臨海地區(qū)大直徑深長(zhǎng)鉆孔灌注樁承載性狀試驗(yàn)研究

李文勇，高 頔，胡新元

（中交第一航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，天津 300222）

引言

目前大直徑深長(zhǎng)鉆孔灌注樁在我國(guó)已被廣泛使用，但針對(duì)該類(lèi)樁荷載傳遞機(jī)制的研究還不深入，迄今仍無(wú)相應(yīng)的承載力計(jì)算方法。現(xiàn)行規(guī)范中關(guān)于大直徑深長(zhǎng)鉆孔灌注樁的設(shè)計(jì)理論并非以其承載變形機(jī)制為基礎(chǔ)，只簡(jiǎn)單按經(jīng)驗(yàn)加以修正，并未考慮到大小直徑樁承載性能的差異，在理論上沒(méi)有定性、定量的研究。另外，大直徑深長(zhǎng)鉆孔灌注樁的承載力很高，極難獲得完整的現(xiàn)場(chǎng)靜載荷試驗(yàn)資料[1-4]。大直徑深長(zhǎng)灌注樁有著特有的承載形狀，且其影響因素繁多復(fù)雜，目前尚無(wú)系統(tǒng)研究，而愈來(lái)愈多的工程實(shí)踐迫切需要對(duì)其承載機(jī)理進(jìn)一步研究，從而更好的指導(dǎo)工程實(shí)踐，降低工程費(fèi)用。

本文基于山東省某地區(qū)儲(chǔ)氣罐區(qū)試樁工程進(jìn)行的現(xiàn)場(chǎng)載荷試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)該類(lèi)型樁樁側(cè)土層在豎向荷載作用下的荷載傳遞機(jī)理進(jìn)行了初步分析，得出一些有益的結(jié)論。

1 試驗(yàn)概況

1.1 概況

山東省某地區(qū)儲(chǔ)氣罐區(qū)試樁工程，共布置試樁4根，單樁豎向靜載試驗(yàn)3根，分別為V1、V2、V3，單樁水平靜載試驗(yàn)1根。試樁樁徑1.4 m，樁長(zhǎng)L依次為78.7 m、78.5 m、81.70 m，長(zhǎng)徑比L/d≥50，屬典型的大直徑深長(zhǎng)樁。V1樁成孔方式為沖擊+旋挖，V2、V3為沖擊+反循環(huán)，其他成樁工藝均相同。試樁終孔條件為樁長(zhǎng)大于75 m且樁端持力層位于強(qiáng)風(fēng)化大理巖層。V2樁同時(shí)進(jìn)行了樁身內(nèi)力測(cè)試。在靜載試驗(yàn)前后，對(duì)試樁進(jìn)行了聲波透射檢測(cè)，結(jié)果顯示樁身均完整。

根據(jù)地質(zhì)報(bào)告揭示，試樁深度范圍內(nèi)主要地層依次為：①回填層，稍密～中密狀，粒徑20～130 mm為主，以風(fēng)化巖屑和粘性土填充，層厚約20.5 m；②粉質(zhì)粘土及粗礫砂交互層，粉質(zhì)粘土呈可塑～硬塑狀，層厚約4.1 m，粗粒砂呈中密狀，層厚約1.0 m；③粗礫砂，密實(shí)狀，N=45.9，層厚約22.0 m；④粘土，硬塑狀，N=20.3，層厚約1.5 m；⑤粗礫砂，密實(shí)狀，N=47.0，層厚約17.2 m；⑥強(qiáng)風(fēng)化大理巖，密實(shí)狀，N＞50，芯樣大多已風(fēng)化呈砂土狀。

1.2 加載裝置及試驗(yàn)方法

靜載試驗(yàn)按照設(shè)計(jì)要求最大加載量為20 000 kN，反力裝置采用堆載塊及鋼梁，采用慢速維持荷載法。樁頂下沉量由位移傳感器測(cè)得。試驗(yàn)過(guò)程嚴(yán)格按照相關(guān)規(guī)范進(jìn)行。

樁身內(nèi)力測(cè)試采用振弦式應(yīng)力計(jì)。應(yīng)力計(jì)于相鄰?fù)翆臃纸缣幝裨O(shè)，焊接于鋼筋籠主筋內(nèi)側(cè)，每個(gè)斷面按軸心對(duì)稱(chēng)布置4個(gè)。標(biāo)定面選擇在距樁頂1 m處布置。安放鋼筋籠時(shí)，各組傳感器的電纜沿鋼筋籠主筋內(nèi)側(cè)引至鋼筋籠頂部下方1.5 m處的側(cè)面引出，并在混凝土澆筑完成后加以保護(hù)。試驗(yàn)時(shí)，將應(yīng)力計(jì)測(cè)試線連接于集線箱，并用頻率測(cè)試儀讀取頻率值，然后通過(guò)標(biāo)定公式求取其應(yīng)力值。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 荷載-沉降規(guī)律分析

