陜北地區(qū)鉆孔灌注樁承載特性試驗(yàn)研究

馬文龍，牛 兵，蘇立保，白逸潔，張曉波

(1.機(jī)械工業(yè)勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西 西安 710043； 2.陜西中機(jī)巖土工程有限責(zé)任公司，陜西 西安 710043)

1 概述

鉆孔灌注樁由于其樁身剛度大、承載力高、地層適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)在樁基礎(chǔ)中得到廣泛的使用，并在減少上部結(jié)構(gòu)沉降、提高地基承載力等方面發(fā)揮著明顯的作用[1]，因此成為高層建筑等眾多工程建設(shè)重要的基礎(chǔ)形式。

近年來，我國眾多學(xué)者對(duì)鉆孔灌注樁承載特性進(jìn)行了深入研究，并取得了一定的研究成果。桑偉鋒[2]開展大直徑鉆孔灌注樁大噸位豎向單樁靜載試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)大直徑超長鉆孔灌注樁樁側(cè)摩阻力的發(fā)揮與土層性質(zhì)、土層埋深及樁頂荷載水平有關(guān)；趙升峰[3]在南京河西地區(qū)開展現(xiàn)場載荷試驗(yàn)，對(duì)大直徑超長鉆孔灌注樁的承載特性及荷載傳遞機(jī)理進(jìn)行了分析，結(jié)果表明該試樁表現(xiàn)出摩擦型樁特征，且樁側(cè)摩阻力與樁端阻力呈現(xiàn)出異步發(fā)揮的特征；陳旻[4]在深厚軟土地區(qū)進(jìn)行大直徑鉆孔灌注樁靜載試驗(yàn)，對(duì)軟土中持力層為卵石的超長樁的承載性狀和荷載傳遞機(jī)理展開研究，發(fā)現(xiàn)靠近樁端的側(cè)摩阻力弱化及強(qiáng)化現(xiàn)象均有出現(xiàn)，適當(dāng)提高樁身混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度,增大樁身剛度，減少樁身壓縮量，可充分發(fā)揮樁身下部土層的樁側(cè)摩阻力和樁端阻力，并減少樁側(cè)阻力弱化現(xiàn)象，研究結(jié)果積累了該地區(qū)樁基設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)；呂鵬飛[5]以高承載力鉆孔灌注樁為研究對(duì)象，通過現(xiàn)場試驗(yàn)、理論分析、有限元模擬相結(jié)合，對(duì)鉆孔灌注樁的承載性能、荷載傳遞和側(cè)摩阻力進(jìn)行研究[6]。

本文以陜西省榆林市某工程為依托，開展大直徑鉆孔灌注樁單樁豎向抗壓靜載荷試驗(yàn)和樁身軸力測試試驗(yàn)研究，試驗(yàn)結(jié)果對(duì)該地區(qū)的工程設(shè)計(jì)及施工有一定的指導(dǎo)意義。

2 工程概況

試驗(yàn)區(qū)位于陜西省榆林市靖邊縣，場地地貌單元屬于低緩黃土梁、峁，屬毛烏素沙漠的南緣，地形起伏較大，整體地形大致為東西走向的黃土(沙)梁和梁間洼地組成，微地貌地勢大致由西南向東北傾斜，地面高程大約在1 247.5 m～1 319.7 m之間，最大高差約70 m。

各地層的物理力學(xué)指標(biāo)如表1所示。

表1 土層物理力學(xué)參數(shù)

3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及方案

本次現(xiàn)場試驗(yàn)共設(shè)3組，3根試驗(yàn)樁編號(hào)分別為SZ1,SZ2和SZ3，樁身混凝土等級(jí)C35，其他試樁具體參數(shù)見表2，平面布置圖見圖1，3根試驗(yàn)樁均進(jìn)行單樁豎向抗壓靜載荷試驗(yàn)，對(duì)SZ1和SZ3進(jìn)行樁身軸力測試試驗(yàn)，具體試驗(yàn)方案如表2所示。

表2 試樁參數(shù)

3.1 單樁豎向抗壓靜載荷試驗(yàn)

