結(jié)合消阻護(hù)筒的試驗(yàn)樁樁側(cè)摩阻力和樁端阻力試驗(yàn)研究

杜建華， 于全勝

(1. 石家莊鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 河北 石家莊 050041； 2. 中鐵隧道集團(tuán)第五建筑有限公司， 天津 300300)

結(jié)合消阻護(hù)筒的試驗(yàn)樁樁側(cè)摩阻力和樁端阻力試驗(yàn)研究

杜建華1， 于全勝2

(1. 石家莊鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 河北 石家莊 050041； 2. 中鐵隧道集團(tuán)第五建筑有限公司， 天津 300300)

石家莊地鐵人民廣場站試樁采用靜載試驗(yàn)方案加載測試，設(shè)計(jì)要求除進(jìn)行承載力測試外，還需確定樁側(cè)各土層的分層極限側(cè)摩阻力和樁端土的端阻力，以及樁側(cè)摩阻力和樁端阻力占單樁極限承載力和承載力特征值的比例。利用消阻雙護(hù)筒消除無效土層的側(cè)摩阻力，通過樁身應(yīng)力觀測，利用彈性力學(xué)公式推算樁身軸力、樁側(cè)摩阻力及端阻力的分布及變化規(guī)律，為設(shè)計(jì)提供依據(jù)。結(jié)果表明： 1)雙護(hù)筒消阻裝置可直接消除無效土層段的側(cè)摩阻力，使試驗(yàn)樁真實(shí)反映工程樁的實(shí)際承載力、側(cè)摩阻力、端阻力及沉降值； 2)達(dá)到極限承載力時(shí)，樁側(cè)總阻力占比65%～66%，樁端總阻力占比34%～35%； 達(dá)到承載力特征值時(shí)，樁側(cè)總阻力占比76%～80%，樁端總阻力占比20%～24%； 試樁承載力類型均為端承摩擦樁； 3)局部范圍內(nèi)土層樁側(cè)摩阻力表現(xiàn)為應(yīng)力和位移的軟化特征； 4)樁端持力層主要為卵石層，對承載力的貢獻(xiàn)平均占比約30%。

地鐵車站； 試驗(yàn)樁； 單樁承載力試驗(yàn)； 樁側(cè)摩阻力； 樁端阻力； 單樁極限承載力； 單樁承載力特征值

0 引言

實(shí)際工程中，一般利用地質(zhì)勘探報(bào)告中提供的各土層與樁側(cè)的極限側(cè)摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值、極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值等土層力學(xué)參數(shù)，根據(jù)規(guī)范確定樁基承載力并進(jìn)行樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)。由于鉆孔灌注樁承載力與具體工程地質(zhì)情況、施工工藝等因素密切相關(guān)，承載力計(jì)算中所依據(jù)的各種土層力學(xué)參數(shù)具有一定離散性。因此，樁基數(shù)量較多的工程往往需要通過靜載試驗(yàn)實(shí)測基樁承載力、樁側(cè)摩阻力和樁端阻力分布等參數(shù)，進(jìn)而驗(yàn)證基樁承載力、各土層力學(xué)參數(shù)取值的合理性，最終用于指導(dǎo)設(shè)計(jì)與施工。

國內(nèi)專家和學(xué)者對樁基靜載試驗(yàn)做了較多的研究和總結(jié)，提出了一些可借鑒的經(jīng)驗(yàn)和方法。祝立君等[1]通過加載噸位達(dá)3 600 t的靜載試驗(yàn)得出了基樁極限承載力及土層與樁側(cè)摩阻力等基樁設(shè)計(jì)中的重要參數(shù)； 付文光等[2]總結(jié)分析了單樁承載力極限標(biāo)準(zhǔn)值、特征值、設(shè)計(jì)值及基本值等多個(gè)與單樁豎向抗壓承載力相關(guān)的名詞術(shù)語之間的復(fù)雜關(guān)系，闡明了這些名詞術(shù)語的概念以及在相關(guān)規(guī)范中取舍的原因； 鄒東峰[3]研究了超長灌注樁樁側(cè)摩阻力、樁端阻力的發(fā)揮特性，結(jié)果表明荷載作用下超長樁的樁頂變形主要由樁身的壓縮組成，樁端阻力對總承載力的貢獻(xiàn)較??； 陳福江等[4]研究了高速鐵路橋梁樁側(cè)摩阻力與樁端阻力分布與發(fā)展過程； 張曉劍等[5]研究了超長整體加工雙護(hù)筒設(shè)計(jì)與施工關(guān)鍵技術(shù)； 何現(xiàn)啟等[6]采用鋼筋計(jì)測試樁身軸力，通過計(jì)算得到樁身軸力隨深度的變化規(guī)律，樁側(cè)土的分層摩阻力，樁身的彈性壓縮量，端承力和摩阻力的相互關(guān)系； 于全勝等[7-8]研發(fā)了一種消阻雙護(hù)筒及配套的成樁方法； 張瑞坤等[9]研究了無錫地區(qū)大直徑超長鉆孔灌注樁豎向荷載下的樁側(cè)摩阻力和樁端阻力發(fā)揮特點(diǎn)和荷載傳遞規(guī)律； 陳雪獎等[10]結(jié)合軟土地區(qū)某工程大直徑超長灌注樁的樁底后壓漿技術(shù)，對樁底壓漿前后的自平衡載荷試驗(yàn)成果進(jìn)行對比分析，研究了樁底后壓漿對樁端阻力、樁側(cè)摩阻力和豎向承載力的影響； 劉貴強(qiáng)等[11]通過試驗(yàn)對樁端后注漿技術(shù)的作用機(jī)制及后注漿對樁側(cè)摩阻力的影響進(jìn)行了對比研究； 張利新[12]通過對試樁樁側(cè)埋設(shè)的鋼筋計(jì)的測試結(jié)果分析，得到不同土層在注漿后的極限側(cè)摩阻力增強(qiáng)系數(shù)，并據(jù)此推斷出抗壓樁端阻力增強(qiáng)系數(shù)，從而得出實(shí)測值與規(guī)范值間的對應(yīng)關(guān)系； 李鋒[13]對比了假設(shè)樁身和鋼筋的豎向變形量相同和假設(shè)樁身和鋼筋單位體積變形量相同的2種樁身軸力的計(jì)算方法，結(jié)果表明按照樁身和鋼筋的豎向變形量計(jì)算軸力較為合理； 楊進(jìn)喜等[14]對軟土地區(qū)后注漿超長鉆孔灌注樁的承載性能進(jìn)行了研究。

