大直徑擴(kuò)底灌注樁抗壓承載力試驗(yàn)研究

毛宗原，徐文武，馬 驥，郭 豪

(1.中國建筑技術(shù)集團(tuán)有限公司，北京 100013；2.北京京投興業(yè)置業(yè)有限公司，北京 100097)

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，高層建筑、大跨橋梁和大型車站的建設(shè)不斷增多，對建筑基礎(chǔ)承載力的要求越來越高。樁基礎(chǔ)是一種能夠充分利用深層地基土承載力，將樁所承受的荷載傳遞到更深、更密實(shí)的地基持力層上的基礎(chǔ)形式。對于高層建筑、大型橋梁和車站而言，樁基礎(chǔ)是一種既能滿足要求又經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)形式。目前，我國已經(jīng)向著大直徑深長等直徑樁、擴(kuò)底樁和預(yù)應(yīng)力樁進(jìn)行研究，但是對于大直徑深長擴(kuò)底灌注樁的現(xiàn)場試驗(yàn)研究還較少，其荷載傳遞形式還沒有較多的數(shù)據(jù)支持。因此，通過現(xiàn)場試驗(yàn)研究大直徑深長擴(kuò)底灌注樁的受力形式和荷載傳遞機(jī)理對樁基理論的發(fā)展、擴(kuò)底樁的設(shè)計(jì)方法以及工程的實(shí)際應(yīng)用有巨大幫助。通過對砂土中大直徑深長灌注樁和擴(kuò)底樁現(xiàn)場靜載荷試驗(yàn)結(jié)果分析，研究大直徑灌注樁和擴(kuò)底樁承載特性和荷載傳遞機(jī)理。

1 工程概況

試驗(yàn)場地位于通州區(qū)芙蓉路以東、玉帶河大街以西、京哈南側(cè)路以南、城際聯(lián)絡(luò)線南側(cè)用地邊線以北，場地為北京城市副中心綜合交通樞紐試驗(yàn)場地。該試驗(yàn)場地打設(shè)4根試驗(yàn)樁為混凝土灌注樁，其中等直徑樁(SZ1-15,SZ1-19)樁徑為2 400mm，有效樁長為71.6m(樁頂標(biāo)高為15.100m，樁底標(biāo)高為-56.500m)，樁頭露出地面600mm，樁身混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級為C40(水下)；擴(kuò)底樁(SZ2-17,SZ2-18)樁徑為2 400mm，擴(kuò)底直徑為3 500mm，有效樁長為71.6m(樁頂標(biāo)高為15.100m，樁底標(biāo)高為-56.500m)，樁頭露出地面600mm，樁身混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級為C40(水下)。試驗(yàn)樁詳細(xì)設(shè)計(jì)信息如表1所示，擴(kuò)底樁結(jié)構(gòu)如圖1所示，試樁平面位置如圖2所示。

表1 試驗(yàn)樁參數(shù)

圖1 擴(kuò)底樁示意

圖2 試樁平面位置示意

試樁均為旋挖成孔灌注樁，試樁成孔后采用成孔質(zhì)量檢測儀進(jìn)行成孔質(zhì)量檢測。試樁澆筑完成并破除樁頭后采用超聲波法和低應(yīng)變法檢測樁身完整性，每根樁制作鋼筋籠時緊貼鋼筋籠內(nèi)壁放置4根聲測管，內(nèi)徑≥4cm。在樁底和樁側(cè)45m范圍進(jìn)行后注漿，在制作鋼筋籠時將4根聲測管與樁端注漿閥焊接在一起兼作樁端注漿管，在樁側(cè)綁扎3根樁側(cè)后注漿管，布置形式如圖3所示。

圖3 聲測管布置

單樁豎向抗壓承載力試驗(yàn)按JGJ 106—2003《建筑基樁檢測技術(shù)規(guī)范》、JGJ94—2008《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》和DB32/T291—1999《樁承載力自平衡測試技術(shù)規(guī)程》進(jìn)行，采用錨樁堆載聯(lián)合法檢測單樁豎向抗壓極限承載力。試驗(yàn)前需要在樁頂制作抗壓樁頭，樁頭高出樁頂標(biāo)高600mm，用厚10mm的鋼板圍裹，樁頭范圍內(nèi)設(shè)水平箍筋，頂部設(shè)10層鋼筋網(wǎng)片，間距為250mm，用C60混凝土澆筑，并用高強(qiáng)度等級砂漿將樁頂抹平。試驗(yàn)過程中利用樁頂上部堆載和錨樁抗拔力提供試驗(yàn)樁豎向壓力，加載方式為液壓千斤頂(高壓油泵)，加載值由靜荷載測試分析儀測讀，單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)加載分為14級。

