基于不同持力层厚度的大直径人工挖孔扩底桩竖向承载性状研究

李 辉，李高山，赵鹏飞，李桂贤

(西安建筑科技大学 土木工程学院，陕西 西安 710055)

随着经济的发展，西部城市中众多的高层、超高层建筑不断涌现，地基所承受的荷载也越来越大，在这种情况下，人工挖孔扩底灌注桩以其直径大、单桩承载力高、能扩底、造价低、施工质量易保证、沉降小、施工速度快以及对周围环境影响小等优点，越来越受到设计和施工人员的重视，在工程中的应用也越来越广泛［1-2］。对于人工挖孔扩底灌注桩，由于端径一般较大，很大程度上提高了基础的竖向承载力，较好地发挥了桩端持力层的承载能力，因此它对桩端持力层的厚度要求也更加严格。实际工程中常常遇到持力层下含有软弱夹层的情况，而持力层是否能够提供足够的桩端阻力，是设计需要考虑的重要问题。若设计不当，则可能造成两种结果:一是较薄的持力层因冲剪产生破坏，二是因软弱下卧层的塑性变形而导致桩基沉降较大［3-5］。本文基于黄土地层现场载荷试验，对人工挖孔扩底桩竖向承载性状进行研究，着重分析不同持力层厚度下桩侧摩阻力、桩端阻力的发挥性状及其分配情况，单桩极限承载力的取值和持力层厚度的合理确定，对类似桩基工程的设计和施工具有一定现实意义。

1 地质条件

试验场地上部主要为第四系(Q4)风积土和冲洪积形成的黄土状粉土，属自重湿陷性场地，土层厚度分布不均，工程地质条件复杂，各土层主要物理性质指标如表1所示。

场地地下水类型为潜水，水位埋藏深度＞60 m，可不考虑地下水的影响。

试桩场地地质剖面图见图1。

图1 试桩地质剖面(单位:m)

2 试验概况

厂区③，⑤层均为卵石，强度高，变形小，均可作为持力层，但③层卵石局部夹有薄层的黄土状粉土和细砂，其厚度(2.0～22.8 m)和顶面高程变化均较大，局部地段出现尖灭，平面分布不连续，⑤层卵石虽级配较好，平面分布稳定，厚度大(一般 ＞20 m)，但埋深大，一般在30.8～47.5 m。若用此层作为桩端持力层，造价将大大提高。为了节约资源，降低造价，同时出于安全的考虑，以③层卵石为桩端持力层进行载荷试验，以确定单桩竖向承载性状、承载力大小和适宜的持力层厚度。

表1 土层分布及其主要物理指标

为了观测不同卵石持力层厚度下单桩在加载期间的竖向载荷性状，找出满足承载力要求的持力层厚度，现场进行3根试桩静载试验，编号分别为 A1，A2，A3，桩端持力层厚度分别为2.3，3.0，3.8 m(桩端进入卵石持力层均为1 m)，试桩和锚桩的技术要求和设计参数分别如表2和表3所示。

试验采用慢速加载法，每级荷载达到相对稳定后再加下一级荷载，直到试桩破坏，然后分级卸载到零。卸载的每级为加载的2倍。终止加载条件和单桩竖向承载力依相关规范综合确定［6-8］。试锚桩平面布置见图2。

图2 试验桩和锚桩平面布置(单位:mm)

表2 试桩设计参数

表3 锚桩设计参数

3 试验结果及分析

3.1 试验结果

各试桩静载荷试验桩顶荷载、桩端阻力、桩侧摩阻力与桩顶沉降关系(Q—s曲线、Qp—s曲线、Qs—s曲线)如图3所示。根据图3静载荷试验Q—s曲线的不同形式，各试桩的单桩极限承载力取值如下:

