单桩与带承台单桩承载性能的对比试验

罗少锋,杨文星

(1.西安建筑科技大学土木工程学院,陕西西安710055;2.西安科技大学建筑与土木工程学院,陕西西安710054)

地基土中单独的一根桩称为单桩,由2根以上桩组成的桩基称为群桩。竖向荷载作用下,由于桩、承台和土的相互作用,群桩中一根桩单独受荷时的承载性状往往与独立单桩的有显著区别。当群桩基础承受竖向荷载而沉降时,承台底面产生土反力并分担了部分荷载,提高了桩基的承载力,且由于桩-土-承台的相互作用,使群桩基础的荷载传递较承载力仅由桩侧阻力和桩端阻力两部分组成的单桩要复杂。桩和承台的荷载分担受荷载水平、桩长、桩径、承台底面尺寸、地基土的物理力学性质等诸多因素的影响,无法简单的以一种固定的模式或以简单的规律加以全部概括,在桩、承台和土共同作用的研究中,单桩与承台共同作用(带承台单桩)的试验研究是最经济、最易实施的试验内容。因此,有必要对带承台单桩的荷载传递特性进行试验研究,而已有的文献资料中大多采用模型试验或数值分析法[1-4],现场的原位试验较少。本文通过现场的单桩和带承台单桩的原位试验结果,研究了桩和承台的荷载分担比以及承台对桩基荷载传递特性的影响规律,这对于复合桩基、路堤桩的受力变形特性等的研究具有一定的参考价值。

1 试验概况

1.1 场地条件

试验场地西安市北郊,根据勘察报告提供的资料显示,场地土层由上而下各地层主要特征分别为:①层素填土:土质不均,结构杂乱,以粘性土为主,层厚2.1 m;②层黄土状土,硬塑,属高压缩性土,层厚1.5 m;③层黄土,硬塑,属高压缩性土,层厚3.0 m;④层黄土,硬塑,属中压缩性土,层厚1.7 m;⑤层黄土,可塑～软塑,属中压缩性土,层厚4.0 m;⑥层古土壤,可塑～软塑,属中压缩性土,层厚4.0 m;⑦层中粗砂,矿物成分以长石、石英为主,饱和,密实,层厚12.2 m。本次试验的试坑地面正好处于第④层黄土的顶面。场地地基土层的物理力学性质指标平均值见表1。

表1 地基土物理力学性质指标

1.2 试验内容及方法

1.2.1 天然地基承载力静载试验

为了解浅部地基土层的承载力,在试坑内的底面处布置天然地基承载力静载试验点3处。承压板采用1.0 m直径的刚性圆形压板,分级荷载取为30 kPa,每级加载后按间隔10 min、10 min、10 min、15 min、15 min,以后为每隔30 min测读一次承压板的沉降量,当在连续两小时内每小时的沉降量小于0.1 mm时,则认为已趋稳定,可加下一级荷载,直至预计的最大加载值。

试验结束后,绘制p～s曲线,根据曲线形态判定各试验点的承载力。

1.2.2 单桩竖向承载力静载试验

试桩入土桩长11.5 m,桩径500 mm,桩身混凝土强度等级C30。

试验加荷时,每级以150 kN的荷载递增。每级荷载下桩顶沉降的观测次数为:加荷后第1个小时按第5 min、10 min、15 min、15 min、15 min测读桩顶沉降量,以后每隔30 min测读一次,直到沉降相对稳定为止。当每一小时内的桩顶沉降量不超过0.1 mm并连续出现两次时,认为在本级荷载下的沉降已稳定,即可施加下一级荷载,直至达到试验设计的最大加载值。

试验结束后,绘制Q～s曲线,以Q～s曲线上明显陡降点所对应的荷载作为该试验桩的单桩竖向极限承载力。

1.2.3 带承台单桩静载试验

试桩入土桩长11.5 m,桩径500 mm,桩身混凝土强度等级C30。桩顶面和试坑地面平齐,桩顶设边长为1.5 m×1.5 m的刚性承台,承台形心和桩的形心重合。

试验加荷时,每级以112.5 kN的荷载(相应的承台底总反力为50 kPa)递增,直至达到试验设计的最大加载值。每级荷载下承台沉降量的观测次数、沉降稳定标准与单桩时相同。

