gao Guangyun.Zhang Yangsong.Strengthening effect of total pile lateral friction by improving rock or soil strength at pile tip［J］.Rock and Soil Mechanics，2009，30(9):2609-2615.(in Chinese)

Experimental study of the bearing properties of large-diameter and super-long bored pile in Wuxi

Zhang Ruikun Shi Minglei Ni Fujian Wang Jin
(School of Transportation，Southeast University，Nanjing 210096，China)

The static load test and the pile stress test of four large-diameter and super-long bored piles in Wuxi Subway project were carried out.The characteristics of the pile's skin friction resistance，the tip resistance and the load transmission law were analyzed based on the test data together with the relevant test results from other 12 piles.The results show that the different bottom sediment thickness caused by different construction technologies lead to the steep drop or slow change of the

Q-scurve shape.The skin friction resistance of the large-diameter and super-long bored piles exerts gradually from top to bottom.The skin friction and tip resistance do not work simultaneously and have mutual influence on each other.There are significant differences in side friction resistance between the measured values and the recommended values，which indicates that the depth effect of side friction resistance and the softening effect of the shallow cohesive soil are both notable.The value of pile-soil displacement boundary under ultimate load is 4 to 7 mm.The conclusions are useful for other similar engineering practices.

large-diameter and super-long bored pile;load transmission;static load test;side friction of pile;tip resistance of pile

TU473

A

1001－0505(2012)06-1194-07

10.3969/j.issn.1001 －0505.2012.06.031

2012-05-18.

張瑞坤(1985—)，男，博士生;石名磊(聯(lián)系人)，男，博士，教授，mingleish@163.com.

建設部研究開發(fā)資助項目(2008-K2-12).

張瑞坤，石名磊，倪富健，等.無錫大直徑超長鉆孔灌注樁承載性狀試驗研究［J］.東南大學學報:自然科學版，2012，42(6):1194-1200.［doi:10.3969/j.issn.1001 －0505.2012.06.031］