大直徑鉆孔灌注樁試驗(yàn)方法和樁身荷載傳遞分析

楊海賓 崔 勉 谷志超

(河北建設(shè)勘察研究院有限公司，河北 石家莊 050031)

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大直徑鉆孔灌注樁試驗(yàn)方法和樁身荷載傳遞分析

楊海賓 崔 勉 谷志超

(河北建設(shè)勘察研究院有限公司，河北 石家莊 050031)

結(jié)合石家莊市某試樁工程，采用混合式反力裝置，對(duì)大直徑鉆孔灌注樁進(jìn)行了樁身應(yīng)力觀測，并對(duì)樁身荷載傳遞過程進(jìn)行了分析，為類似大直徑鉆孔灌注樁的設(shè)計(jì)和研究提供參考。

鉆孔灌注樁，載荷試驗(yàn)，混合式反力裝置，應(yīng)力

近年來，隨著我國建設(shè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，樁的設(shè)計(jì)尺寸越來越大。對(duì)于大直徑樁載荷試驗(yàn)，受困于各種原因，真正能做到樁基破壞階段的試驗(yàn)很少，加載量在2倍設(shè)計(jì)荷載時(shí)，樁頂沉降往往還很小。由于試驗(yàn)資料的缺乏，現(xiàn)階段對(duì)大直徑樁的荷載傳遞作用機(jī)理的研究還不夠完善。本文基于石家莊市某試樁工程，對(duì)直徑2 m的鉆孔灌注樁進(jìn)行了靜載荷試驗(yàn)及樁身應(yīng)力測試。試驗(yàn)反力采用混合式反力裝置，最大提供反力42 000 kN。試驗(yàn)表明，大直徑灌注樁Q—s曲線呈緩變型，不存在類似小直徑樁樁端刺入性沉降，而只存在壓縮性沉降，樁承載力是按照變形控制的。在工作荷載下，樁頂沉降主要是樁身壓縮量，且主要是樁身摩阻承載，樁端阻力沒有充分發(fā)揮。在極限荷載下，樁端位移較大，端阻力的發(fā)揮是滯后于側(cè)阻力的，且樁端阻和側(cè)阻存在相互作用。

1 工程概況和混合式反力裝置

該試樁場地位于石家莊市市區(qū)內(nèi)，采用φ2 000 mm鉆孔灌注樁，樁端及樁側(cè)注漿，試樁分為2組，每組數(shù)量均為3根，1組有效樁長25 m，2組有效樁長22 m。試樁1預(yù)估極限承載力27 500 kN，試樁2預(yù)估極限承載力28 000 kN；試樁1最大加載量33 000 kN，試樁2最大加載量42 000 kN。設(shè)計(jì)樁頂標(biāo)高較場地自然地坪低約20 m。由于場地地處鬧市區(qū)繁華地帶，不具備大范圍開挖條件，試驗(yàn)加載需在地面完成，為最大限度模擬設(shè)計(jì)工程樁工況，加載和觀測選定在樁頂設(shè)計(jì)標(biāo)高位置，選用荷載箱(即并聯(lián)組合千斤頂，以下同)加荷方式，將荷載箱內(nèi)置在樁體內(nèi)相當(dāng)于樁頂設(shè)計(jì)標(biāo)高位置，將沉降觀測的樁頂基準(zhǔn)面由設(shè)計(jì)樁頂標(biāo)高位置引出至自然地面標(biāo)高位置。上部無效樁身可提供部分反力，不足部分用錨樁提供，這種反力提供方式稱之為混合反力形式?；旌鲜椒戳ρb置提供的反力能力保證了本次試樁最終加載量分別超過預(yù)估加載量的11%～45%，滿足了試驗(yàn)要求，是一種較好的提供反力的裝置。

2 樁身應(yīng)力觀測計(jì)算方法

樁身應(yīng)力觀測采用頻率式鋼筋計(jì)，按照2 m分層布置，第一層作為標(biāo)定斷面布置在設(shè)計(jì)樁頂標(biāo)高1 m處，鋼筋計(jì)的焊接采用一端幫焊、一端鉸接。

樁身軸力計(jì)算。

樁側(cè)摩阻計(jì)算。

樁頂豎向荷載作用下各觀測截面間樁側(cè)摩阻，可按下式計(jì)算：

其中，fj,z(i,i-1)為第j級(jí)荷載作用下，樁身第i至i-1段側(cè)摩阻；d為樁身第i至i-1段樁身平均直徑；zi,zi-1均為深度，m；Tj,z(i),Tj,z(i-1)分別為距離樁頂i,i-1深度時(shí)第j級(jí)荷載作用下樁的軸力。

