大直徑鉆孔灌注樁受力性狀試驗(yàn)分析

楊文浩

（上海虹口建設(shè)工程質(zhì)量檢測(cè)有限公司，上海 200434）

0 引 言

鉆孔灌注樁是目前上海地區(qū)應(yīng)用較為廣泛的一種樁型，由于其具備較多優(yōu)勢(shì)，如無噪聲、無振動(dòng)，對(duì)環(huán)境影響相對(duì)較小，樁徑大小可根據(jù)設(shè)計(jì)要求進(jìn)行調(diào)整，在特殊條件下亦可做到變截面等優(yōu)勢(shì)。

鉆孔灌注樁技術(shù)在 20 世紀(jì) 50 年代起源于德國(guó)，70 年代引入我國(guó)后，發(fā)展相當(dāng)迅速，但在工程實(shí)踐中，鉆孔灌注樁的工程質(zhì)量事故也相對(duì)多于打入樁，且施工速度要低于打入樁，但是由于鉆孔灌注樁對(duì)于地質(zhì)條件適應(yīng)性要優(yōu)于打入樁，因此，一些特大型工程，為了滿足承載力及施工條件的要求，一般首選鉆孔灌注樁。在今后的工程應(yīng)用中，鉆孔灌注樁的發(fā)展方向必然是大直徑、變截面、高承載力的趨勢(shì)，而為了控制基礎(chǔ)沉降量，埋置深度也會(huì)因地制宜地選擇埋置深度深，土性好的地層，因此，對(duì)于大長(zhǎng)細(xì)比、大直徑鉆孔灌注樁樁土關(guān)系及樁身內(nèi)力的探索日趨重要。

1 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

1.1 工程概況

本工程擬建場(chǎng)地位于上海市虹口區(qū)，建設(shè)內(nèi)容包括 2 棟 33 層超高辦公塔樓、一棟 7 層商業(yè)裙房、1 個(gè) 4 層地下室及公建配套設(shè)施等。塔樓基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁，設(shè)計(jì)樁徑Φ850 mm，試樁設(shè)計(jì)樁長(zhǎng) 75.35 m，樁身混凝土強(qiáng)度等級(jí)為水下 C40，樁端持力層位于 ⑨ 層粉砂中，設(shè)計(jì)工程樁樁頂承載力 13 000 kN，預(yù)估試樁樁頂最大加載量為 14 600 kN；商業(yè)裙房基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁，試樁設(shè)計(jì)樁徑 Φ800 mm，設(shè)計(jì)樁長(zhǎng) 68 m，樁身混凝土等級(jí)為水下 C40，持力層位于 ⑧2層砂質(zhì)粉土與粉質(zhì)黏土互層中，設(shè)計(jì)工程樁樁頂承載力 10 300 kN，預(yù)估試樁樁頂最大加載量 9 300 kN。鉆孔灌注樁施工工藝均采用反循環(huán)泥漿護(hù)壁成孔方式，鉆孔灌注樁在滿足間歇期后，進(jìn)行樁端后注漿，試樁詳細(xì)信息如表1 所示。

表1 試樁相關(guān)參數(shù)一覽表

1.2 工程地質(zhì)情況

擬建場(chǎng)地屬于濱海平原地貌類型，場(chǎng)地地基土在勘察深度范圍內(nèi)均為第四系松散沉積物，主要由飽和黏性土、粉性土和砂土組成。擬建場(chǎng)地揭示土層 9 層，共 16 個(gè)亞層，②、④、⑤ 層土為 Q4 沉積物，⑦、⑧、⑨ 層土為 Q 3 沉積物。根據(jù)場(chǎng)地土層分布情況，擬建場(chǎng)區(qū)屬于濱海平原區(qū)。典型土層的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)如表2 所示，典型工程地質(zhì)剖面圖如圖1 所示。