據(jù)圖1各試樁Q-S曲線可知，各樁荷載-沉降曲線均呈現(xiàn)緩變型，荷載特征點(diǎn)不明顯，而各樁的最終樁頂沉降量卻差異明顯。各樁最大沉降量依次為20.95 mm、87.98 mm、53.06 mm，回彈量依次為10.22 mm、15.79 mm、15.16 mm。V2樁回彈率僅有17.9 %，表明樁土體系已基本進(jìn)入塑性工作狀態(tài)。V2、V3樁在荷載超過(guò)12 000 kN后，單級(jí)荷載下的沉降量呈逐漸擴(kuò)大趨勢(shì)。另外，各試樁試驗(yàn)加載時(shí)間分別為28 h、61.5 h、43 h，其用時(shí)基本與沉降量成正相關(guān)。

圖1 各試樁Q-S 曲線

三根試樁的相互間距僅為8 m，且地層情況基本一致，出現(xiàn)如此較大的差異，除V3樁較V2樁多進(jìn)入強(qiáng)風(fēng)化巖3.2 m，增加了一定量的樁側(cè)阻力而減小了樁端沉降和試驗(yàn)用時(shí)，主要?dú)w因于成樁方式。V1樁成孔方式為沖擊+旋挖，歷時(shí)3天；V2、V3樁為沖擊+反循環(huán)，歷時(shí)分別為8天、11天。旋挖鉆進(jìn)過(guò)程中，孔壁不易產(chǎn)生泥皮，且孔壁一直受鉆斗的刮擦，在孔壁上形成較明顯的螺旋線，有助于增加樁的摩擦力。而反循環(huán)鉆進(jìn)方式在使用泥漿保證孔壁的穩(wěn)定性的同時(shí)，也增大了樁周泥皮的厚度，導(dǎo)致剪切滑裂面將由緊貼樁身的硬殼層轉(zhuǎn)變?yōu)槟嗥?nèi)，從而降低了樁側(cè)阻力。綜合考慮上部結(jié)構(gòu)對(duì)沉降的敏感程度，以及土層的不均勻性，V2樁由于發(fā)生了上部結(jié)構(gòu)不適宜繼續(xù)承載的較大變形，樁土體系進(jìn)入了破壞狀態(tài)，因此其極限承載力未能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

2.2 樁身內(nèi)力計(jì)算及荷載傳遞

本試驗(yàn)采用振弦式鋼筋應(yīng)力計(jì)作為傳感器，通過(guò)頻率計(jì)實(shí)測(cè)得到各級(jí)荷載下的頻率值計(jì)算鋼筋應(yīng)力，以鋼筋與混凝土應(yīng)變協(xié)調(diào)一致為原則，根據(jù)材料力學(xué)彈性變形公式，計(jì)算出樁身軸力，通過(guò)樁身軸力根據(jù)靜力平衡原理和應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系導(dǎo)出樁側(cè)摩阻力和樁身各測(cè)試斷面的沉降。V2樁各斷面在分級(jí)荷載作用下樁身軸力如圖2。

圖2顯示在各級(jí)樁頂荷載作用下，隨著樁土相對(duì)位移的產(chǎn)生，土側(cè)阻力不斷被激發(fā)，各測(cè)試斷面的軸力逐漸增加，樁身軸力隨深度逐漸減小，并且每層土受其土性、埋深等因素影響，其發(fā)揮程度并不一致，表現(xiàn)出一定的異步性，即側(cè)阻先于端阻，上部土阻力先于下部土阻力。而軸力分布曲線段的陡緩反映出該層土阻力的大小，曲線越陡意味著上下連續(xù)兩個(gè)截面的軸力越相近，即樁側(cè)土阻力越小。從圖中可以看出，每層土隨著荷載的增大，分段軸線都變得越來(lái)越緩，即樁側(cè)土阻力漸次發(fā)揮，并逐漸增加?？梢钥吹?，強(qiáng)風(fēng)化巖曲線段的加載過(guò)程中斜率變化最大，說(shuō)明該土層的側(cè)阻力得以充分發(fā)揮。樁端荷載也在逐漸增大，但在最大樁頂荷載作用下，樁端荷載承擔(dān)比例也僅為9.4 %，表現(xiàn)出了明顯的摩擦型樁的特征。

圖2 各級(jí)荷載下樁身軸力

圖3 樁側(cè)土阻力分布

如圖3所示，在最大荷載作用下樁側(cè)土阻力與地質(zhì)勘察提供的建議值存在一定的差異，這既與樁側(cè)泥皮厚度有關(guān)，同時(shí)也與在成孔過(guò)程中，因施工工藝不同孔壁產(chǎn)生松弛效應(yīng)有關(guān)，即與土的靈敏度有關(guān)，靈敏度越高的土層其側(cè)阻降低越大。前述提到，V2樁采用了沖擊+反循環(huán)工藝，其成孔耗時(shí)8天，這無(wú)疑會(huì)放大松弛效應(yīng)，特別是對(duì)于無(wú)粘聚性的砂土和碎石類(lèi)土有著不可忽視的影響。因此僅根據(jù)土層的物理力學(xué)特征確定樁側(cè)土阻力有一定不足，對(duì)于深長(zhǎng)樁即使物理力學(xué)性質(zhì)相近，由于土層埋深不同，其側(cè)阻也會(huì)表現(xiàn)出很大的差異。