1)试桩A1(持力层厚度为2.3 m)，当荷载加至6 000 kN时，沉降开始增加较快，加至8 000 kN后很快沉降就超过40 mm，到稳定时已达到71.45 mm，当加至9 000 kN后沉降迅速增加，0.5 h左右已超过100 mm，单桩竖向极限承载力取7 000 kN。

2)试桩A2(持力层厚度约为3.0 m)，当荷载加至8 000 kN时，沉降开始增加较快，加至9 000 kN后，很快沉降超过40 mm，到稳定时已达到72.10 mm，当加至10 000 kN后沉降迅速增加，1.5 h左右已超过100 mm，单桩竖向极限承载力取8 000 kN。

3)A3(持力层厚度为3.8 m)的Q—s曲线呈缓变型，当荷载加至12 000 kN时，累计沉降未超过60 mm，考虑到设备负荷问题，遂终止继续加载，取桩顶沉降量为32.77 mm时对应的荷载11 000 kN为该桩的竖向极限承载力。

图3 各试桩 Q—s曲线、Qp—s曲线及Qs—s曲线

该场地位于Ⅳ级自重湿陷性黄土地区，地基浸水后，桩周地基土的沉降速率大于或等于桩的沉降速率(即桩土此时有相对运动的趋势)，此时不但正摩阻力完全消失而且还会在桩周表面产生向下的负摩阻力，使桩的竖向荷载增大，而该负摩阻力将由桩侧或桩端土承担，若桩基承载力不足，将会造成重大事故。另外考虑到群桩承台、桩、土相互作用特点，经综合分析各试桩竖向抗压承载力特征值见表4。

表4 各试桩竖向抗压承载力特征值

分析表4可知，当持力层厚度与扩底直径之比(H/D)＜2时，单桩承载力特征值达不到设计要求的4 000 kN，但其承载力特征值随着H/D的比值增大而逐步增大，由内插法得当H/D=2时，单桩竖向承载力特征值已达到设计要求的承载力，此时单桩竖向承载力已不再受持力层厚度的影响。试验表明，H/D比值的增加可以有效地提高单桩竖向承载力。

3.2 桩侧摩阻力分析

分析图3中三根试桩的 Qs—s曲线可以发现，随着桩顶沉降量增加，人工挖孔扩底桩的桩侧摩阻力自上而下逐步发挥;当桩顶沉降量在0～10 mm时，桩侧摩阻力呈现出与桩顶沉降量明显的同步增加趋势，在10 mm左右桩侧阻力达到最大值，此时桩侧摩阻力占桩顶荷载的比例达到52.7% ～67.2%;在随后的加载过程中，随着桩顶荷载增大，沉降增加，桩侧摩阻力呈现出明显的减小趋势，桩顶荷载逐渐由桩端土承担。这主要是由于上部的黄土状粉土层与桩身已出现相对位移，当桩土相对位移超过某一值后就会引起桩侧摩阻力的衰减［9］。由图4可见，各试桩达到极限承载力时，其桩侧摩阻力占桩顶荷载的比例分别为 A1 39.9%，A2 36.6%，A3 24.5%(各桩对应的极限承载力分别为7 000，8 000，11 000 kN)。

图4 桩侧摩阻力占桩顶荷载百分比随荷载变化曲线

上述分析可知，湿陷性黄土地区含软弱下卧层的人工挖孔扩底桩，随着桩端持力层厚度的增加，单桩达到极限承载力时，桩侧摩阻力所占桩顶荷载的比例逐渐降低，但桩侧摩阻力占桩顶荷载的比例仍达到24.5%～39.8%，表明桩侧摩阻力对桩顶荷载分担的比例不容忽视。因此，在进行承载力计算时，有必要考虑桩侧摩阻力的作用，即可按摩擦端承桩计算承载力。