一般工程中，試驗(yàn)樁的樁頂標(biāo)高與工程樁的樁頂標(biāo)高相差不大，試驗(yàn)時(shí)直接在試驗(yàn)樁的樁頂施加荷載，即可測試單樁承載力、樁側(cè)摩阻力和端阻力等。但是，當(dāng)試驗(yàn)樁的樁頂標(biāo)高與工程樁的設(shè)計(jì)樁頂標(biāo)高相差較大時(shí)，二者之間的無效土層會對樁側(cè)產(chǎn)生摩阻力，導(dǎo)致試驗(yàn)數(shù)據(jù)不能真實(shí)、準(zhǔn)確地反映試驗(yàn)樁的承載力及樁側(cè)摩阻力和樁端阻力分布。為了保證測試數(shù)據(jù)準(zhǔn)確和真實(shí)，需要在試驗(yàn)樁中解決樁周無效土層摩阻力的消除問題。目前專門針對大直徑、大噸位且需要消除部分樁側(cè)摩阻力的靜載試驗(yàn)研究較少?，F(xiàn)有關(guān)于雙護(hù)筒的相關(guān)技術(shù)方案受條件限制，不能直接應(yīng)用于本工程，因此有必要對大直徑、大噸位且需要消除部分樁側(cè)摩阻力情況下如何開展樁基試驗(yàn)問題進(jìn)行研究。

本文以石家莊地鐵蓋挖車站工程試樁靜載試驗(yàn)為例，利用帶有限位消阻輪和止水裝置的消阻雙護(hù)筒消除無效土層摩阻力，利用鋼筋計(jì)進(jìn)行現(xiàn)場測試研究，基于監(jiān)測數(shù)據(jù)通過彈性力學(xué)公式推算樁身軸力、樁側(cè)摩阻力及樁端阻力的分布與變化規(guī)律，并就試驗(yàn)結(jié)果與設(shè)計(jì)值進(jìn)行對比分析，以期為設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 工程概況

石家莊地鐵人民廣場站采用蓋挖逆作法施工，施工階段需在底板下設(shè)置工程樁作為中間豎向支撐，承擔(dān)豎向荷載。為指導(dǎo)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)了2組試樁，直徑均為1 800 mm，樁身混凝土強(qiáng)度等級為C30，縱向主筋為24φ32。試樁1共3根，有效樁長26 m，樁頂標(biāo)高52.02 m，樁底標(biāo)高26.02 m，設(shè)計(jì)單樁豎向抗壓極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值為23 629 kN； 試樁2共3根，有效樁長23 m，樁頂標(biāo)高44.93 m，樁底標(biāo)高21.93 m，設(shè)計(jì)單樁豎向抗壓極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值為29 498 kN。為控制沉渣引起的樁基沉降并提高樁基承載力，要求采用樁端注漿。試驗(yàn)場地標(biāo)高位于自然地面，標(biāo)高分別為70.61、70.47 m。試樁1設(shè)計(jì)樁頂較場地自然地坪低約18.59 m，試樁2設(shè)計(jì)樁頂較場地自然地坪低約25.54 m。根據(jù)設(shè)計(jì)要求在樁身埋設(shè)應(yīng)力測試元件，用以實(shí)測樁側(cè)摩阻力和端阻力。試樁持力層主要為粉細(xì)砂、粉質(zhì)黏土、粉土、細(xì)中砂、中粗砂和砂卵層等，樁端持力層為砂卵層，持力層范圍內(nèi)無地下水。

按照設(shè)計(jì)要求，需要對工程樁進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)，為設(shè)計(jì)提供依據(jù)。設(shè)計(jì)要求通過試樁確定單樁極限承載力、承載力特征值及相應(yīng)的沉降量是否滿足要求； 確定各級荷載作用下，樁側(cè)各土層的分層極限側(cè)摩阻力和樁端土的端阻力，并確定樁側(cè)摩阻力和樁端阻力占單樁極限承載力和承載力特征值的比例。

2 靜載試驗(yàn)方案

2.1 雙護(hù)筒及錨樁反力裝置

由于試樁場地尚不具備大范圍開挖條件，加載試驗(yàn)需在地面完成，為最大程度地模擬設(shè)計(jì)工程樁工況，觀測系統(tǒng)選定在樁頂位置，選用錨樁反力裝置和雙護(hù)筒減摩工藝完成試驗(yàn)。為消除上部減摩部分樁身壓縮量對沉降的影響，樁身沉降觀測基準(zhǔn)自設(shè)計(jì)樁頂標(biāo)高處引出至地表。雙護(hù)筒減摩及錨樁反力裝置的組成如圖1所示。

圖1 雙護(hù)筒減摩及錨樁反力裝置的組成示意圖(單位： mm)