1.2.4 桩身应力及承台底土反力测试

在单桩竖向承载力静载试验和带承台单桩静载试验中,在桩顶、桩端及主要土层分界面处埋设了钢筋计,距桩顶的距离分别为0 m(带承台单桩此处为0.5 m)、1.7 m、5.7 m和9.7 m。在带承台单桩静载试验中,在承台下的不同位置埋设了7个土压力盒以量测承台底的土压力。某一级荷载下沉降达到稳定后,测读一次钢筋计及土压力盒的读数,据此求得相应桩身轴力和承台底的土压力。

2 试验结果与分析

2.1 承载力测试

图1所示为天然地基静载试验p～s曲线。二条曲线的形态较为接近,均在300 kPa处发生陡降,按规范[5]规定,可将承压板下应力主要影响范围内的极限承载力确定为300 kPa。图2所示为单桩及带承台单桩静载试验的Q～s曲线。

图1 天然地基p～s曲线

图2 单桩和带承台单桩的Q～s曲线

单桩的Q～s曲线形态呈急进陡降型。按规范[6]判定已达到破坏,其单桩竖向极限承载力标准值为1 200 kN,但此时相应的沉降量很小,只有2.93 mm。为查明端阻力的发挥性状,破坏后继续加载,在1 500 kN的荷载下达到稳定后,相应的沉降量为68.23 mm。带承台单桩的Q～s曲线也呈陡降型,其极限承载力为1 687.5 kN,相应的沉降量为18.23 mm。在1 912.5 kN的荷载下达到稳定后相应的沉降量为67.98 mm。在达到各自的极限荷载以前,与单桩相比,带承台单桩在相同荷载下的沉降量较大。

2.2 桩-土的荷载分担比

图3、图4所示分别为各级荷载作用下带承台单桩的桩顶荷载随总荷载变化情况及承台下土的平均压力随总压力的变化情况。图中的总压力为施加于承台上的荷载与承台面积之比,土的平均压力为各土压力盒测试结果的平均值,桩顶荷载为由桩顶处钢筋计测得的轴力值。

图3 桩顶分担荷载随总荷载的变化情况

图4 各级荷载作用下的土压力变化情况

桩、承台分担荷载的比例均随着总荷载的增大而增大,但曲线斜率的变化有所不同。在图3中,在总荷载超过1 012.5 kN后(相应于总压力为450 kPa),曲线的斜率略有增大,而当总荷载达到1 687.5 kN后(相应于总压力为750 kPa),曲线的斜率又开始减小,分别表明了桩顶所分担荷载的比例在增大和减小。在图4中,在加载初期(总压力在100 kPa前)曲线较为平缓,说明此时土分担的荷载偏小,这可能与土压力盒埋设不够密实及中粗砂找平层的压密过程有关;此后图4中的曲线表现出了两个转折点,分别是总压力为450 kPa和750 kPa,曲线的斜率表现出先减小后增大,表明承台下土反力所分担荷载的比例先减小后增大。从图4还可以看出,土反力的最大值甚至超过了由天然地基承载力静载试验得到的极限值,这是由于桩的存在以及承台对土的约束作用阻碍了土的侧向变形,使承台下土的承载能力提高。

承台分担荷载比例的这种变化应该是受到总变形量的逐渐增大、桩端土层变形的产生和发展以及桩端阻力的逐渐发挥等因素的影响。当总变形量增大到一定程度时,桩端阻力的发挥程度开始逐渐增大,由于桩端土层的刚度大于桩上部土层的刚度,使得承台下桩顶承受荷载的比例增大,而土所承受荷载的比例有所减小。

2.3 桩身轴力

根据钢筋计的测试结果整理绘制出单桩和带承台单桩各量测断面轴力随深度的变化情况,如图5所示。

图5 各量测断面轴力随深度的变化情况

桩的轴力衰减梯度越大,说明沿桩身的摩阻力越大。通过图5中曲线(a)、(b)的对比可以看出,在桩身上部(5.7 m以上),单桩侧阻力的发挥程度高于带承台单桩中桩侧阻力的发挥程度。为更清楚地说明承台对桩侧阻力的发挥的影响,将单桩和带承台单桩在桩顶荷载分别为450 kN和750 kN下桩身的轴力曲线绘制在同一张图上,如图6所示。从图6中可以看出,在桩身上部同一桩段内,单桩的轴力衰减较快而带承台单桩的轴力衰减较慢,这表明带承台单桩中承台对桩上部侧阻存在明显的削弱作用。