單樁豎向抗壓靜載荷試驗(yàn)由加載裝置、反力裝置、荷載測量和沉降觀測四部分組成。試驗(yàn)加載采用3臺(tái)5 000 kN油壓千斤頂并聯(lián)工作，千斤頂合力中心與樁軸線重合，加載控制采用JCQ-500FM型油泵流量控制器自動(dòng)控載；加載反力裝置采用錨樁橫梁反力裝置，主梁2根、副梁2根，每根試樁用4根錨樁提供反力；荷載測量由接在千斤頂進(jìn)油口的油壓傳感器完成；沉降測量由對(duì)稱安置在樁頭兩個(gè)方向的位移傳感器進(jìn)行測讀(見圖2)。試驗(yàn)采用慢速維持荷載法進(jìn)行加卸載，試驗(yàn)按照J(rèn)GJ 106—2014建筑基樁檢測技術(shù)規(guī)范相關(guān)規(guī)定執(zhí)行。

3.2 樁身軸力測試試驗(yàn)

本次試樁樁身軸力測試采用鋼筋應(yīng)力計(jì)。對(duì)SZ1和SZ3進(jìn)行樁身應(yīng)力測試，在兩根試樁鋼筋籠制作的同時(shí)，在兩根對(duì)稱的主筋上焊接、安裝應(yīng)力計(jì)。SZ1,SZ3分別布置鋼筋應(yīng)力計(jì)26個(gè),24個(gè)。應(yīng)力計(jì)采用丹東市丹東三達(dá)儀表有限公司生產(chǎn)的GJL-2(Ф14和Ф22)型鋼弦式傳感器。

靜載試驗(yàn)開始前，采用GPC-2型鋼弦頻率檢測儀對(duì)鋼筋應(yīng)力計(jì)進(jìn)行量測，至少量測3次～4次，以便對(duì)結(jié)果進(jìn)行修正。單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)加載前一個(gè)小時(shí)測讀一次，作為頻率初值。以后每級(jí)加載沉降穩(wěn)定后測讀一次，直至全部荷載加完為止。

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 單樁豎向載荷試驗(yàn)結(jié)果分析

圖3為SZ1,SZ2和SZ3靜載試驗(yàn)后所繪制的荷載-沉降(Q-s)曲線。SZ1與SZ2樁Q-s曲線均為緩變型，無明顯的陡降段，SZ1在上部荷載達(dá)13 000 kN時(shí)，終止加載，累計(jì)沉降量約為13.60 mm，卸載后殘余沉降為3.83 mm，最大回彈量為9.77 mm，回彈率71.8%；SZ2在上部荷載為12 000 kN時(shí)，終止加載，累計(jì)沉降14.76 mm，卸載后殘余沉降3.69 mm，最大回彈量11.07 mm，回彈率75.0%；SZ3在上部荷載為12 000 kN時(shí)，終止加載，累計(jì)沉降量達(dá)20.02 mm，卸載后殘余沉降為7.86 mm，最大回彈量12.16 mm，回彈率60.7%，從其Q-s曲線形態(tài)可以看出，當(dāng)上部荷載為12 000 kN時(shí)，曲線尾部變陡，沉降量明顯增加，但s-lgt曲線尾部未出現(xiàn)明顯向下彎曲，最后一級(jí)荷載沉降達(dá)6.26 mm，占總沉降量31.3%。3根試驗(yàn)樁回彈率在60.7%～75.0%之間，說明樁土體系仍然在彈性工作范圍內(nèi)，并未進(jìn)入破壞狀態(tài)，仍然具有較大的承載潛力。按照J(rèn)GJ 106—2014建筑基樁檢測技術(shù)規(guī)范確定，SZ1，SZ2和SZ3的單樁豎向抗壓極限承載力分別取13 000 kN，12 000 kN和12 000 kN。

3根試驗(yàn)樁的抗壓極限承載力的平均值12 333 kN，其極差不超過平均值的30%，因此根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，試樁區(qū)的單樁豎向抗壓極限承載力取值為12 333 kN，單樁豎向抗壓承載力特征值6 166.5 kN?？紤]到將來工程樁大面積施工時(shí)，從成孔、灌注等各個(gè)施工環(huán)節(jié)的控制，與試樁工況相比，對(duì)于整個(gè)工程質(zhì)量的控制均屬于不利因素，結(jié)合樁頂實(shí)際標(biāo)高，綜合建議工程區(qū)的單樁豎向抗壓極限承載力取值為10 000 kN，單樁豎向抗壓承載力特征值取值為5 000 kN。