Fig. 1 Sketch of composition of double-sleeve and anchor pile counterforce device (unit: mm)

2.2 消阻雙護(hù)筒結(jié)構(gòu)

雙護(hù)筒需要解決內(nèi)外護(hù)筒之間的防水問題和摩阻力消除問題，根據(jù)本工程研發(fā)的雙護(hù)筒結(jié)構(gòu)如圖2所示。消阻裝置主要由內(nèi)護(hù)筒和外護(hù)筒組成，外護(hù)筒同軸套于內(nèi)護(hù)筒的外側(cè)，并且內(nèi)護(hù)筒從外護(hù)筒兩端伸出一定的長度(不小于500 mm)。內(nèi)外護(hù)筒之間的摩阻力由設(shè)置于內(nèi)外護(hù)筒之間的限位消阻輪消除。限位消阻輪包括滾輪、輪軸和滾輪支架，其中滾輪通過輪軸固定在滾輪支架上，滾輪支架焊接固定在內(nèi)護(hù)筒外壁上。限位消阻輪環(huán)向至少設(shè)置3個(gè)，軸向間距2～4 m。限位消阻輪與外護(hù)筒內(nèi)筒壁之間的間隙不大于5 mm，間隙過大不能保證試驗(yàn)樁成樁質(zhì)量，間距過小可能會由于制作加工誤差導(dǎo)致消阻輪與外護(hù)筒產(chǎn)生摩擦。外護(hù)筒的上端口和內(nèi)護(hù)筒之間通過固定件連接固定，試驗(yàn)加載前固定件可以使用氣割快速解除。外護(hù)筒的下端口焊接內(nèi)環(huán)板(內(nèi)環(huán)板外徑與外護(hù)筒外徑相同，內(nèi)環(huán)板內(nèi)徑伸出外護(hù)筒內(nèi)壁)，內(nèi)環(huán)板和內(nèi)護(hù)筒之間留有間隙，內(nèi)環(huán)板下方設(shè)置外環(huán)板，外環(huán)板焊接在內(nèi)護(hù)筒外壁上，在內(nèi)環(huán)板和外環(huán)板之間設(shè)置密封條，保證混凝土不進(jìn)入內(nèi)、外護(hù)筒之間的空隙，并能保證在試驗(yàn)加載時(shí)內(nèi)、外護(hù)筒能夠順利分離。

(a) 主視圖

(b) 局部放大圖

1—外護(hù)筒； 2—內(nèi)護(hù)筒； 3—限位消阻輪； 4—環(huán)形泡沫板； 5—外環(huán)板； 6—密封條； 7—內(nèi)環(huán)板； 8—固定件。

圖2消阻雙護(hù)筒結(jié)構(gòu)示意圖

Fig. 2 Sketch of structure of double-sleeve

2.3 結(jié)合消阻雙護(hù)筒結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)樁制作

試驗(yàn)樁最短的護(hù)筒約19 m，最長的護(hù)筒約26 m。內(nèi)外護(hù)筒若在地面套裝會存在較大的安全隱患和可操作性問題，經(jīng)反復(fù)研究，決定采用內(nèi)外護(hù)筒地下套裝、地面安裝止水裝置的試驗(yàn)樁制作方法[8]。制作步驟為： 1)分別在地面加工內(nèi)護(hù)筒和外護(hù)筒，在內(nèi)護(hù)筒上焊接安裝限位消阻輪，外護(hù)筒底部焊接內(nèi)環(huán)板； 2)第1次鉆孔，孔深自地面至設(shè)計(jì)樁頂標(biāo)高，孔徑比外護(hù)筒外徑略大； 3)將外護(hù)筒吊放至孔底； 4)繼續(xù)鉆孔(第2次鉆孔)，孔深不小于500 mm，孔徑比內(nèi)護(hù)筒外徑略大； 5)將內(nèi)護(hù)筒吊入第2次鉆孔孔底，外護(hù)筒的上端口和內(nèi)護(hù)筒之間通過焊接固定件連接固定； 6)將內(nèi)外護(hù)筒整體吊出孔外，孔外焊接內(nèi)護(hù)筒外環(huán)板，安裝止水條和泡沫板； 7)內(nèi)外護(hù)筒整體吊入孔內(nèi)，繼續(xù)鉆孔(第3次鉆孔)至設(shè)計(jì)樁底標(biāo)高，孔徑為設(shè)計(jì)樁徑，放入鋼筋籠，澆筑水下混凝土，成樁養(yǎng)護(hù)； 8)解除外護(hù)筒的上端口和內(nèi)護(hù)筒之間的固定件，試驗(yàn)加載，內(nèi)外護(hù)筒自動分離，由于限位消阻輪摩擦力可以忽略，設(shè)計(jì)樁頂標(biāo)高以上土體摩阻力即可消除，如圖3所示。鉆孔過程中一般需泥漿護(hù)壁以保證孔壁穩(wěn)定。

圖3 無效摩阻力消除原理示意圖

2.4 主要儀器和設(shè)備

靜載加卸載觀測設(shè)備： 并聯(lián)加載千斤頂，6×φ600； PDS-JY型靜載荷試驗(yàn)儀； DINI03型電子水準(zhǔn)儀。

應(yīng)力觀測設(shè)備： 頻率測讀儀406A。

輔助設(shè)備： 1)油泵，ZYBZ2-86型高壓油泵； 2)錨樁反力架，異形梁4根(長12m)、錨樁連接筒4個(gè)、支座等； 3)基準(zhǔn)梁，35型H型鋼(長9 m)2根。

