粗砂密实状态超长群桩承载性能试验分析

李俊伟 张 涛 尹可芳

1 概述

自从20世纪60年代大直径钻孔灌注桩采用以来，各国工程技术人员和科研工作者进行了大量的现场足尺试桩的加载测试工作，积累了大量试验数据和经验，从不同土质及其他条件提出了多种经验公式，试图解释和弄清桩在土中的工作性状和桩土共同工作机理。董金荣［1］通过四根超长桩的承载力试验研究表明，超长灌注桩的承载力与施工因素，特别是成桩工艺、成孔时间、泥浆比重、泥皮厚度、桩底沉渣、桩身强度有密切关系。张雁等［2］根据静载试验分析了持力层为残积土、强风化岩及弱风化岩超长桩的荷载—沉降特性，并指出桩端支撑条件严重影响桩侧各层土的侧摩阻力的发挥过程。张忠苗［3］基于现场静载试验的观测结果，详细研究分析了软土地基中超长大直径嵌岩桩的受力性状。Poulos［4］指出，无量纲参数长径比L/D对单桩的沉降影响比较大。在均质土层中，当L/D＞50时，由于持力层的影响而减小的桩基础的沉降不超过40%，即使持力层比上层土层硬很多(Eb/Es= 100);当Eb/Es=4时，这个值仅有10%。可见长径比L/D对桩的荷载传递性能有较大的影响。

2 试验模型及目的

2.1 模型试验槽

室内模型试验需要有一定规模的试验场地，通常采用模型箱或模型槽，装填用于试验用的地基土介质。模型箱的尺寸大小应使所设置的模型桩或桩基础同模型箱的侧壁和底部的距离满足内填的地基土介质为半无限体的条件;而对尺寸较大的试验桩或桩基础，应采用较大直径的试验坑。本试验的模型箱采用现浇钢筋混凝土制作，其尺寸为：3.0 m×3.0 m×4.3 m(长×宽×高)。

2.2 桩材料选择

总结国内外各种桩基模型试验以及在选用桩材料的一些基本原则：1)能比较模拟桩土的软硬差别;2)易于加工及设置测试元件;经过材料比选后决定采用有机玻璃棒。有机玻璃棒直径为40 mm，经过实验测定，其弹性模量为E=4.24×103MPa。

2.3 试验内容

试验内容见表1。

表1 试验内容

2.4 试验目的

模型试验主要探讨以下几方面的内容：

1)超长大直径钻孔灌注群桩的荷载传递机理;2)测定超长大直径钻孔灌注群桩各桩身轴力、摩阻力分布;3)测定超长大直径钻孔灌注群桩Q—s曲线。

2.5 试验原理

首先，在模型桩侧埋设应变片，用于测量桩身承载力;在承台上埋设不少于两个百分表，用于测量沉降。通过反力系统，对承台顶端进行加压。随着桩的沉降，桩身承载力提高，由地面上的静态电阻应变仪接收应变片的数据，同时读取桩承台的沉降。

2.6 加载方法

实验采用慢速维持荷载法。

3 试验结果分析

3.1 模型桩Q—s曲线分析

对于群桩，在桩—土相对变位比较大的情况下，Q—s曲线主要分为三部分：第一部分即为弹性变形阶段，在桩顶作用力相对较小时，此时的沉降比较小，沉降主要由桩身压缩组成，这一部分Q—s曲线呈直线型;当桩顶荷载逐渐增大，桩顶位移在每一级荷载下的位移比弹性阶段明显增大(见图1)，但是仍不能判定桩发生了破坏，这一阶段的沉降主要由桩端沉降和桩身压缩组成，侧摩阻力继续增大，而且比较明显，由于同时发生了桩身弹性变形和土的塑性变形，这一阶段可简称为弹塑变形阶段，如图2所示粗砂16桩(L=2.1 m)Q—s曲线，第二级～第七级荷载作用下，每一级下桩顶位移基本变化不大;第三阶段，随着荷载继续增大，桩顶位移相对第二阶段变化更大，但是每一级荷载下均能稳定，这一阶段主要发生土体塑性变形，桩端的向下位移比较大。由上面的试验结果可以总结出，在均匀密实粗砂中，超长桩Q—s曲线呈缓变型。

