大直徑鉆孔灌注樁的豎向承載性能

劉念武，龔曉南，俞 峰

（1.浙江大學(xué) 濱海和城市巖土工程研究中心，浙江 杭州310058；2.浙江大學(xué) 軟弱土與環(huán)境土工教育部重點實驗室，浙江 杭州310058；3 浙江理工大學(xué) 建筑工程學(xué)院，浙江 杭州310018）

隨著工程規(guī)模的不斷擴大，對于樁基礎(chǔ)承載力以及變形的要求越來越高，具有更大承載力的超長樁越來越受到工程界的青睞.對于大直徑超長樁，由于承載力較高，采用傳統(tǒng)的靜載測試方法很難進(jìn)行樁的承載力測試，而自平衡法具有裝置簡單、省錢、省時、省力、安全等優(yōu)點［1］.美國于80年代中期開展了樁承載力自平衡試驗方法的研究［2］，首先應(yīng)用于橋梁工程并逐漸推廣至不同樁型.龔維明等［3-5］結(jié)合工程中樁的承載性能測試，對自平衡理論和實踐在國內(nèi)的發(fā)展作出了巨大的推動，給出由自平衡測試結(jié)果向普通靜載測試結(jié)果的轉(zhuǎn)化方法，并得到了較高的可靠度，同時給出了黏土、粉土的側(cè)摩阻力折減系數(shù).龔維明等［4，6-9］對不同土質(zhì)條件下的基樁進(jìn)行自平衡法試驗研究；徐長節(jié)等［10］通過分別采用自平衡和靜載的測試方法對樁的承載性能進(jìn)行分析，認(rèn)為砂性土、黏性土及圓礫的側(cè)摩阻力折減系數(shù)可取0.688、0.744、0.860.對于目前使用較多的灌注樁，注漿對大直徑灌注樁的端阻有很大的提高作用，還能夠提高端部以上一定上返高度內(nèi)的側(cè)阻，張忠苗等［11-13］對注漿后樁的側(cè)阻及端阻的影響進(jìn)行分析.

為了研究大直徑超長樁的的承載性能，本文結(jié)合工程實踐對2根大直徑超長樁進(jìn)行自平衡試驗，同時對1根進(jìn)行注漿，通過預(yù)埋的鋼筋應(yīng)力計對不同深度處樁身軸力進(jìn)行記錄，分析注漿對端阻及不同土層側(cè)阻的影響.對樁周土層分別進(jìn)行十字板剪切試驗及動力觸探（63.5kg）試驗，分析極限側(cè)阻與原位測試的結(jié)果的關(guān)系.

1 工程概述

本工程試驗場地位于舟山沿海，該工程用樁為永久性輸電鐵塔用樁，為了更好地了解場地地質(zhì)情況，對該場地的土層進(jìn)行地質(zhì)調(diào)查，各土層的物理力學(xué)參數(shù)如表1所示.表中，e為孔隙比，c為黏聚力，φ為內(nèi)摩擦角，Es為壓縮模量.對不同深度處圓礫混卵石層的顆粒組成進(jìn)行分析，分析結(jié)果如表2所示.

表1 土層物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)Tab.1 Physico-mechanical parameters of soil layers

表2 不同顆粒直徑下的顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)Tab.2 Particle mass fraction under different particle diameters

2 試樁基本情況

本次試樁共2根，編號為S1（未注漿）和S2（注漿），直徑為2 200 mm，試樁的樁身混凝土強度為C40，樁身配筋圖以及樁身剖面示意圖如圖1所示.S1樁長為60m，S2樁長為60.3 m，樁端持力層為圓礫混卵石層.

荷載箱位置為試樁樁端以上1m 位置處，在深度為-10、-20、-30、-40、-45、-50、-55、-59m位置對應(yīng)的鋼筋籠主筋上對稱安裝3 個鋼筋應(yīng)力計，共8組.從上到下對應(yīng)鋼筋應(yīng)力計之間的斷面分別 稱為1-2 斷 面、2-3 斷 面、3-4 斷 面、4-5 斷 面、5-6斷面、6-7斷面、7-荷載箱斷面以及荷載箱-8斷面.利用鋼筋應(yīng)力計測試所得的數(shù)據(jù)可以轉(zhuǎn)換成樁身軸力，再根據(jù)樁身軸力、樁身自重可以求得不同斷面的樁側(cè)摩阻力.荷載箱直接焊接在鋼筋籠上，導(dǎo)管沿主筋連接至地面.同時在荷載箱上部和下部分別布置3根位移傳感器，位移傳感器采用四分鍍鋅水管進(jìn)行保護(hù)，因此可以測得荷載箱的向上及向下位移.