2.5 加載和卸載觀測方法

試驗(yàn)采用慢速維持荷載法，加載過程分級進(jìn)行，逐級等量加載。分級荷載預(yù)設(shè)為預(yù)估極限承載力的1/10，其中第1級取分級荷載的2倍，加載至符合終止條件然后卸載。卸載分級進(jìn)行，每級卸載量取加載時(shí)分級荷載的2倍，逐級等量卸載。加載終止條件及承載力取值等依據(jù)現(xiàn)行規(guī)范[15]確定。

2.6 樁身應(yīng)力測試

根據(jù)試樁設(shè)計(jì)要求，需完成如下測試項(xiàng)目： 1)樁的極限承載力及對應(yīng)的樁側(cè)總阻力、樁端總阻力； 2)樁的承載力特征值和相應(yīng)位移，與樁的承載力特征值對應(yīng)的樁側(cè)摩阻力和樁端阻力。

樁的極限承載力和承載力特征值根據(jù)Q-S曲線特征可以確定，其余參數(shù)需通過樁身的應(yīng)力觀測才能確定。對于分層的樁側(cè)摩阻力和位移則需計(jì)算樁身壓縮量，進(jìn)而獲得樁身分層單位摩阻力隨分層沉降的變化關(guān)系，由此獲得最大樁側(cè)阻力值及其對應(yīng)的位移。

基于設(shè)計(jì)要求，樁身應(yīng)力觀測及計(jì)算的主要過程包括應(yīng)力測試、摩阻力計(jì)算和樁身變形計(jì)算等。

2.6.1 鋼筋計(jì)的設(shè)置和觀測

測試采用頻率式鋼筋計(jì)，考慮到地層變化較復(fù)雜以及摩阻力和截面位移分析精度的需要，鋼筋計(jì)的布置按照間距2 m分層布置，第1層作為標(biāo)定斷面布置在設(shè)計(jì)樁頂標(biāo)高1 m處，每層布置鋼筋計(jì)2支。試樁1自51.02 m至28.02 m按照2 m間距布置12層。試樁2自43.93 m至23.93 m按照2 m間距布置11層。鋼筋計(jì)的固定采用一端幫焊、一端鉸接。分級加載過程中，每級加載的前、后(加載后荷載穩(wěn)定階段)各測讀一次鋼筋計(jì)讀數(shù)。

2.6.2 鋼筋計(jì)應(yīng)力轉(zhuǎn)換

鋼筋計(jì)的應(yīng)力轉(zhuǎn)換依據(jù)出廠校準(zhǔn)證書提供的公式

(1)

式中：qi,j為第j個(gè)鋼筋計(jì)第i級荷載讀數(shù)換算的鋼筋力，kN；Kj為第j個(gè)鋼筋計(jì)的校準(zhǔn)常數(shù)，kN/Hz2；F0,j為第j個(gè)鋼筋計(jì)的空載讀數(shù)，Hz；Fi,j為第j個(gè)鋼筋計(jì)第i級荷載的讀數(shù)，Hz。

每層有多個(gè)鋼筋計(jì)時(shí)，可取有效讀數(shù)所換算力的平均值。

2.6.3 標(biāo)定樁身截面等效混凝土彈性模量

2.6.3.1 計(jì)算分級荷載作用下的Ecs

由于樁身的彈性模量并非常量，需要對其進(jìn)行標(biāo)定。樁頂附近摩阻力可以忽略，分級荷載作用下的彈性模量

(2)

式中：Ecs為樁身截面等效彈性模量，kPa；Qj為樁頂?shù)趈級豎向荷載，kN；As為單根鋼筋橫截面積，m2；Es為鋼筋彈性模量，kPa；A為樁的橫截面積，m2。

2.6.3.2 建立Ecs和q的函數(shù)關(guān)系

將Ecs和q的數(shù)據(jù)按照二次多項(xiàng)式構(gòu)造的函數(shù)關(guān)系進(jìn)行回歸，得到Ecs的函數(shù)表達(dá)式

Ecs=a·q2+b·q+c。

(3)

式中a、b、c為量綱一的標(biāo)定常數(shù)。

2.6.4 樁身軸力計(jì)算

根據(jù)實(shí)測鋼筋力和對應(yīng)的樁的彈性模量計(jì)算軸力

(4)

式中Tz為軸力，kN。

采用式(3)需要對樁身截面等效彈性模量進(jìn)行大量的現(xiàn)場試驗(yàn)測定。在結(jié)構(gòu)中鋼筋混凝土和素混凝土的彈性模量相差在10%以內(nèi)，這和配筋率有一定的關(guān)系。實(shí)際工作中，樁身等效彈性模量往往采用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算，將彈性模量乘以各自面積的百分比再相加。等效彈性模量要滿足變形協(xié)調(diào)，即等效彈性模量=混凝土彈性模量+(鋼筋截面面積/混凝土截面面積)×鋼筋彈性模量。

2.7 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)摩阻力

(5)

式中：fj,z(i,i-1)為第j級荷載作用下，樁身第i至i-1段側(cè)摩阻力，kPa；d為樁身第i至i-1段樁身平均直徑，m；zi、zi-1為自樁頂起樁身深度坐標(biāo)，m；Tj,z(i)、Tj,z(i-1)為距離樁頂分別為zi、zi-1深度時(shí)第j級荷載作用下樁的軸力，kN。

2.8 樁身分段沉降計(jì)算

樁身分段壓縮量

(6)

式中： Δsk,0,j為第j級荷載作用下，樁身第k段即i至i-1之間的截面壓縮量，mm；Ecsi、Ecs(i-1)為對應(yīng)軸力Tj,z(i)、Tj,z(i-1)的樁身等效彈性模量，kPa。

樁身總壓縮量

(7)