試驗(yàn)過程中在樁頂架設(shè)4個位移傳感器測讀試點(diǎn)的沉降量。采用應(yīng)力計(jì)進(jìn)行樁身內(nèi)力檢測，樁身內(nèi)力測試與抗拔靜載試驗(yàn)同步進(jìn)行，鋼筋應(yīng)變量于每級荷載作用下穩(wěn)定后用儀器測量其應(yīng)變值，計(jì)算應(yīng)變計(jì)斷面處樁身軸力及樁側(cè)土的分層側(cè)阻力。應(yīng)變計(jì)安裝共分16個剖面，每個剖面對稱安裝4個應(yīng)變計(jì)。

試驗(yàn)過程中采用慢速維持荷載法，SZ1-15加載至60 000kN時停止加載，SZ1-19加載至57 000kN時停止加載，SZ2-17加載至66 500kN時停止加載，SZ2-18加載至70 000kN時停止加載。每級荷載加荷后按第5，15，30，45，60min測讀樁頂沉降量，以后每30min測讀一次。每1h內(nèi)的樁頂沉降量不超過0.1mm，并連續(xù)超過2次時，表示樁頂沉降達(dá)到相對穩(wěn)定，可以施加下一級荷載。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 Q-s曲線分析

Q-s曲線代表樁頂沉降隨樁頂荷載增大而變化的曲線，直接反應(yīng)單樁在豎向荷載作用下的沉降變化。SZ1-15，SZ1-19，SZ2-17和SZ2-18試樁的Q-s曲線如圖4所示。

圖4 試樁Q-s曲線

由圖4可以看出，試樁SZ1和SZ2的Q-s曲線形式是相同的，都是在剛開始加載時頂部沉降緩慢增加，隨著豎向荷載的增加頂部沉降增量也逐漸增大，試樁Q-s曲線呈緩變型。試樁SZ1和SZ2的沉降增長速度不同，在豎向荷載為40 000kN左右時，試樁SZ1和SZ2的Q-s曲線開始出現(xiàn)明顯的分化，相同荷載下試樁SZ1的沉降量和沉降增量比試樁SZ2大。

根據(jù)試樁Q-s曲線和試樁s-lgt曲線可以得出，試樁SZ1-15,SZ1-19,SZ2-17和SZ2-18的單樁抗壓極限承載力和對應(yīng)的最大沉降量如表2所示。對比SZ1和SZ2型試樁試驗(yàn)結(jié)果可以看出，擴(kuò)底樁單樁抗壓極限承載力比SZ1-15大6 500～10000kN，承載力提高了10.8%～16.7%；擴(kuò)底樁單樁抗壓極限承載力比SZ1-19大9 500～13 000kN，承載力提高了16.7%～22.8%。

表2 試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)Q-s曲線和試驗(yàn)結(jié)果可以看出，擴(kuò)底樁增加了單樁豎向抗壓承載力，而且減小了同荷載條件下樁頂沉降量，使單樁Q-s曲線呈現(xiàn)更平穩(wěn)的變化。

2.2 試樁軸力分布

觀察試樁SZ1-15，SZ1-19，SZ2-17和SZ2-18試的軸力分布可以看出(見圖5，表3)，等直徑樁和擴(kuò)底樁樁身軸力均呈現(xiàn)上大下小的分布，在樁頂部位軸力最大，隨著深度的增加逐漸減小，在樁身深度-26.000m處減小加快。比較不同荷載等級下的樁身軸力，發(fā)現(xiàn)樁承受壓力都是先激活上部樁土側(cè)摩阻力，再激活下部樁土側(cè)摩阻力和樁端阻力，樁身阻力的發(fā)揮是不同步的。

圖5 極限承載力下樁身軸力

表3 試樁樁身軸力 kN

比較試樁在極限承載力下的樁身軸力曲線可以看出，等直徑樁樁身軸力比擴(kuò)底樁整體要小5 000kN左右，并且在上半部分樁身軸力變化差異較大，在樁身深度-3.000～-26.000m，試樁SZ1-15,SZ1-19,SZ2-17和SZ2-18樁身軸力分別減少了8 441,8 425,10 362kN和10 415kN，擴(kuò)底樁樁身軸力減小量約是等直徑樁的1.23～1.24倍；而在樁身深度-26.000～-72.000m，試樁SZ1-15,SZ1-19,SZ2-17和SZ2-18樁身軸力分別減少了35 807,34 110,36 919kN和37 427kN，擴(kuò)底樁樁身軸力減小量約是等直徑樁的1.03～1.10倍，減小比例相對于-3.000～-26.000m段有明顯降低。由此可以看出，與等直徑樁相比，擴(kuò)底樁增大了樁身-3.000～-26.000m段的樁側(cè)承載力，改善了樁身受力形式。

試樁SZ1-15,SZ1-19,SZ2-17和SZ2-18樁底應(yīng)力計(jì)讀數(shù)分別為15 206,13 895,18 618kN和21 620kN，擴(kuò)底樁SZ2-17樁底承載力比等直徑樁SZ1-15和SZ1-19分別增長了3 412kN和4 723kN，增長比例為22.4%和34.0%；擴(kuò)底樁SZ2-18樁底承載力比等直徑樁SZ1-15和SZ1-19分別增長了6 414kN和7 725kN，增長比例為42.2%和55.4%。由此可以看出，樁底擴(kuò)大頭部分將樁端承載力提高了20%～50%，有效增強(qiáng)了單樁極限抗壓承載力。

