冲孔灌注桩和PHC管桩竖向承载性能对比试验研究

朱杰清，陈美洛，江 丰，黄文义

(福建省电力勘测设计院，福建福州 350000)

近年来，我国在东南沿海地区广泛兴建大型火电厂，为了满足工程的需要，地基土往往要承受大面积的堆载作用。为了使地基承载力达到建筑荷载的要求，在电厂建设中广泛采用桩基础。而在众多的桩基中，冲孔灌注桩和PHC管桩的应用较为广泛。因此，对比研究这两种桩的承载性能很有必要。

到目前为止，已有不少前人对灌注桩和PHC管桩各自的竖向承载性能进行过研究和总结。如宋建军［1］，曹称宇［2］，施峰［3］，朱向荣［4］，徐洪涛［5］等人分别对管桩和灌注桩的竖向承载性能进行分析研究，而这些研究中都只针对一种桩，对比冲孔灌注桩和PHC管桩竖向承载性能的研究则很少。因此，有必要开展这方面的相关研究。

1 试验概况

本文来源于工程实践，即莆田某电厂试桩工程，电厂规划建设8台350 MW联合循环机组，本期建设4台350 MW联合循环机组，属重要大型电厂。为确定适合电厂场地的桩基形式及各岩土层桩基设计指标，故进行基桩试验。

1.1 桩基参数和地质条件

各岩土层物理力学指标如表1，试桩参数见表2。

1.2 试验方法

单桩竖向抗压静载试验采用慢速维持荷载法，逐级施加荷载，每级荷载达到相对稳定后加下一级荷载，直至试验终止，然后分级卸载到零。具体作法参照《建筑基桩检测技术规范》JGJ 106—2003及《建筑桩基技术规范》JGJ 94—94有关要求制定。

表1 各土层物理力学性能指标汇总

表2 试桩参数

2 试验结果与分析

因篇幅所限，本文分别取冲孔灌注桩的S1-2桩，S4-1桩和PHC管桩的S2-1桩的数据为例，进行分析。典型的Q -S曲线见图1和图2，侧摩阻力和端阻力统计见表3和表4。

图1 S1-2桩Q--S曲线示意

图2 S4-1桩Q- S曲线示意

表3 S1-2桩在各级荷载作用下的侧阻力与端阻力统计

表4 S4-1桩在各级荷载作用下的侧阻力与端阻力统计

2.1 冲孔灌注桩在竖向荷载作用下的承载特性

从S1-2桩的Q -S曲线图1可知，曲线形态属于陡降型，根据规范规定，确定该桩极限承载力为3 571 kN。该桩承载性质属摩擦桩，桩端承载力远低于设计预估值。据此推断:该桩桩端未在坚硬持力层中或桩端存在厚度较大的软弱层(如沉渣等)。从S4-1桩Q -S曲线图2可知，这根桩的Q -S曲线形态属于缓变型，根据规范规定，该桩极限承载力为10 000 kN，承载力特征值按其极限承载力一半为5 000 kN。

对比分析图1，图2和表1，表2可知:①第一组试桩S1-2的桩身应力总体比第四组试桩S4-1和S4-2低50%左右。②两组试桩桩身应力曲线相似，均随深度分布呈递减趋势。两者间的关系接近于线性，且各级荷载作用下的应力曲线接近平行。③第一组试桩的端阻力所占比例总体比第四组高，从前面的相关试验，进一步分析，第一组试桩桩端并没有进入设计的持力层，桩底的沉渣可能比较厚，导致桩侧摩阻力全部发挥，达到极限状态。接下来的桩顶荷载则全部由桩底承担，所以Q -S曲线中出现比较大的沉降，荷载无法维持稳定。④从承载性能上看，第一组试桩属于摩擦桩，第四组试桩则属于端承摩擦桩，地层情况相同，进一步证实第一组试桩桩端没有进入设计的持力层或桩底沉渣比较厚。