式中：sj,0為第j級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1個(gè)觀測斷面起算。

樁底沉降量

sj,b=sj-sj,0。

(8)

式中：sj,b為第j級荷載作用下樁底總沉降量，mm；sj為第j級荷載作用下樁頂總沉降量，mm。

樁身任一觀測斷面沉降量及樁身壓縮量可按式(9)或(10)計(jì)算：

sj,i=sj,0,i→n+sj,b；

(9)

(10)

式中：sj,i為第j級荷載作用下樁身第i截面的總沉降量，mm；sj,0,i→n為第j級荷載作用下樁身自i至n截面的總壓縮量，mm。

3 試驗(yàn)分析

試樁采用聲波透射法檢測，有效樁頂下部實(shí)測數(shù)據(jù)的聲學(xué)參數(shù)均無異常，無聲速低于低限值異常，實(shí)測樁身各剖面混凝土波速在4 197～4 557 m/s范圍內(nèi)變化，平均波速為4 365 m/s，試樁均判定為Ⅰ類樁。

3.1 雙護(hù)筒消阻功能判斷

雙護(hù)筒結(jié)構(gòu)自身具備消阻功能和內(nèi)外護(hù)筒加載自動分離功能，只要保證試樁混凝土澆筑時(shí)無水泥漿流入內(nèi)外護(hù)筒之間，就可保證實(shí)現(xiàn)消阻功能。即便是限位消阻輪與外護(hù)筒接觸，消阻輪與外護(hù)筒之間的摩擦力也可以忽略不計(jì)。為了檢驗(yàn)消阻效果，現(xiàn)場采取如下方法： 1)在內(nèi)外護(hù)筒之間的空隙內(nèi)放入測繩和帶光源的高清攝像頭檢查內(nèi)外護(hù)筒之間的空隙內(nèi)有無水泥漿液流入； 2)加載時(shí)觀測外護(hù)筒頂部沉降和試樁頂部沉降，比較二者相對沉降值； 3)加載時(shí)將高清攝像頭放至外護(hù)筒底部，檢查內(nèi)外護(hù)筒的分離情況。檢查發(fā)現(xiàn)： 內(nèi)外護(hù)筒之間的空隙內(nèi)無水和水泥漿，止水條清晰可見； 加載時(shí)外護(hù)筒頂部與試樁頂部的沉降差隨著荷載的增加不斷增大，外護(hù)筒頂部與周圍地表無相對沉降； 通過高清攝像頭發(fā)現(xiàn)加載時(shí)內(nèi)外護(hù)筒底部的止水裝置逐漸分離。檢查結(jié)果表明： 內(nèi)外護(hù)筒止水裝置止水效果可靠，加載時(shí)內(nèi)外護(hù)筒可自動分離，無效土層的摩阻力自動消除，試驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)真實(shí)準(zhǔn)確。

3.2 承載力分析

試樁1和試樁2獲得的Q-S曲線均呈緩變形狀，故按相對沉降量確定單樁極限承載力。設(shè)計(jì)要求承載力特征值時(shí)沉降量不大于20 mm，根據(jù)承載力特征值與極限值的量值關(guān)系，單樁承載力達(dá)到極限值(2倍特征值)時(shí)，其沉降量也按2倍設(shè)計(jì)沉降量控制，故可按40 mm沉降量取定單樁豎向抗壓承載力極限值，試樁1和試樁2承載力分析結(jié)果見表1和表2。試樁1單樁豎向抗壓極限承載力統(tǒng)計(jì)值為23 629 kN； 相應(yīng)的單樁豎向抗壓承載力特征值為11 815 kN，最大相應(yīng)位移為4.83 mm，小于20 mm，滿足設(shè)計(jì)要求。試樁2單樁豎向抗壓極限承載力統(tǒng)計(jì)值為34 414 kN； 相應(yīng)的單樁豎向抗壓承載力特征值取17 207 kN，最大相應(yīng)位移為3.77 mm，小于20 mm，滿足設(shè)計(jì)要求。

表1試樁1極限承載力、承載力特征值及對應(yīng)的沉降

Table 1 Ultimate bearing capacity, characteristic value of bearing capacity and settlement of test pile 1

樁號極限承載力/kN極限承載力相應(yīng)位移/mm承載力特征值/kN承載力特征值相應(yīng)位移/mm1-12362911．48118154．831-2236298．78118153．051-32362911．72118154．77平均值2362910．66118154．22

表2試樁2極限承載力、承載力特征值及對應(yīng)的沉降

Table 2 Ultimate bearing capacity, characteristic value of bearing capacity and settlement of test pile 2

樁號極限承載力/kN極限承載力相應(yīng)位移/mm承載力特征值/kN承載力特征值相應(yīng)位移/mm2-13244821．39162243．662-23539820．36176993．122-33539819．45176993．77平均值3441420．40172073．52

試樁1加載終止條件為： 試樁1-1已加載至25 993 kN，2號錨樁上拔量突增； 試樁1-2已加載至設(shè)計(jì)預(yù)估的加載量，繼續(xù)加載時(shí)錨樁與加載設(shè)備連接鋼筋斷裂； 試樁1-3已加載至25 993 kN，4號錨樁上拔量突增，錨樁與加載設(shè)備連接鋼筋斷裂。試樁1-1、1-3加載至25 993 kN時(shí)荷載維持時(shí)間過短，故舍去該級數(shù)據(jù)，最大試驗(yàn)荷載按23 629 kN取定。通過終止條件可知，單樁抗壓承載力按照規(guī)范規(guī)定取23 629 kN，滿足規(guī)范要求，但其實(shí)際極限承載力要大于23 629 kN。