2.3 樁側(cè)摩阻力分析

樁側(cè)摩阻力是通過計(jì)算樁身各截面軸力之差再除以截面之間的樁側(cè)面積計(jì)算出的單位面積上樁身所受的摩擦力。由圖6和表4可以看出，在極限荷載作用下試樁SZ1-15,SZ1-19,SZ2-17和SZ2-18在樁身深度-2.100～-25.100m段樁側(cè)摩阻力平均值約為46.92,46.99,57.27kPa和57.22kPa，而在-25.100～-71.100m段樁側(cè)摩阻力平均值約為103.29,98.4,106.5kPa和107.97kPa，試樁樁身深度-2.100～-25.100m段樁側(cè)摩阻力約為-25.100～-71.100m段樁側(cè)摩阻力的一半，由此看來試樁主要是由樁身中下部來提供反力的。

圖6 試樁極限摩阻力

表4 試樁極限側(cè)摩阻力 kN

擴(kuò)底樁SZ2-17和SZ2-18在樁身深度-2.100～-25.100m段摩阻力比試樁SZ1-15和SZ1-19大10.3kPa左右，樁側(cè)摩阻力增長比例為22%；而在樁身深度-25.100～-71.100m段摩阻力比試樁SZ1-15和SZ1-19大6.4kPa左右，增長比例為6.4%。由此可以看出，擴(kuò)底樁上部樁身的側(cè)摩阻力明顯增大，而對中下部樁身側(cè)阻力影響較小，這說明擴(kuò)底樁使樁側(cè)阻力有所增加，并且增長比例不同。這是因?yàn)閿U(kuò)底樁增大了樁端阻力，限制了樁身與樁側(cè)土體的相對位移，結(jié)合樁土界面黏結(jié)滑移性質(zhì)和黏結(jié)滑移曲線(見圖7)可知，樁身軸力較大已經(jīng)超過峰值黏結(jié)應(yīng)力處于滑移段，與等直徑樁相比擴(kuò)底樁樁底擴(kuò)大頭增大了樁端阻力，限制了樁身的位移(尤其是樁頂?shù)奈灰?，在滑移段產(chǎn)生較小的位移，對應(yīng)到典型黏結(jié)應(yīng)力-滑移曲線上可以看出其黏結(jié)應(yīng)力較大，所以擴(kuò)底樁樁頂部位摩阻力有明顯的增加,樁身中下部摩阻力有少量增加，樁身結(jié)構(gòu)受力形式得到改善。

圖7 樁土黏結(jié)應(yīng)力-滑移曲線示意

3 結(jié)語

1)等直徑樁和擴(kuò)底樁樁頂沉降在剛開始加載時相差不大，樁頂沉降變化緩慢，Q-s曲線呈緩變型。樁身受壓過程中，隨著豎向荷載的增加樁頂沉降逐漸增大，樁頂沉降增量也增大。

2)相較于等直徑樁，擴(kuò)底樁單樁豎向抗壓承載力提高了10.8%～22.8%，而且減小了同荷載條件下樁頂沉降量，使單樁Q-s曲線呈現(xiàn)更平穩(wěn)的變化。

3)樁承受壓力都是先激活上部樁土側(cè)摩阻力，再激活下部樁土側(cè)摩阻力和樁端阻力，樁身阻力的發(fā)揮是不同步的。

4)與等直徑樁相比擴(kuò)底樁增大了樁身上部的樁側(cè)承載力，將樁端承載力提高了20%～50%，有效增強(qiáng)了單樁極限抗壓承載力，改善了上部樁身受力形式。

5)試樁上部樁身側(cè)阻力為中下部樁身的一半左右，樁身反力主要是由樁身中下部來提供的。相對于等直徑樁，擴(kuò)底樁上部樁身的側(cè)摩阻力提高了22%，而中下部樁身側(cè)摩阻力提高了6.4%。結(jié)合典型黏結(jié)應(yīng)力-滑移曲線可知，樁身軸力較大處于滑移段，擴(kuò)底樁增大了樁端阻力，限制了樁身的位移(尤其是上部樁身的位移),使樁土黏結(jié)應(yīng)力增大，所以擴(kuò)底樁樁頂部位摩阻力有明顯的增加，樁身中下部摩阻力有少量增加，樁身結(jié)構(gòu)受力形式得到改善。

6)擴(kuò)底樁施工工期與單位造價與等直徑樁相差不大，而單樁抗壓承載力則提高了10.8%～22.8%，樁端阻力提高了20%～50%，樁頂側(cè)阻力提高了22%，改善了單樁受力形式，其承載特性表現(xiàn)為端承摩擦樁；并且同荷載條件下擴(kuò)底樁的沉降量比等直徑樁有所減小。