圖1 樁身剖面示意圖及樁身配筋情況Fig.1 Profile map of pile body and reinforcement

3 現(xiàn)場試驗結(jié)果分析

3.1 注漿對荷載-位移曲線的影響

為了分析注漿對樁端為圓礫混卵石層大直徑樁承載性能的影響，對其中一根試樁進(jìn)行注漿，注漿采用均勻流量的方式.在注漿過程中，對注漿壓力進(jìn)行記錄，注漿量為6t.隨著注漿量的增大，注漿壓力有所變化，當(dāng)注漿量小于4t時，注漿壓力為2.0～3.0 MPa；隨著注漿量的進(jìn)一步增大，注漿壓力進(jìn)一步提高并上下浮動，最終注漿壓力約為5MPa；在注漿過程中后期，注漿壓力的變化幅度較大.根據(jù)過去的工程經(jīng)驗推測，在注漿前期，注漿形式主要為滲透注漿，隨著注漿壓力的增大，注漿形式可能包括滲透、壓密和劈裂注漿等多種形式.

圖2 荷載箱上、下的Q-s曲線Fig.2 Q-s curves of S1，S2

圖2中，s為樁土相對位移，Q 為荷載.從圖2可以看出，隨著荷載的增大，向上和向下的位移均呈增大的趨勢，向下位移的變化速率大于向上位移的變化速率.注漿對荷載位移曲線的變化趨勢有一定的影響，注漿使得向上及向下的荷載-位移曲線變化更加緩慢；同時，向下的極限荷載增大，未注漿樁的向下極限荷載為13 500kN，注漿樁的向下極限荷載為15 000kN.因此，可以推斷，注漿使得側(cè)阻和端阻提高，且注漿能夠更好地控制樁的沉降.未注漿樁和注漿樁的極限端阻分別為2 834、3 561kPa，端阻的提高幅度為25.7%.從圖2 可以看出，在注漿前后，當(dāng)樁端位移均為20mm（1%D，其中D 為樁徑）左右時，端阻達(dá)到極限狀態(tài)，該結(jié)果小于Hirayama等［14-15］的研究成果，Hirayama認(rèn)為樁極限端阻力發(fā)揮所需位移為10%D ～15%D，主要是由于持力層以及樁徑大小造成的差異.

3.2 注漿對不同土層的側(cè)阻影響

樁土相對位移被認(rèn)為是影響樁身側(cè)阻的重要因素，最終會影響到樁的極限位移及極限承載力.為了研究樁土相對位移對樁身側(cè)摩阻力的影響，圖3給出樁身側(cè)阻qsi隨樁土相對位移的變化曲線，樁土相對位移的計算公式為

式中：sui為第i層土的樁土相對位移，st為荷載箱的向上位移，Li為第i層土的高度，F(xiàn)i為第i層土上部樁身軸力，F(xiàn)i＋1為第i層土下部樁身軸力，Ea為樁身彈性模量，A 為樁身截面積.

圖3 單位側(cè)阻隨樁土相對位移的變化曲線Fig.3 Curves of unit side resistance-pile soil relative displacemnt

從圖3可以看出，隨著樁土相對位移的增大，不同土層的側(cè)阻-樁土相對位移的變化趨勢不同，6-7斷面以及7-荷載箱斷面的側(cè)阻隨樁土相對位移的變化更明顯.樁身側(cè)阻受樁周土層、所處深度、成樁工藝等多種因素的影響，而樁周土層差異是造成側(cè)阻不同的重要因素，6-7斷面以及7-荷載箱斷面樁周主要為圓礫混卵石層，因而樁周側(cè)阻較大，6斷面以上樁周土層主要由淤泥、淤泥質(zhì)粉土和黏土夾粉砂組成，樁周側(cè)阻較小.注漿前后樁身側(cè)阻隨著樁土相對位移的增大呈先迅速增大，后有所放緩，最后基本保持穩(wěn)定的趨勢，保持穩(wěn)定后側(cè)阻沒有明顯的軟化現(xiàn)象.從圖3可以看出，1-2斷面所處淤泥質(zhì)土層的側(cè)阻在達(dá)到最終樁土相對位移時沒有保持穩(wěn)定，淤泥質(zhì)粉土層、黏土夾粉砂層、圓礫混卵石層的側(cè)阻在樁土相對位移為1.5～3.0mm 時達(dá)到穩(wěn)定.不同斷面上，注漿后側(cè)阻的增加值不同，表3給出注漿前后不同斷面的側(cè)阻以及注漿后側(cè)阻的增加幅度.表中，qsub、qsua分別為注漿前、后的側(cè)阻.