樁身分段沉降計(jì)算。

1)樁身分段壓縮量可按下式計(jì)算：

其中，Δsk,0,j為第j級(jí)荷載作用下，樁身第k即i至i-1之間的截面壓縮量，mm；zi,zi-1均為自樁頂起算樁身深度坐標(biāo)；Ecsi,Ecs(i-1)分別為對(duì)應(yīng)軸力Tj,z(i),Tj,z(i-1)的樁身等效彈性模量，kPa。

2)樁身總壓縮量可按下式計(jì)算：

其中，sj,0為第j級(jí)荷載作用下樁身總壓縮量，mm；n為樁的分段數(shù)，自標(biāo)定斷面以下的第一個(gè)觀測斷面起算。

其他符號(hào)意義同前。

3)樁底沉降量可按下式計(jì)算：

sj,b=sj-sj,0。

其中，sj,b為第j級(jí)荷載作用下樁底總沉降量，mm；sj為第j級(jí)荷載作用下樁頂總沉降量，mm。

其他符號(hào)意義同前。

4)樁身任一觀測斷面沉降量可按下式計(jì)算：

其中，sj,i為第j級(jí)荷載作用下樁身第i截面的總沉降量，m；sj,0,i→n為第j級(jí)荷載作用下樁身自i至n截面的總壓縮量，m。

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

3.1 載荷試驗(yàn)Q—s曲線分析

大直徑灌注樁載荷試驗(yàn)典型Q—s曲線如圖1所示?？梢钥闯?，大直徑灌注樁載荷試驗(yàn)Q—s曲線呈緩變狀態(tài)，整個(gè)加載過程中并未出現(xiàn)明顯的拐點(diǎn)，這與小直徑樁Q—s曲線一般會(huì)出現(xiàn)陡降段明顯不同。這說明大直徑樁樁端土不存在類似小直徑樁樁端刺入性沉降，而只存在壓縮性沉降，其破壞模式表現(xiàn)為樁端壓縮性變形過大，是以變形為控制條件的。對(duì)于大直徑樁，隨著樁頂荷載的增加，樁底以下土體產(chǎn)生豎向和側(cè)向壓縮，由此排除的土體積足以容納樁端的下沉體積，而不會(huì)導(dǎo)致土體形成通向樁端平面以上的連續(xù)剪切滑動(dòng)面。這種以壓縮機(jī)理起主導(dǎo)作用漸進(jìn)破壞使荷載—沉降曲線呈緩變型，無明顯特征點(diǎn)，因此，極限承載力的確定一般應(yīng)為位移控制。

3.2 樁身應(yīng)力分析

通過樁身應(yīng)力觀測，計(jì)算樁身軸力和摩阻，得出如下結(jié)論：

1)在極限承載力下，樁側(cè)阻所占比例很大。最大達(dá)到94%，最小也達(dá)到87%。表1為其中3根試樁的樁端阻力和樁側(cè)阻力值。在試樁加載過程中，樁頂荷載首先由樁側(cè)阻力承擔(dān)，樁端阻力非常小甚至為0，樁端無沉降。隨著樁頂荷載的增加，樁側(cè)阻力逐漸發(fā)揮，樁底阻力也開始承擔(dān)部分荷載，樁端開始出現(xiàn)沉降。最后樁頂荷載增加至極限值時(shí)，樁側(cè)阻力增長趨勢(shì)變緩，樁端阻力增長趨勢(shì)變陡，這時(shí)樁身變形過大，達(dá)到承載極限。加載過程中樁側(cè)阻力和樁端阻力變化見圖2。

表1 樁端阻力和樁側(cè)阻力表

2)樁身實(shí)測最大摩阻和端阻見表2，并與勘察報(bào)告中給出的摩阻、端阻進(jìn)行比較。

表2 與勘察報(bào)告中摩阻值的比較 kPa

實(shí)測樁周土層分層摩阻均比勘察報(bào)告中給出的相應(yīng)土層的摩阻值大。試樁采用樁端樁側(cè)注漿，實(shí)測含卵礫石中粗砂層摩阻值為勘察報(bào)告給出的1倍～4倍，粉質(zhì)粘土層摩阻值為勘察報(bào)告給出的2倍～6倍，粗砂層摩阻值為勘察報(bào)告給出的1倍～6倍。樁側(cè)注漿后，樁側(cè)摩阻力增加明顯。實(shí)測試樁1最大端阻力955 kPa，試樁2最大端阻力1 717 kPa。