1.3 試驗(yàn)簡(jiǎn)介

本次試驗(yàn)按照 DGJ 08－218－2003《建筑基樁檢測(cè)技術(shù)規(guī)程》有關(guān)規(guī)定進(jìn)行，靜載荷試驗(yàn)采用 4 根Φ850 mm 的錨樁提供反力，由 6 臺(tái) 320 t 千斤頂并聯(lián)加載，樁頂沉降量由精電子位移傳感器測(cè)讀，位移測(cè)量平面位于樁頂以下 2 倍 D 的位置，試驗(yàn)根據(jù)設(shè)計(jì)要求承載力分十級(jí)加載，每次加載增量為 1 430 kN，第一級(jí)荷載取 2 倍的加載值，采用慢速維持荷載法［1］加載，一直加載至工程樁樁頂位置軸力為 13 000 kN 為止。

為確保工程樁樁頂位置加載量為 13 000 kN，每根試樁均在鋼筋籠上安裝鋼筋應(yīng)力計(jì)，應(yīng)力計(jì)安裝位置均考慮安裝在土層分界處，且鋼筋應(yīng)力計(jì)的間隔≤7 m，每個(gè)斷面安裝 3 個(gè)應(yīng)力計(jì)，在試樁樁頂下 0.5 m 處安裝 4 個(gè)應(yīng)力計(jì)，作為標(biāo)定面，并在相對(duì)應(yīng)的工程樁樁頂位置安裝 3 個(gè)應(yīng)力計(jì)，測(cè)讀對(duì)應(yīng)工程樁樁頂位置的軸力，鋼筋應(yīng)力計(jì)埋設(shè)位置如圖2 所示。

測(cè)量應(yīng)力時(shí)均在加載至穩(wěn)定時(shí)，采用標(biāo)定過的頻率計(jì)測(cè)讀應(yīng)變計(jì)的讀數(shù)。

2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

2.1 樁身鋼筋混凝土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系［2］

根據(jù)較多研究表明，鋼筋混凝土的軸向應(yīng)力和應(yīng)變并非線性，因此，采用有試驗(yàn)實(shí)測(cè)各級(jí)荷載下標(biāo)定斷面的軸向應(yīng)變編制對(duì)應(yīng)的應(yīng)力計(jì)算表，經(jīng)回歸分析表明，二次方程就可以精確到表達(dá)應(yīng)力應(yīng)變之間的非線性關(guān)系，方程為：

式中：a0、a1、a2為系數(shù)；ε為某一荷載下的應(yīng)變。

表2 典型土層的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)一覽表

圖1 典型工程地質(zhì)剖面圖（單位：m）

2.2 樁身軸力計(jì)算［3］

根據(jù)鋼筋應(yīng)力計(jì)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可計(jì)算得到某一級(jí)荷載作用下i斷面鋼筋軸力：

式中：K為標(biāo)定系數(shù)，kN/Hz2；Fi為某一荷載級(jí)荷載下i斷面鋼弦振動(dòng)頻率，Hz；F0為鋼弦初始振動(dòng)頻率，Hz；B為計(jì)算修正值，kN，由儀器標(biāo)定書提供。

根據(jù)預(yù)埋鋼筋計(jì)實(shí)測(cè)的應(yīng)變數(shù)值，以下列式（3）計(jì)算各測(cè)量界面的軸力。

式中：Qij為第i截面在第j級(jí)荷載下的軸力，kN；A為樁身平均截面積；εij為第i截面在第j級(jí)荷載下的軸向應(yīng)變。

圖2 鋼筋應(yīng)力計(jì)的埋設(shè)位置圖

2.3 樁側(cè)平均摩阻力

在試驗(yàn)中，鋼筋計(jì)被有意識(shí)地安裝在土層分界位置，因此根據(jù)上述的軸力計(jì)算值，各土層的平均摩阻力可按式（4）計(jì)算。

式中：u為樁身周長(zhǎng)，m；Li為第i斷面和第i+1斷面之間的樁長(zhǎng)，m。

2.4 樁端承載力系數(shù)