從表3可以看出，注漿對側(cè)阻有一定程度的提高；注漿對不同深度處樁身側(cè)阻的影響不同，在2-3斷面、3-4斷面、4-5斷面上，注漿后側(cè)阻的提高幅度分別為4.0%、-2.6%、5.1%.可見注漿對樁身上部側(cè)阻的影響較小，這主要是由于漿液的上返高度受到注漿壓力、地質(zhì)條件等因素的影響［16］.在5 斷面以下時，側(cè)阻的提高幅度較大，對應(yīng)于5-6斷面、6-7斷面、7-荷載箱斷面極限側(cè)阻的提高幅度分別為11.9%、17.6%、18.9%，可以推測漿液的上返高度至少為10m，即漿液上返到5-6斷面之間，因此樁周圓礫混卵石層都受到了注漿的影響，下部極限側(cè)阻的提高幅度大于上部極限側(cè)阻的提高幅度，圓礫混卵石層中樁周側(cè)阻的提高幅度的平均值約為18%.

表3 不同斷面極限單位側(cè)阻對比Tab.3 Comparison of ultimate unit side resistance in different cross section

3.3 不同位移方向的荷載-樁土相對位移曲線

在傳統(tǒng)加載時，側(cè)阻力將使土層壓密；在自平衡加載時，樁側(cè)阻力將使土層減壓松散，故采用自平衡法測出的摩阻力小于常規(guī)摩阻力［3］.在本次自平衡試驗中，荷載箱處于樁端附近，樁周土層為圓礫混卵石層，荷載箱以上樁側(cè)阻的受力機理有別于樁頂受豎向向下荷載的受力機理，在本次試驗中，在荷載箱上部2.5m 和荷載箱以下1m 深度處分別安裝鋼筋應(yīng)力計以觀測樁身軸力的變化，可以求得不同受力方向樁身側(cè)阻隨樁土相對位移的變化.

從圖4可以看出，荷載箱上部樁身側(cè)阻隨樁土相對位移和荷載箱樁身下部側(cè)阻隨樁土相對位移的變化趨勢有所不同，荷載箱下部側(cè)阻隨位移的變化速度相比于荷載箱上部側(cè)阻隨位移的變化更加緩慢，可能是受到端部位移的變化影響了側(cè)阻的發(fā)揮速度，但是不管是否注漿，荷載箱下部的極限側(cè)阻都大于荷載箱上部的極限側(cè)阻.規(guī)范［17］給出自平衡測試方法的抗壓極限承載力公式，

圖4 荷載箱上、下的單位側(cè)阻-樁土相對位移變化曲線Fig.4 Side resistance vary with upwards and downwards displacement

3.4 側(cè)阻與十字板剪切強度的關(guān)系

通過地質(zhì)勘查的方法估測樁的承載力具有重要的現(xiàn)實意義，十字板剪切試驗在原位測試中經(jīng)常運用，圖5 給出十字板剪切強度與實測極限側(cè)阻qsu的關(guān)系.圖中，h為深度.

從圖5可以看出，隨著深度的增加，十字板試驗的剪切強度近似呈線性的變化，對應(yīng)于深度為20～30、30～40、40～45、45～49m 時十字板剪切強度的平均值分別為30.67、46.90、55.27、65.67kPa.過去的研究表明，qsu與su呈線性關(guān)系，對于黏性土來說，

式中：α為經(jīng)驗系數(shù).

根據(jù)樁身軸力的實測結(jié)果進(jìn)行計算，注漿前20～30、30～40、40～45、45～49m 范圍內(nèi)極限側(cè)阻分別為17.40、26.77、35.02、41.91kPa，分別為對應(yīng)深度處十字板剪切強度的0.56、0.57、0.63、0.64倍，α 的取值在0.6 左右且具有較好的擬合度.可見，當(dāng)α的取值合理時，通過十字板剪切強度進(jìn)行灌注樁極限側(cè)阻的估計具有較高的精度，誤差最大為6.7%，Reese等［18］建議的取值范圍是0.4～0.9，與本文的試驗結(jié)果一致.