3.2 桩身轴力曲线分析

根据图3，图4中分析，可以得到以下几点结论：

1)对于高承台桩，在均匀密实粗砂中，桩身的轴力曲线是缓变型的，与在软土中的情况有些不同，刘春波等人［5］在软土中做的超长桩(低承台)试验表明，超长桩的桩身轴力随着深度逐步向下递减，桩身轴力上部明显大于下部，从图3可以看出，这个变化不是那么明显。

2)由桩身轴力图分析可得知，荷载在向下传递的过程中不断克服桩周土对桩身向上的侧摩阻力，在桩中以上，侧摩阻力变化相对于桩下段变化大，这说明，对于粗砂中的超长桩，其承载力还是主要由桩侧摩阻力来承担，这与传统理论是一致的，超长桩属于摩擦桩，由于本文研究的是桩—土大变位情况下的群桩，所以从轴力图中可以看出，桩端的轴力也是比较明显的。

3)桩身轴力沿着桩身向下呈现非线性衰减趋势，在小于极限荷载的各级荷载作用下轴力变化曲线近似平行，超过极限荷载轴力曲线发生较大的偏差，说明此时桩土受力体系已经趋于破坏。

4)从图4可以看出，在正常荷载作用下，桩0.5 m深度以上曲线斜率比较大，这部分桩侧阻力发挥完全，1 m深左右桩身轴力曲线接近直线，这是因为这段桩侧侧摩阻力较小，在接近桩端处，曲线斜率又增大，表明桩端处摩阻力变大。

3.3 桩侧摩阻力曲线分析

根据桩身各截面的轴力，可以求出每节桩的平均侧摩阻力。图5，图6为9桩和16桩群桩桩侧摩阻力沿桩长的分布图形。观察摩阻力分布图的形状可以发现：桩侧摩阻力沿桩长近似呈“R”形或锯齿形分布，“R”形分布即在桩的两端摩阻力发挥得较充分，而在桩的中部摩阻力较小，锯齿形分布是在桩身某些截面的摩阻力发挥较大，这主要取决于桩与土的接触性状。由于本次模型试验采用人工分层填土、分层夯实，在桩身附近某些部位，可能因土层压实度不够或压实度不均匀，造成桩身轴力在该位置附近沿桩长增加的现象，从而导致了在桩身某些截面的摩阻力出现负值的情况。

4 结语

1)超长大直径钻孔灌注桩群桩在本试验条件下Q—s曲线呈缓变型破坏。

2)对于超长大直径钻孔灌注桩群桩的Q—s曲线，一般可取s=40 mm～60 mm对应的荷载来作为极限承载力。

3)桩身轴力随着入土深度的增加，桩身轴力呈非线性衰减，在桩顶和桩端处桩身轴力衰减速率最大，在桩身中端衰减速率较小。

4)桩侧摩阻力沿桩长近似呈“R”形或锯齿形分布。

［1］ 董金荣.超长大直径钻孔灌注桩检测结果分析［J］.桩基工程设计与施工技术［M］.北京：中国建筑工业出版社，1994.

［2］ 张 雁.软土地基超长灌注桩承载力试验研究［A］.第七届全国土力学及基础工程学术会议论文集［C］.北京：中国建筑工业出版社，1994.

［3］ 张忠苗.基于桩顶与桩端沉降的钻孔桩受力性状研究［J］.岩土工程学报，1997，19(4)：88-93.

［4］ Poulos H.G.Analysis of the settlement of pile groups［J］.Geotechnique，1968，18(3)：449-471.

［5］ 刘春波.超长群桩大型模型试验研究［D］.重庆：重庆交通大学，2006.