图6 单桩和带承台单桩轴力曲线对比

此外,结合单桩和带承台单桩静载试验的结果(其Q-s曲线如图2所示),单桩在其极限荷载(1200 kN)作用下时,桩顶沉降较小,桩端位移为0,桩端阻力也为0,此时该桩属纯摩擦桩类型。当达到其极限荷载后又继续加载,使桩顶沉降增大,端阻力开始逐渐发挥,当加载至1 500 kN、总沉降量为68.23 mm时,端阻力大小为292 kN,占桩顶总荷载的比例为19.5%,此时该桩则又表现为端承摩擦型。带承台单桩在总荷载为675 kN、总沉降量为3.85 mm时,桩端阻力即开始发挥。当总荷载为1 912.5 kN、总沉降量为67.98 mm时,端阻力占桩顶荷载的29.3%。这也说明承台的作用不仅影响到了桩端阻力的发挥程度,还使得发挥桩端阻力所需的桩顶沉降减小。

根据桩身轴力的测试结果,计算出某级荷载下桩端阻力与桩顶荷载(单桩)或总荷载(带承台单桩)的比值,即为桩端分担荷载比例,将其随荷载水平的变化规律绘制于图7。由图7可以看出,单桩在荷载水平大于80%后,端阻力才开始发挥,而带承台单桩的这一指标为30%。当荷载水平为80%～100%时,单桩桩端阻分担的荷载为0～15.5%,而相同荷载水平下,带承台单桩的桩端阻分担的荷载为8.4%～17.7%。由此可见,带承台单桩中承台对桩的端阻的发挥有增强作用。

图8为根据桩身轴力得到的单桩和带承台单桩在达到各自的极限承载力前各量测断面之间摩阻力随位移的变化情况。单桩的桩侧摩阻力基本上随位移的增大而增大,即为硬化型;而带承台单桩在5.7 m以上,摩阻力-位移关系曲线却呈软化型,且随深度增大,达到极限摩阻力时所需的位移也在增大。这表明与桩同步下沉的承台使桩身上部桩土之间的相对位移减小,影响了桩身上部摩阻力的发挥。

图7 端阻力分担荷载与荷载水平的关系

图8 摩阻力与位移的关系

根据单桩的桩顶荷载及带承台单桩在总荷载作用下桩顶处的轴力,绘制出二者在达到各自的极限承载力前的桩顶荷载-沉降关系曲线,如图9所示。对于带承台单桩,由于刚性承台的影响,迫使承台下土体与桩同步下沉,由于土的刚度低,荷载作用下产生的变形大,此外,由于承台对端阻有增强作用,而端阻在发挥的同时也是桩端土层被压密、桩端土层变形产生的过程;但对于单桩而言,达到极限荷载时,桩端阻力未发挥,总沉降量小。因此,尽管带承台单桩的极限承载力要大于单桩的,但在相同桩顶荷载下,带承台单桩中桩顶的沉降量却较单桩的大。

图9 单桩与承台下单桩的荷载～沉降曲线

3 结 论

(1)承台下土分担荷载的作用明显,且承受的压力已大于天然地基的极限承载力。

(2)在荷载作用下,由于承台与桩同步下沉,使桩段上部桩土之间的相对位移减小,影响了该桩段侧摩阻力的发挥。

(3)带承台单桩中的承台对端阻的发挥有明显的增强作用,但同时,由于发挥端阻所需的位移量较大,因此,在相同桩顶荷载下,带承台单桩中桩顶的沉降量较单桩的桩顶沉降量大。

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[5]中华人民共和国建设部.GB50007-2002.建筑地基基础设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2003:100-101.

[6]中华人民共和国建设部.JGJ106-2003J256-2003.建筑基桩检测技术规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2003:13-18.