由樁端軸力除以樁端橫截面積即可得到樁端承載力系數(shù)，如式（5）所示。

式中：Qn為樁端軸向力，kN；A0為樁端面積，m2。

3 靜載 Q-s曲線（見圖3、圖4）

從上述 2 根試樁的Q-s曲線可以看出，當(dāng)加載到 17 160 kN 時(shí)，在相應(yīng)工程樁樁頂達(dá)到 13 000 kN 軸力的條件下，整條Q-s曲線呈現(xiàn)出緩變形的趨勢(shì)，未出現(xiàn)明顯的向下彎折的拐點(diǎn)，樁周地基土和樁身材料均未達(dá)到極限狀態(tài)，在每一級(jí)荷載作用下，地基土壓縮變形后，均能達(dá)到穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn)，試樁的Q-s曲線反應(yīng)了樁身受力和荷載傳遞特征的宏觀表現(xiàn)。

圖3 試樁 SA1 Q-s 曲線

圖4 試樁 SA3 Q-s 曲線

試樁的樁頂沉降量主要包括樁身壓縮量和樁端沉降量，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果顯示，2 根試樁在 17 160 kN 的壓力作用下（見表3），樁身和土體共沉降 31.93 mm 和 41.68 mm，而在卸載階段，樁身材料回彈量在 22.02 mm、27.79 mm左右，土體最終壓縮量為 9.91 mm、13.89 mm。

表3 試樁理論和實(shí)測(cè)極限承載力對(duì)比

4 樁身軸力

圖5 試樁 SA 1 樁身軸力分布圖

圖6 試樁 SA 3 樁身軸力分布圖

各試樁實(shí)測(cè)軸力分布如圖5、6 所示，根據(jù)軸力分布圖并結(jié)合地質(zhì)資料，場(chǎng)地淺層分布厚層的軟黏性土，其在軸力分布圖上的表現(xiàn)形式為在各級(jí)荷載作用下，斜率較大，其夾角基本成 90°，而中下部地層相對(duì)較好，在每級(jí)荷載作用下，樁身軸力圖中表現(xiàn)為斜率隨著壓力的增加而減小，說明該范圍內(nèi)的土層在樁身受壓過程中為樁側(cè)提供了較多的側(cè)摩阻力。而樁端附近地基土在每級(jí)荷載作用下，其軸力斜率稍有變換，但沒有中上部地層所反映的那么明顯，其主要因素還是由于上部傳遞下來的軸力較小，無法使樁周地基土發(fā)揮其作用，因此該范圍內(nèi)樁身軸力圖沒有上部區(qū)段明顯。

5 樁側(cè)阻力發(fā)揮性狀分析

擬建場(chǎng)地雖然位于古河道切割區(qū)，但場(chǎng)地內(nèi)地層分布情況較為穩(wěn)定，2 個(gè)試樁樁側(cè)土層僅在深部地層有些差異，SA1 孔深部缺 ⑧1-1層，而 SA3 孔則在深部缺失 ⑧2層，其余地層基本一致。從 2 根試樁的樁身軸力分布圖可看出，在樁頂施加壓力后，壓力沿樁身軸線方向向下傳遞，且受到土阻力的影響，壓力逐漸減小，隨著荷載的增加，上部土層在超過其可提供的摩阻力時(shí)，并傳遞至樁端由樁端地基土承擔(dān)最后的壓力。該過程是個(gè)異步過程。