4.2 樁身軸力測試試驗(yàn)結(jié)果分析

4.2.1 樁身軸力分布特征

為方便在試驗(yàn)后對(duì)樁的軸力以及側(cè)摩阻力進(jìn)行計(jì)算，做出以下規(guī)定與假設(shè)：1)樁身材料表現(xiàn)出線彈性特征；2)樁身截面面積相等；3)鋼筋與混凝土澆筑后組成整體，兩者應(yīng)變協(xié)調(diào)。

采用式(1)～式(3)對(duì)樁的軸力以及每段地層的側(cè)摩阻力進(jìn)行計(jì)算：

(1)

Ni=σhiA

(2)

(3)

其中，E為試樁彈模；Eg為鋼筋彈模；Ag為鋼筋截面積；A為試樁截面積；D為樁直徑；qs為每段地層Hi的側(cè)摩阻力；ΔNi為地層上下界面的軸力差。

圖4(a)，圖4(b)是SZ1和SZ2在各級(jí)荷載下所繪制的樁身軸力曲線，由圖4可以看出，在各級(jí)荷載作用下，樁身軸力均表現(xiàn)為隨深度增加而減小，這充分說明了樁身軸力是自上而下逐步發(fā)揮的。在同一荷載下，軸力曲線基本是一條直線段，說明當(dāng)荷載一定時(shí)，樁身軸力隨深度呈線性方式減小。對(duì)比不同荷載下的軸力曲線斜率，發(fā)現(xiàn)曲線斜率隨荷載增加逐漸減小，曲線的斜率可以反映樁身側(cè)摩阻力的變化，具體為曲線斜率越小，樁身側(cè)摩阻力越大，反之則側(cè)摩阻力越小。試驗(yàn)加載初期，樁頂上部荷載較小，樁身側(cè)摩阻力較小，曲線斜率相對(duì)較大，隨著上部荷載逐漸增加，曲線逐漸變緩，樁身側(cè)摩阻力開始逐漸發(fā)揮作用，當(dāng)加載至極限荷載時(shí)曲線斜率最小，樁側(cè)摩阻力發(fā)揮最充分。隨上部荷載的增加，樁端阻力也開始逐漸發(fā)揮作用，對(duì)于SZ1，當(dāng)上部荷載為2 000 kN時(shí)，樁端阻力所承擔(dān)荷載百分比僅為2.27%，約45.40 kN；上部荷載為13 000 kN時(shí)，樁端阻力所占極限荷載百分比上升至12.46%，達(dá)1 619.80 kN。對(duì)于SZ3試驗(yàn)樁，開始加載荷載2 000 kN時(shí)，樁端阻力所承擔(dān)百分比為2.73%，約54.60 kN；當(dāng)上部荷載加至極限荷載12 000 kN，樁端阻力所占極限荷載百分比提高到10.88%，1 305.60 kN。

圖5是各級(jí)荷載下試樁樁端與樁側(cè)荷載分擔(dān)比示意圖，可以看出，SZ1與SZ3的荷載分擔(dān)基本表現(xiàn)出相同的規(guī)律，即隨著上部荷載的增加，樁端阻力所占百分比逐漸提高，樁側(cè)摩阻力所占百分比緩慢下降。當(dāng)上部荷載在4 000 kN～10 000 kN時(shí)，SZ3的樁端分擔(dān)比曲線在SZ1上部，說明在此加載范圍內(nèi)SZ1的樁端阻力先于SZ3發(fā)揮作用，出現(xiàn)這樣的原因主要是因?yàn)槎咧g的地層雖然大致相同，但是地層力學(xué)性質(zhì)之間存在細(xì)微差別。當(dāng)上部荷載加載至最大時(shí)，SZ1與SZ3樁端阻力作用均發(fā)揮到最大，但樁端阻力所占百分比僅在2.27%～12.46%，由此可知，兩根樁均為摩擦型樁，樁頂荷載是由樁側(cè)摩阻力與樁端阻力兩部分共同承擔(dān)的，當(dāng)樁頂荷載加載到一定程度后樁端阻力才開始發(fā)揮，且端阻力所占比例較小。