實(shí)測端阻力明顯偏小(平均值遠(yuǎn)不及勘察提供的3 000 kPa)，樁端沒有產(chǎn)生足夠承載力。大直徑灌注樁，樁端注漿只能增加樁端平面以上樁側(cè)摩阻，對(duì)樁端端阻增加效果不明顯。試樁在最大加載力下，還能繼續(xù)承載，但是沉降會(huì)不斷增大，不滿足設(shè)計(jì)關(guān)于變形的要求。正如前文所述，大直徑樁承載力一般是按照變形控制的，如果不限制變形，則大直徑樁承載力會(huì)很高。

3)摩阻和端阻相互作用。試樁1，2實(shí)測樁端阻和粗砂層的側(cè)摩阻見表2，通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)試樁2不僅僅實(shí)測端阻大于試樁1，而且試樁2的粗砂層側(cè)摩阻同樣大大超過試樁1的粗砂層。分析其原因，發(fā)現(xiàn)試樁1，2雖然樁端持力層相同，都是砂卵石層，但是試樁2在持力層之上是中粗砂層或粗砂層，而試樁1在持力層與粗砂層之間有一層粉質(zhì)粘土層。證明灌注樁底部樁側(cè)土層阻力大，對(duì)樁端土阻力有增強(qiáng)作用。如果樁底部樁側(cè)土存在軟弱層，不僅會(huì)降低樁端持力層的承載力，而且會(huì)降低樁側(cè)軟弱層之上土層的摩阻力。為了保證灌注樁的承載力，必須保證樁端進(jìn)入堅(jiān)硬土層一定深度。

3.3 樁身壓縮分析

通過計(jì)算樁身壓縮量，發(fā)現(xiàn)試樁樁身壓縮量較小，范圍在3.10 mm～6.15 mm之間，試樁承載力特征值對(duì)應(yīng)的樁頂沉降為2.17 mm～5.60 mm，可見，在樁頂工作荷載下(承載力特征值)，樁頂沉降主要是樁身壓縮量，樁在工作荷載下主要是樁身摩阻承載，樁端阻力沒有充分發(fā)揮。

樁頂受荷載時(shí)，首先樁身產(chǎn)生壓縮，樁土產(chǎn)生相對(duì)位移，樁頂荷載由樁周土摩阻承擔(dān)。當(dāng)樁身壓縮量曲線與樁頂加載曲線產(chǎn)生分離時(shí)，表明樁身壓縮范圍傳遞到樁底，造成樁底應(yīng)力和樁底位移出現(xiàn)明顯的增大。

4 結(jié)語

以混合式反力裝置對(duì)大直徑灌注樁進(jìn)行載荷試驗(yàn)，最大加載量達(dá)到了42 000 kN，滿足了試驗(yàn)要求，是一種比較好的提供反力的裝置。通過實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)大直徑鉆孔灌注樁樁身承載具有如下特征：

1)大直徑灌注樁Q—s曲線呈緩變型，樁端不存在類似小直徑樁樁端刺入性沉降，而只存在壓縮性沉降，樁承載力是按照變形控制的。2)在極限承載力下，樁側(cè)阻所占比例很大。在樁頂工作荷載下(承載力特征值)，樁頂沉降主要是樁身壓縮量，荷載主要由樁身摩阻承載，樁端阻力沒有充分發(fā)揮。在極限荷載下，大直徑灌注樁樁側(cè)極限阻力已幾乎全部發(fā)揮，而樁端極限阻力還沒有充分發(fā)揮。3)樁端阻的發(fā)揮是滯后于樁側(cè)阻的。4)樁端注漿只能增加樁端平面以上樁側(cè)摩阻，對(duì)樁端端阻增加效果不明顯。5)摩阻和端阻存在相互作用，灌注樁底部樁側(cè)土層阻力大，對(duì)樁端土阻力有增強(qiáng)作用。

[1] 郅正華.樁身彈性壓縮量應(yīng)用研究[Z].

[2] 劉福天，趙春風(fēng)，吳 杰，等.常州地區(qū)大直徑鉆孔灌注樁承載形狀及尺寸效應(yīng)試驗(yàn)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2010(7)：62-63.

[3] 曾文韜.后壓漿鉆孔灌注樁單樁承載力試驗(yàn)研究[J].湖南城市學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2011,20(2)：76-77.

Analysis on test method and pile load transfer of large diameter bored piles

Yang Haibin Cui Mian Gu Zhichao

(HebeiConstructionSurveyResearchInstituteLimitedCompany,Shijiazhuang050031,China)

Combining with a test pile engineering in Shijiazhuang, this paper adopted the hybrid counter force device, made pile body stress observation to large diameter bored piles, and analyzed the pile load transfer process, provided reference for the design and research of similar large diameter bored piles.

bored pile, load test, hybrid counter force device, stress

1009-6825(2016)13-0087-02

2016-02-23

楊海賓(1982- )，男，碩士，工程師

TU473.13

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