表4 試樁在最大加載量下樁側(cè)阻力與樁端阻力一覽表

根據(jù)表4 試樁在最大加載量下樁側(cè)阻力與樁端阻力一覽表可以看出，整個(gè)試樁在受力過程中，樁身上部在整個(gè)樁身側(cè)阻力中發(fā)揮極小部分，僅占 15 % 左右，其余部分則由樁身中下部承擔(dān)，這與場(chǎng)地的地質(zhì)發(fā)育情況基本一致，根據(jù)本場(chǎng)地的地質(zhì)報(bào)告揭示，場(chǎng)地 20 m 以淺分布厚層的 ④ 層、⑤1層軟弱黏性土，其強(qiáng)度低，土性軟弱，上述土層的摩阻力極易發(fā)揮到峰值，且從樁身軸力分布圖中可以發(fā)現(xiàn)，在壓力達(dá)到 7 150 kN 后，其軸線斜率不再減小，可以說明在此壓力作用下，上述土層已達(dá)到其最大承載力，在其后的加載過程中，剩余的樁側(cè)阻力主要由中下部土層承擔(dān)。

而場(chǎng)地中下部發(fā)育的厚層 ⑤2層粉性土，其土性較好，可提供承載力較高，在整個(gè)受力過程中，SA1 樁顯示其占比高達(dá) 56.26 %，而 SA3 樁也達(dá)到 39.6 %，而下部 ⑦ 層粉性土層，土性好，可提供的側(cè)阻力較高，SA1 樁顯示其占比為 13.26 %，而 SA3 樁為 17.68 %，上述 2 層地基土為整個(gè)樁側(cè)提供了過半的側(cè)摩阻力。在樁身軸力分布圖中上述 2 層土的主要表現(xiàn)在其斜率一直隨著壓力的增加而減小。

6 樁端阻力發(fā)揮性狀分析

本項(xiàng)目試樁樁長(zhǎng) 75.35 m，樁徑 Φ850 mm，長(zhǎng)細(xì)比為 88.6 %，從試樁樁側(cè)阻力與樁端阻力一覽表可以發(fā)現(xiàn)，樁端阻力在整個(gè)受力體系中僅占 3.38 %～8.47 %，其余均由側(cè)阻力承擔(dān)，為典型的摩擦型樁，而且該試樁的長(zhǎng)細(xì)比較大，根據(jù)參考資料［5］的研究發(fā)現(xiàn)，隨著長(zhǎng)徑比L/D增加，樁端承力存在減小的規(guī)律。因此，本工程試樁雖然在 17 160 kN 的壓力作用下，傳遞到樁端的壓力還是有限的。

另外本項(xiàng)目選擇壓縮性較小的砂性土作為樁基持力層，且通過樁端后注漿工藝，使其有效地控制了樁端沉降量，在試驗(yàn)最大力作用下，其樁土沉降為 31.93 mm 和 41.68 mm，而卸載后扣除樁身回彈，土體最終壓縮量?jī)H為 9.91 mm、13.89 mm，而根據(jù)本項(xiàng)目巖土工程勘察報(bào)告顯示，試算沉降量為 30 mm 左右，試驗(yàn)結(jié)果說明樁端后注漿工藝不僅可以提高承載力，亦可有效控制樁的沉降量。

7 結(jié) 論

通過研究埋有鋼筋應(yīng)力計(jì)的鉆孔灌注樁的靜載荷試驗(yàn)得出如下結(jié)論。

1）試樁的實(shí)際承載力都比按靜力經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算所得結(jié)果要高，鉆孔灌注樁經(jīng)后注漿處理后，實(shí)測(cè)值比按靜力經(jīng)驗(yàn)公式的計(jì)算值至少提高 65 %。

2）鉆孔灌注樁樁側(cè)土阻力發(fā)揮規(guī)律：樁側(cè)土層自上部發(fā)揮其摩阻力，隨著荷載向下傳遞，下部土層的摩阻力滯后于上部土層，并逐漸發(fā)揮出來，樁側(cè)土阻力的發(fā)揮是個(gè)異步的過程。

3）上海地區(qū)鉆孔灌注樁的長(zhǎng)細(xì)比普遍較大，隨著上部荷載水平的提高，端阻才逐漸發(fā)揮，但其所占的比例在整個(gè)受力體系中相對(duì)較小，且端阻力隨長(zhǎng)徑比 L/D 的增加而逐漸減小。

4）采用樁端后注漿工藝，可以有效地控制樁身沉降量。