4.2.2 樁身側(cè)摩阻力分析

圖6(a)和圖6(b)是SZ1與SZ3在各級(jí)荷載作用下沿樁身不同深度的樁側(cè)摩阻力曲線圖。在上部荷載作用下，樁土之間產(chǎn)生相對(duì)位移，樁側(cè)摩阻力開始發(fā)揮作用。SZ1和SZ3二者樁側(cè)摩阻力曲線基本表現(xiàn)出相同的變化特征，即隨著深度的變化樁側(cè)摩阻力總體表現(xiàn)出階梯狀先增大然后又減小的特征。對(duì)二者試驗(yàn)曲線進(jìn)行對(duì)比后發(fā)現(xiàn)，SZ1在6 m～7.5 m時(shí)樁側(cè)摩阻力突然變大，SZ3的側(cè)摩阻力突變發(fā)生在7.5 m～10 m之間，對(duì)二者具體地層進(jìn)行分析，樁側(cè)摩阻力發(fā)生突變主要是由于上部土體與下部接觸層土體性質(zhì)存在差異，上部土層為粉砂層，下部為粉質(zhì)黏土，黏土相對(duì)砂層而言，土體中含較多的黏土礦物，內(nèi)摩擦角及黏聚力存在明顯差異，相同的樁土接觸面積黏土層所發(fā)揮的側(cè)摩阻力明顯大于砂土層。SZ1和SZ2，分別在7.5 m～19 m和11 m～18 m深度范圍內(nèi)，樁側(cè)摩阻力曲線幾乎為豎直線，說明樁側(cè)摩阻力隨深度的變化很小，對(duì)二者樁側(cè)摩阻力曲線豎直段所在地層進(jìn)行分析，SZ1和SZ2在豎直段地層均為⑥層粉土，對(duì)同一試驗(yàn)樁，當(dāng)?shù)貙酉嗤瑫r(shí)，與樁體周圍接觸的土體的力學(xué)性質(zhì)相近，樁側(cè)摩阻力變化較小。隨深度增加，樁側(cè)摩阻力先緩慢增加然后到一定深度后開始減小。在同一深度，隨著荷載的增加，側(cè)摩阻力逐漸變大，這與軸力分布曲線斜率隨荷載增加而減小相對(duì)應(yīng)。

5 結(jié)論

以陜西省榆林市某工程為依托，進(jìn)行大直徑鉆孔灌注樁單樁靜載荷試驗(yàn)及樁身軸力測試試驗(yàn)，并對(duì)兩種試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，得到如下結(jié)論：

1)3根試驗(yàn)樁在上部荷載作用下，沉降量介于13.6 mm～20.02 mm之間，卸荷后回彈率在60%～75%之間，說明樁土體系仍然在彈性工作范圍內(nèi)，并未進(jìn)入破壞狀態(tài)，仍然具有較大的承載潛力。

2)試樁區(qū)的單樁豎向抗壓極限承載力取值為12 333 kN，單樁豎向抗壓承載力特征值6 166.5 kN，考慮綜合因素，建議工程區(qū)的單樁豎向抗壓極限承載力取值為10 000 kN，單樁豎向抗壓承載力特征值取值為5 000 kN。

3)試樁的側(cè)摩阻力表現(xiàn)出自上而下逐步發(fā)揮的特征，且側(cè)阻力的發(fā)揮受到土層物理力學(xué)性質(zhì)的影響，在土層性質(zhì)相近時(shí)側(cè)摩阻力隨深度變化較小，反之則變化明顯。

4)試樁的樁側(cè)摩阻力與樁端阻力表現(xiàn)出異步發(fā)揮，互相耦合的特征，且樁端阻力占總荷載的百分比隨荷載增加而變大，但是樁端阻力分擔(dān)比僅在2.27%～12.46%之間，表現(xiàn)出明顯的摩擦樁特征。