試樁2加載終止條件為： 試樁2-1已超過設(shè)計(jì)預(yù)估的最大加載量，10號錨樁上拔量突增； 試樁2-2和試樁2-3已至加載能力極限。試樁2單樁豎向抗壓極限承載力統(tǒng)計(jì)值為34 414 kN，約為設(shè)計(jì)單樁極限承載力29 498 kN的1.17倍。

3.3 樁側(cè)和樁端總阻力分析

根據(jù)實(shí)測鋼筋應(yīng)力可由式(4)和式(5)計(jì)算得到樁身軸力和樁側(cè)摩阻力。試樁1-1軸力分布、摩阻力分布及側(cè)摩阻力、端阻力分布見圖4—6。

圖4 試樁1-1在不同荷載下的軸力分布

圖5 試樁1-1在不同荷載下的側(cè)摩阻力分布

圖6 試樁1-1側(cè)摩阻力和端阻力分布曲線

依據(jù)前述承載力分析結(jié)果、樁身軸力和樁側(cè)摩阻力，分別計(jì)算對應(yīng)于單樁極限承載力和單樁承載力特征值時(shí)的摩阻力、沉降等數(shù)值。試樁1樁側(cè)極限摩阻力及相應(yīng)位移統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表3。試樁1和試樁2達(dá)到極限承載力時(shí)和承載力特征值時(shí)樁側(cè)總側(cè)摩阻力和端阻力分析結(jié)果分別見表4-7。由表4和表5可知，試樁1達(dá)到極限承載力時(shí)，樁側(cè)摩阻力和樁端阻力占比分別為65%和35%； 試樁2達(dá)到極限承載力時(shí)，樁側(cè)摩阻力和樁端阻力占比分別為66%和34%。由表6和表7可知，試樁1達(dá)到承載力特征值時(shí)，樁側(cè)摩阻力和樁端阻力占比分別為80%和20%； 試樁2達(dá)到極限承載力時(shí)，樁側(cè)摩阻力和樁端阻力占比分別為76%和24%。結(jié)果表明，試樁的承載力類型均為端承摩擦型。

表3 試樁1樁側(cè)極限摩阻力及相應(yīng)位移統(tǒng)計(jì)表

表4試樁1達(dá)到極限承載力時(shí)樁側(cè)總側(cè)阻和端阻分析

Table 4 Analysis of total side resistance and end resistance of piles 1 under ultimate bearing capacity

樁號極限承載力/kN樁側(cè)摩阻力/kN側(cè)阻比例/%樁端阻力/kN端阻比例/%1-123629133125610318441-22362913875599755411-3236291860579502421平均值236291526465836635

表5試樁2達(dá)到極限承載力時(shí)樁側(cè)總側(cè)阻和端阻分析

Table 5 Analysis of total side resistance and end resistance of piles 2 under ultimate bearing capacity

樁號極限承載力/kN樁側(cè)摩阻力/kN側(cè)阻比例/%樁端阻力/kN端阻比例/%2-132448204006312048372-235398242236811174322-33539823153651224535平均值3441422592661182234

表6試樁1達(dá)到承載力特征值時(shí)樁側(cè)總側(cè)阻和端阻分析

Table 6 Analysis of total side resistance and end resistance of pile 1 under characteristic value of bearing capacity

樁號承載力特征值/kN相應(yīng)位移/mm樁側(cè)摩阻力/kN側(cè)阻比例/%樁端阻力/kN端阻比例/%1-1118154．838162693652311-2118153．059966841849161-3118154．771039688141912平均值118154．22950880230720

表7試樁2達(dá)到承載力特征值時(shí)樁側(cè)總側(cè)阻和端阻分析

Table 7 Analysis of total side resistance and end resistance of pile 2 under characteristic value of bearing capacity

樁號承載力特征值/kN相應(yīng)位移/mm樁側(cè)摩阻力/kN側(cè)阻比例/%樁端阻力/kN端阻比例/%2-1162243．6610800675424332-2176993．1215476872223132-3176993．771331475438525平均值172073．521319776401124

3.4 樁側(cè)摩阻力荷載位移規(guī)律

由表4—7可知， 樁側(cè)摩阻力提供了大部分的承載力。因此，在單樁極限承載力的計(jì)算中, 如何準(zhǔn)確選取工程地質(zhì)條件下各土層的極限側(cè)摩阻力十分重要。作為主要設(shè)計(jì)依據(jù)的地質(zhì)勘察報(bào)告提供值與樁側(cè)摩阻力的實(shí)測值的相符程度需要做比對分析。

3.4.1 分層摩阻力分析

試樁1各土層實(shí)測極限摩阻力見表8。由表8可知，除⑥4和⑥2層實(shí)測摩阻力比設(shè)計(jì)值小外，其余土層實(shí)測摩阻力均比設(shè)計(jì)值大。參考臨近鉆孔，并結(jié)合施工鉆孔資料，由于樁基成孔揭示的土層與臨近的勘探鉆孔揭示的土層存在較大的差異，實(shí)測土層極限摩阻力與設(shè)計(jì)土層極限摩阻力存在一定的差異。

表8試樁1土層實(shí)測摩阻力與設(shè)計(jì)摩阻力對比

Table 8 Comparison between measured friction resistance and design friction resistance of pile 1

土層代號土層名稱土層厚度/m實(shí)測極限摩阻力/kPa設(shè)計(jì)極限摩阻力/kPa⑤1、⑤2粉質(zhì)黏土4．1013460⑥1細(xì)中砂3．009970⑥4粉質(zhì)黏土2．503760⑥2中粗砂3．805160⑦1粉質(zhì)黏土6．7012470⑦3、⑦4粉細(xì)砂2．9016975⑧2卵石2．1921170