2.3 樁側(cè)阻力與樁土相對(duì)位移變化的關(guān)系

樁側(cè)阻力的發(fā)揮需要樁土間產(chǎn)生一定的相對(duì)位移，且隨著相對(duì)位移的增加，樁側(cè)土阻力逐步發(fā)揮直至達(dá)到極限。另外，側(cè)阻力的發(fā)揮與樁徑、施工工藝、土層性質(zhì)及分布位置有關(guān)。據(jù)圖4可知，樁土相對(duì)位移與側(cè)阻力的關(guān)系呈現(xiàn)幾個(gè)特點(diǎn)：1）除強(qiáng)風(fēng)化巖外，其余各土層在樁土相對(duì)位移小于5～10 mm時(shí)，即側(cè)阻力早期增長(zhǎng)較快，而當(dāng)樁土相對(duì)位移繼續(xù)增加時(shí)，側(cè)阻力增加幅度明顯趨緩，顯示樁側(cè)土阻力已接近極限值；2）嵌巖段強(qiáng)風(fēng)化巖的側(cè)阻在荷載較小時(shí)近乎為零，而當(dāng)樁土之間一旦產(chǎn)生相對(duì)位移，側(cè)阻力的增幅遠(yuǎn)較上部土層要快，在樁土相對(duì)位移達(dá)到10 mm后，增幅開(kāi)始逐步回落，但仍有一定的增長(zhǎng)空間。

圖4 樁土相對(duì)位移與側(cè)阻力關(guān)系曲線

2.4 樁身壓縮與樁端位移關(guān)系

隨著樁頂荷載的增加，樁頂變形逐漸增大，該部分變形包含樁身壓縮和樁土相對(duì)位移兩部分。樁土相對(duì)位移又包含樁側(cè)樁土相對(duì)位移和樁端位移。從圖5可以看出，在荷載小于10 000 kN時(shí)，樁頂變形主要由樁身壓縮引起。加載后期，樁身壓縮變形呈一直線，表征在荷載作用下，樁身仍處于彈性變形階段。在荷載大于12 000 kN后，樁端位移量快速增加，曲線走勢(shì)與樁頂變形基本同步。這主要是增加的荷載已傳遞到樁端，導(dǎo)致了樁端位移的快速增加。

圖5 樁身壓縮量和樁端位移關(guān)系曲線

2.5 樁端阻力隨樁頂荷載、樁端位移的變化

樁端阻力的大小、承擔(dān)比例能反映出大直徑深長(zhǎng)樁的承載性狀。圖6顯示，在荷載小于10 000 kN時(shí)，樁端阻力幾乎為零，而后隨著荷載增加，樁端承載力快速增大，但與樁頂荷載相比而言，其荷載承擔(dān)比僅為9.4 %。由此可見(jiàn)，樁頂荷載主要是由樁側(cè)土阻力來(lái)承擔(dān)，而樁端占比較小，呈現(xiàn)出明顯的摩擦型樁的性狀。

圖6 各級(jí)荷載下樁端阻力變化

圖7 樁端位移與端阻力發(fā)揮值關(guān)系曲線

圖7顯示，在上部荷載作用下，樁端阻力和樁端位移基本呈線性關(guān)系，忽略樁底沉渣的影響，可知樁端土處于彈性變形階段，端阻力的發(fā)揮尚有很大空間。圖6、圖7說(shuō)明：對(duì)大直徑深長(zhǎng)樁樁端主要起控制沉降作用，而非承擔(dān)上部荷載，因此在設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)此類(lèi)樁也可采用后注漿等其它工藝改善樁端土性質(zhì)從而優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。

3 結(jié)語(yǔ)

1）對(duì)于深長(zhǎng)泥漿護(hù)壁鉆孔灌注樁，其荷載傳遞與摩擦型樁相似，即側(cè)阻優(yōu)于端阻發(fā)揮，端阻分擔(dān)較小。

2）不同的施工工藝對(duì)大直徑深長(zhǎng)樁的承載性狀有著較大的影響，要選擇對(duì)樁側(cè)土體應(yīng)力釋放影響小和產(chǎn)生泥皮厚度薄的施工工藝，從而保證樁身承載力不降低。

3）對(duì)大直徑深長(zhǎng)樁，嵌巖樁端的承載作用較小，若施工過(guò)程中控制好泥皮厚度，樁頂沉降符合要求的前提下，在樁端嵌入強(qiáng)風(fēng)化巖一定深度即可，或改用后壓漿等其他工藝也可達(dá)到設(shè)計(jì)要求。