圖5 實測側(cè)阻與十字板剪切強度的關(guān)系Fig.5 Relationship between measured side resistance and undrained vane-shear strength

3.5 動力觸探與側(cè)阻的關(guān)系

為了更好地研究圓礫混卵石層的側(cè)阻，在自平衡試驗前對不同深度處的圓礫混卵石層進(jìn)行動力觸探試驗，采用重型動力觸探（63.5kg）并記錄每10cm的擊數(shù)N.

從圖6可以看出，隨著深度的增加，動力觸探的擊數(shù)和實測的單位側(cè)阻均呈增大的趨勢，N 為25～42；同時可以看出，側(cè)阻和動力觸探擊數(shù)呈正相關(guān)性，且可以用線性關(guān)系進(jìn)行表述.最新工程地質(zhì)手冊［19］給出打入樁的qsu與N 的關(guān)系，對鉆孔灌注樁的研究較少.為了探究機械成孔鉆孔灌注樁樁周為圓礫層時qsu與N 的關(guān)系，對實測極限側(cè)阻與動力觸探擊數(shù)進(jìn)行擬合，得到圓礫混卵石層中qsu與N的關(guān)系為

圖6 動力觸探與側(cè)阻的關(guān)系Fig.6 Relationship between measured side resistance and dynamic sounding（63.5kg）hits N

式（4）擬合的相關(guān)系數(shù)為0.86，由于式（4）的N 是在25～32處的擬合，式（4）有一定的使用范圍.可見，對于圓礫混卵石層中極限側(cè)阻的估值，可以采用動力觸探（63.5kg）的方法進(jìn)行估算，圓礫混卵石層中極限側(cè)阻的估算還需大量工程實測數(shù)據(jù)的驗證.

4 結(jié) 論

（1）注漿后的荷載箱向上及向下荷載-位移曲線的變化更加緩慢，樁端位移為20mm（1%D，其中D為樁徑）左右時，端阻達(dá)到極限狀態(tài).未注漿樁和注漿樁的極限端阻分別為2 834、3 561kPa，注漿后端阻的提高幅度為25.7%.

（2）樁身側(cè)阻隨著樁土相對位移的增大呈先增大后保持穩(wěn)定的趨勢，淤泥質(zhì)粉土層、黏土夾粉砂層、圓礫混卵石層的側(cè)阻在樁土相對位移為1.5～3mm時達(dá)到穩(wěn)定.注漿能夠提高樁端以上一定深度的樁身側(cè)阻，在圓礫混卵石層中側(cè)阻的提高幅度為18%左右.

（3）荷載箱上下的側(cè)阻隨位移的變化模式不同，圓礫混卵石層中未注漿樁和注漿樁的λ取值分別為0.92、0.91.

（4）樁的qsu與su呈線性關(guān)系，α 的取值約為0.6，且具有較好的擬合度.

（5）圓礫混卵石層中qsu與N 有一定的相關(guān)性，可用公 式qsu＝2.53 N ＋53.7 對 樁 身 極 限 側(cè) 阻 進(jìn)行估計.

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［1］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）：523-536.GONG Wei-ming，JIANG Yong-sheng，ZHAI Jin.Selfbalanced loading test for pile beading capacity［J］.Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2000，22（5）：523-536.

［2］OSTERBERG J.New device for load testing driven piles and drilled shaft separates friction and end bearing［J］.Piling and Deep Foundations，1989，5（2）：421-427.

［3］龔維明，戴國亮，蔣永生，等.樁承載力自平衡測試?yán)碚撆c實踐［J］.建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報，2002，23（1）：82-88.GONG Wei-ming，DAI Guo-liang，JIANG Yong-sheng，et.a1.Theory and practice of self-balanced loading test for pile bearing capacity［J］.Journal of Building Structures，2002，23（1）：82-88.

［4］戴國亮，龔維明，劉欣良.自平衡試樁法樁土荷載傳遞機理原位測試［J］.巖土力學(xué)，2003，24（6）：1065-1069.DAI Guo-liang，GONG Wei-ming，LIU Xin-liang.Experimental study of pile-soil load transfer behavior of self-balanced pile［J］.Rock and Soil Mechanic，2003，24（6）：1065-1069.