3.4.2 摩阻力發(fā)揮類型分析

將加載過程中獲得的摩阻力分布與分層沉降量結(jié)果進(jìn)行匯總，可得到摩阻力發(fā)揮進(jìn)程曲線。試樁1-1和試樁2-1摩阻力發(fā)揮進(jìn)程曲線分別見圖7和圖8。

根據(jù)摩阻力發(fā)揮進(jìn)程曲線，試樁1樁側(cè)摩阻力5～13 m范圍隨著應(yīng)力或位移增大摩阻力呈現(xiàn)軟化(即減小)狀態(tài)，其余土層在整個(gè)加載階段多表現(xiàn)為應(yīng)力或位移的強(qiáng)化(即隨著荷載和位移增大，摩阻力也持續(xù)不同程度地增大)。

試樁2樁側(cè)摩阻力發(fā)揮類型和試樁1整體較為類似，但也有不同，試樁2樁側(cè)摩阻力7 m以上范圍隨著應(yīng)力或位移增大摩阻力呈現(xiàn)軟化(即減小)狀態(tài)，8～12 m在整個(gè)加載階段多表現(xiàn)為應(yīng)力或位移的強(qiáng)化(即隨著荷載和位移增大，摩阻力也持續(xù)不同程度增大)，13 m以下在整個(gè)加載階段多表現(xiàn)為應(yīng)力或位移的強(qiáng)化程度逐漸減弱平穩(wěn)，摩阻力逐漸減弱，端阻力逐漸增強(qiáng)。

圖7試樁1-1在不同測點(diǎn)到設(shè)計(jì)樁頂距離下的摩阻力發(fā)揮進(jìn)程曲線

Fig. 7 Friction process curve of pile 1-1 under different distances between monitoring point and design pile top

圖8試樁2-1在不同測點(diǎn)到設(shè)計(jì)樁頂距離下的摩阻力發(fā)揮進(jìn)程曲線

Fig. 8 Friction process curve of pile 2-1 under different distances between monitoring point and design pile top

3.5 樁端阻力荷載位移規(guī)律

通過樁身軸力和樁側(cè)摩阻力計(jì)算，可得到樁端阻力值。試樁達(dá)到極限承載力和承載力特征值時(shí)樁端阻力見表4—7。經(jīng)分析，樁端阻力與沉降的關(guān)系曲線見圖9和圖10。

圖9 試樁1樁端阻力發(fā)揮程度曲線

樁端持力層為⑧2卵石層，設(shè)計(jì)極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值為3 000 kPa。試樁1和試樁2達(dá)到極限承載力時(shí)端阻力平均值分別為3 289 kPa和4 648 kPa，均超過了3 000 kPa。實(shí)測試樁1和試樁2最大樁端阻力分別為4 057 kPa和4 814 kPa，承載力達(dá)到極限值時(shí)端阻力占總承載力比例大部分超過30%。由2組樁端阻力發(fā)揮程度曲線形態(tài)分析，當(dāng)樁頂沉降大于1 mm后，樁端阻力隨著樁頂位移增大而明顯增加，樁端持力層已經(jīng)明顯開始發(fā)揮承載作用。

圖10 試樁2樁端阻力發(fā)揮程度曲線

3.6 樁周主要持力層分析

根據(jù)獲得的試樁1、2的軸力分布曲線，結(jié)合地質(zhì)鉆孔資料及Q-S曲線，對樁周地層產(chǎn)生的承載力貢獻(xiàn)程度進(jìn)行分析，用以比較2組試樁單樁承載力的差異及形成機(jī)制。

試樁1的樁周主要地層為第⑤層(含該層的1、2亞層)，對承載力的貢獻(xiàn)平均占17%； 第⑥層(含該層的1、2、4亞層)對承載力的貢獻(xiàn)平均占15%； 第⑦層(含該層的1、3、4亞層)對承載力的貢獻(xiàn)平均占23%； 第⑧2層對承載力的貢獻(xiàn)平均占14%。樁端持力層為第⑧2層，對承載力的貢獻(xiàn)平均占31%。故試樁1樁周主要持力層為第⑦層(含多個(gè)亞層)。

試樁2的樁周主要地層為第⑥層(含該層的1、2、4亞層)，對承載力的貢獻(xiàn)平均占32%； 第⑦層(含該層的1、3、4亞層)對承載力的貢獻(xiàn)平均占32%； 第⑧2層對承載力的貢獻(xiàn)平均占6%。樁端持力層為第⑧2層，對承載力的貢獻(xiàn)平均占29%。故試樁2樁周主要持力層為第⑥層(含多個(gè)亞層)和第⑦層(含多個(gè)亞層)。

綜合試樁1、2樁周地層對承載力的貢獻(xiàn)，可知2組試樁樁周主要持力層為第⑥層(含多個(gè)亞層)、第⑦層(含多個(gè)亞層)，對承載力的貢獻(xiàn)平均占52%。樁端持力層為第⑧2層，對承載力的貢獻(xiàn)平均占30%。

4 結(jié)論與討論

1)雙護(hù)筒結(jié)構(gòu)具有止水效果好、加載時(shí)內(nèi)外護(hù)筒自動分離、能保證成樁質(zhì)量、節(jié)省施工和試驗(yàn)費(fèi)用等優(yōu)點(diǎn)，可直接消除無效土層段的摩阻力，使試驗(yàn)樁直接真實(shí)反映工程樁的實(shí)際摩阻力及沉降值，且可用于現(xiàn)澆鋼筋混凝土截面模量檢查校核。