2.2 PHC管桩在竖向荷载作用下的承载特性

从图3可知，S2-1桩的Q -S曲线形态属于缓变型，根据规范规定，确定该桩极限承载力为4 666 kN。

图3 S2-1桩Q -S曲线示意

2.3 钻芯法试验

S1-2试桩钻孔总进尺34.22 m，检测桩长31.82 m，取混凝土芯样31.75 m，取芯率99.8%，桩混凝土芯样连续、完整，表面较光滑;芯样多呈中—长柱状，混凝土胶结较好，断口基本吻合;桩身2.84～4.01 m见宽约1～3 cm的蜂窝裂隙，裂隙面混凝土胶结差;芯样局部侧面见少量小气孔、小裂隙。

骨料为碎石，粒径约2～4 cm，分布基本均匀。

桩混凝土芯样试件抗压强度代表值fcu=30.5 MPa＞30.0 MPa，混凝土芯样试件抗压强度满足设计要求。

在钻进31.82～33.78 m时，无法钻取芯样，根据钻探循环水沉淀物和该桩旁边的补勘钻孔K1-2，应为花岗岩破碎带，岩性以中风化为主;33.78～34.22 m为中风化花岗岩，岩芯呈柱状，岩质坚硬、新鲜。

取芯及钻孔结果证实，该试桩桩底存在较大厚度的沉渣，下伏花岗岩破碎带，桩底距完整的中风化花岗岩顶面1.96 m。

S1-3试桩钻芯结果与S1-2桩类似。钻孔34.80 m，检测桩长28.53 m，取混凝土芯样28.45 m，取芯率99.7%，桩混凝土芯样连续、完整。

钻芯法综合分析结果:S1-2，S1-3桩桩身完整性为Ⅱ类桩，桩端持力层为强风化花岗岩，桩端入岩深度未达到设计要求。

3 结论

1)从3组试桩的Q -S曲线可知，进入桩端持力层的冲孔灌注桩极限承载力为10 000 kN，而两组PHC管桩的极限承载力的算术平均值分别为4 805 kN和3 140 kN，冲孔灌注桩的极限承载力比管桩要高。钻芯试验结果，说明第一组冲孔灌注桩极限承载力较低的原因是桩端没有进入设计的持力层或桩底沉渣比较厚。

2)两组PHC管桩的回弹率在70% ～80%左右，都很高，说明这两组桩的桩侧摩阻力和桩端阻力均未达到极限状态。第四组冲孔灌注桩的回弹也有35%左右，说明该桩处于弹性变形状态，承载力未发挥至极限，两种桩的单桩承载力都有一定的安全储备。

3)通过对比桩身侧摩阻力和端阻力分布，两组冲孔灌注桩属于摩擦桩，两组PHC管桩属于摩擦端承桩，说明PHC管桩的桩端持力层能充分发挥承载力作用，而冲孔灌注桩对桩端持力层的利用则没有那么充分。

4)两组冲孔灌注桩和两组PHC管桩的桩身应力曲线相似，均随深度分布呈递减趋势，两者间的关系接近于线性且各级荷载作用下的应力曲线接近平行。在各级荷载作用下，四组桩各截面处的桩身应力均随着荷载的增大而增大。

［1］ 宋建军．锤击预应力管桩单桩竖向承载力的试验研究［J］．工业建筑，1999，29(8):44-48．

［2］ 曹称宇．预应力混凝土大直径管桩轴向承载力计算［J］．水运工程，2000，322(11):13-14．

［3］ 施峰．PHC管桩荷载传递的试验研究［J］．岩土工程学报，2004，24(1):95-99．

［4］ 朱向荣，叶俊能，姜贤放，等．沉管灌注筒桩的承载特性浅析［J］．岩土工程学报，2003，25(5):538-542．

［5］ 徐洪涛，任胜建，张永秀．超长钻孔灌注桩承载能力可靠度研究［J］．铁道建筑，2010(6):44-46．