［5］穆保崗，肖強，龔維明.自平衡法和錨樁法在高鐵工程中的對比試驗分析［J］.解放軍理工大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2012，13（4）：414-418.MU Bao-gang， XIAO Qiang， GONG Wei-ming.Research on in situ tests between self-balanced method and anchor pile method in high-speed railway［J］.Journal of PLA University of Science and Technology：Natural Science Edition，2012，13（4）：414-418.

［6］劉杰，張可能.層狀地基中單樁荷載傳遞規(guī)律［J］.中南大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2003，34（5）：571-575.LIU Jie，ZHANG Ke-neng.Single pile load-transfer law in layered ground［J］.Journal of Central South University of Technology：Natural Science，2003，34（5）：571-575.

［7］戴國亮，龔維明，薛國亞，等.超長鉆孔灌注樁樁端后壓漿效果檢測［J］.巖土力學(xué)，2006，27（5）：849-852.DAI Guo-liang，GONG Wei-ming，XUE Guo-ya，et.al.Effect examination for a base post-grouted overlength drilling pile ［J］.Rock and Soil Mechanics，2006，27（5）：849-852.

［8］于清泉，龔維明，梁書亭.卵石地區(qū)自平衡深層荷載試驗的應(yīng)用［J］..巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2010，9（增2）：3847-3851.YU Qing-quan，GONG Wei-ming，LIANG Shu-ting.Application of self-balanced deep level load test in pebble bed area［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2010，9（supple.2）：3847-3851.

［9］黃思勇，熊剛，羅昊沖，等.津濱輕軌基礎(chǔ)托換樁基承載力的自平衡試驗［J］.武漢大學(xué)學(xué)報：工學(xué)版，2010，43（4）：511-514.HUANG Si-yong，XIONG Gang，LUO Hao-chong，et al.Self-balanced loading test for pile bearing capacity of pile under pinning on Jin-bin light track［J］.Engineering Journal of Wuhan University，2010，43（4）：511-514.

［10］徐長節(jié)，李碧青，蔡袁強.自平衡法試樁的承載特性試驗研究［J］.浙江大學(xué)學(xué)報：工學(xué)版，2012，46（7）：1262-1268.XU Chang-jie，LI Bi-qing，CAI Yuan-qiang.Bearing capacity of self-balanced pile［J］.Journal of Zhejiang University：Engineering Science，2012，46（7）：1262-1268.

［11］張忠苗，張乾青.后注漿抗壓樁受力性狀的試驗研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2009，28（3）：472-486.ZHANG Zhong-miao，ZHANG Qian-qing.Experimental study on mechanical properties of post-grouting compressive pile［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2009，28（3）：472-486.

［12］LIU Nian-wu，ZHANG Zhong-miao，ZHANG Qianqing，et al.Destructive field tests on mobilization of end resistance of cast-in-situ bored piles［J］.Journal of Central South University of Technology，2003，20（4）：1071-1078.

［13］劉念武，俞峰，樓春暉.注漿和復(fù)壓對灌注樁端阻的影響分析［J］.巖土工程學(xué)報，2013，35（增2）：951-955.LIU Nian-wu，YU Feng，LOU Chun-hui.Analysis of end resistance of post-grouting bored pile and pile conducted in two load cycle［J］.Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2013，35（supple.2）：951-955.

［14］HIRAYAMA H.Load-settlement analysis for bored piles using hyperbolic transfer functions［J］.Journal of Geotechnical and Engineering Division，1990，30（1）：55-64.

［15］MULLINS G，WINTERS D，STEVEN D.Predicting end bearing capacity of post-grouted drilled shaft in cohesionless soils［J］.Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering，2006，132（4）：478-487.

［16］張忠苗，鄒健.樁端后注漿上返高度及樁頂冒漿處理［J］.土木建筑與環(huán)境，2010，32（5）：1-8.ZHANG Zhong-miao，ZOU Jian.Climb height and overflow of grout in shaft base grouting［J］.Journal of Civil Architectural and Environmental Engineering，2010，32（5）：1-8.

［17］DB32／T291-1999，樁承載力自平衡測試技術(shù)規(guī)程［s］.南京：東南大學(xué)出版社，1999.

［18］REESE L C，O’NEILL M W.Drilled shafts：construction procedures and design methods［R］.Washington：U.S.Department of Transportation，F(xiàn)ederal Highway Administration，1988.

［19］張有良.最新工程地質(zhì)手冊［M］.北京：中國知識出版社，2006：185-197.