2)試驗(yàn)結(jié)果表明試樁實(shí)測極限承載力與設(shè)計(jì)極限承載力的結(jié)果基本一致，實(shí)測單樁極限承載力、承載力特征值及其相對應(yīng)的位移值均滿足設(shè)計(jì)要求。達(dá)到極限承載力時(shí)，樁側(cè)總阻力占比65%～66%，樁端總阻力占比34%～35%； 達(dá)到承載力特征值時(shí)，樁側(cè)總阻力占比76%～80%，樁端總阻力占比20%～24%； 試樁承載力類型為端承摩擦樁。

3)試樁1設(shè)計(jì)樁頂標(biāo)高以下5～13 m范圍內(nèi)，試樁2設(shè)計(jì)樁頂標(biāo)高以下7 m范圍內(nèi)，樁側(cè)阻力表現(xiàn)為應(yīng)力和位移的軟化特征，其余范圍基本表現(xiàn)為強(qiáng)化特征。摩阻力發(fā)揮呈現(xiàn)應(yīng)力和變形的強(qiáng)化特征對于工程是有益的，即當(dāng)荷載超過設(shè)定承載力值一定幅度時(shí)，對于強(qiáng)化型樁周土，只要樁身強(qiáng)度不發(fā)生破壞，樁的承載力不會失效，僅會引發(fā)進(jìn)一步的沉降。而軟化型樁周土超過設(shè)定承載力時(shí)，承載力可能降低或消失，有可能對工程造成明顯危害。

4)樁周土除粉質(zhì)黏土⑥4、中粗砂⑥2實(shí)測極限摩阻力比設(shè)計(jì)值略小外，其余土層實(shí)測摩阻力均比設(shè)計(jì)值大50%～90%； 樁端持力層⑧2卵石層實(shí)測極限端阻力約為設(shè)計(jì)極限端阻力的1.3～1.6倍。

5)試樁1樁周主要持力層為第⑦層，對承載力的貢獻(xiàn)平均占23%，樁端持力層為第⑧2層，對承載力的貢獻(xiàn)平均占31%。試樁2樁周主要持力層為第⑥層和第⑦層，對承載力的貢獻(xiàn)平均占52%。樁端持力層為第⑧2層，對承載力的貢獻(xiàn)平均占30%。

樁身截面等效模量的測定方法對樁側(cè)阻力和樁端阻力測試結(jié)果有直接影響，在測試時(shí)若在樁頂多澆筑一段不設(shè)內(nèi)護(hù)筒的混凝土并埋設(shè)鋼筋計(jì)，則可較為準(zhǔn)確地測定樁身截面等效模量。由于土層分布復(fù)雜，鋼筋計(jì)的埋設(shè)點(diǎn)不一定是土層的分界點(diǎn)，如何更加準(zhǔn)確地測定各層土的樁側(cè)阻力有待于進(jìn)一步研究。雙護(hù)筒消阻效果除了直觀的判斷外，試驗(yàn)時(shí)若在設(shè)計(jì)樁頂標(biāo)高截面埋設(shè)有鋼筋計(jì)，則可以通過鋼筋計(jì)算得到的設(shè)計(jì)樁頂標(biāo)高處的軸力值與試驗(yàn)加載值對比，更加客觀準(zhǔn)確地評價(jià)雙護(hù)筒消阻效果。

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ExperimentalStudyofSideFrictionResistanceandEndResistanceofTestPilewithDoubleSleeves

DU Jianhua1, YU Quansheng2

(1.ShijiazhuangInstituteofRailwayTechnology,Shijiazhuang050041,Hebei,China; 2.TheFifthConstructionCo.,Ltd.ofChinaRailwayTunnelGroup,Tianjin300300,China)

The static loading test is used to test the pile of Renminguangchang Station of Shijiazhuang Metro. The test of bearing capacity of the pile, determination of the ultimate side friction resistances of every soil layer and pile end resistance and the ratios of pile side friction resistance and pile end resistance to the ultimate bearing capacity and characteristic value of bearing capacity of single pile are required in design. The double-sleeve is used to eliminate the pile side friction resistance of the invalid soil layer; the distribution and variation of the axial force, side friction resistance and end resistance of pile body are calculated by the elasto-mechanical formula, which provides reference for project design. The results show that: 1) The double-sleeve can directly eliminate the friction resistance of the invalid soil layer, which can actually reflect the bearing capacity, friction resistance, end resistance and settlement value of the test pile. 2) When the ultimate bearing capacity is reached, the total side resistance of the pile is about 65%-66%, and the total end resistance of the pile is about 34%-35%; when the characteristic value of bearing capacity is reached, the total side resistance of the pile is about 76%-80%, and the total end resistance of the pile is about 20%-24%; the bearing capacity of the test pile presents end bearing friction. 3) The side friction resistance of the pile in local range presents softening characteristic of stress and displacement. 4) The bearing layer of pile end is mainly composed of cobble layer, which accounts for about 30% of the total bearing capacity.

metro station; test pile; bearing capacity test of single pile; pile side friction resistance; pile end resistance; ultimate bearing capacity of single pile; characteristic value of bearing capacity of single pile

2017-02-22;

2017-08-15

河北省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(16275429)； 中鐵隧道集團(tuán)有限公司科技創(chuàng)新計(jì)劃(隧研合2013-16)

杜建華(1979—)，男，河北石家莊人，2005年畢業(yè)于華南理工大學(xué)，結(jié)構(gòu)工程專業(yè)，碩士，副教授，主要從事橋梁與隧道工程研究工作。E-mail： sirtdjh@163.com。

10.3973/j.issn.2096-4498.2017.11.005

U 45

A

2096-4498(2017)11-1387-09