3.3 桩端阻力分析

由图3中的 Qp—s曲线可知，当桩顶沉降量 s＜30 mm时，桩端阻力随沉降量的增加同步增长，s为30 mm时，三根试桩 A1，A2，A3对应的桩端阻力分别约为3 800，5 100，7 950 kN，但当 s＞30 mm 时，A1，A2 桩端阻力随着桩顶沉降量的增加，其增幅显著降低。其原因主要是:A1，A2桩的持力层较薄(A1持力层厚度2.3 m，A2持力层厚度3.0 m左右)，其厚度不能提供足够的端阻力，很快将应力扩散传至④层黄土状粉土，形成不可恢复的较大桩体沉降，从而影响桩端阻力的发挥，而A3持力层厚度为3.8 m，持力层厚度比 A1，A2大，足以提供足够的桩端阻力，故当桩顶荷载达到11 000 kN时，桩顶沉降s仅达到32.77 mm，且桩端阻力增幅亦无减小趋势。

对比图3中三根试桩的 Q—s和 Qp—s曲线可发现，在加载过程中两曲线走向始终趋于一致，拐点亦基本吻合在同一桩顶沉降量处，表明湿陷性黄土地区含软弱下卧层的大直径人工挖孔扩底桩的竖向承载性状主要以桩端阻力的发挥为主。

从图5来看，各桩达到极限承载力时(A1，A2，A3分别为7 000，8 000，11 000 kN)，桩端阻力占桩顶荷载的比例分别为60.1%，63.4%，75.5%，即各桩桩端所提供的承载力分别为4 207，5 072，8 305 kN。

图5 桩端阻力占桩顶荷载百分比随荷载变化曲线

图6中的曲线显示，桩端极限承载力呈现出与桩端持力层厚度同步增长的趋势，且在H=3.0 m(H/D值接近1.7)时其增速显著增加。

图6 桩端极限承载力随桩端持力层厚度变化曲线

分析图5、图6可知，增加持力层厚度可提供更大的桩端承载力，从而提高了单桩竖向极限承载力。

4 结论

1)当持力层厚度与扩底直径之比(H/D)≥2时，湿陷性黄土地区大直径扩底桩竖向承载性状不再受持力层厚度的影响，设计时可不考虑这一影响因素，同时得出临界厚度HC=2D。

2)对于桩长＞16 m，卵石持力层下含有软弱下卧层的湿陷性黄土地区大直径扩底灌注桩，桩侧摩阻力的作用不可忽视(占单桩极限承载力的比例达到24.5% ～39.8%)，设计时应予以考虑，从而节省材料，提高经济效益。

3)对于黄土状粉土，桩土相对位移量达到10 mm时，桩侧摩阻力充分发挥达到极限，而且该值与桩端持力层厚度大小无关。

4)湿陷性黄土地区大直径人工挖孔扩底灌注桩竖向承载性状主要与桩端阻力的发挥性状有关，可以通过改善桩端持力层土性和厚度来提高竖向承载力，以满足实际工程的需要。

［1］张忠苗.桩基工程［M］.北京:中国建筑工业出版社，2007.

［2］刘小文，沈细中，谢家毕.大直径扩底桩承载力偏低原因分析［J］.建筑技术，2004，35(4):293-295.

［3］侯超群，王晓谋，苏庆国.人工挖孔扩底桩轴向静载试验研究［J］.合肥工业大学学报(自然科学版)，2006，29(12):1552-1555.

［4］杨国强，王立群，赵文，等.砂卵石地基挖孔桩单桩竖向承载力可靠性分析［J］.辽宁工程技术大学学报(自然科学版)，2010，29(6):1020-1023.

［5］蔡来炳，李永盛，施峰.花岗岩残积土持力层人工挖孔桩承载力研究［J］.同济大学学报(自然科学版)，2006，34(1):33-37.

［6］中华人民共和国建设部.GB 50007—2002 建筑地基基础设计规范［S］.北京:中国建筑工业出版社，2002.

［7］中华人民共和国建设部.JGJ 94—2008 建筑桩基技术规范［S］.北京:中国建筑工业出版社，2008.

［8］中华人民共和国建设部.JGJ 106—2003 建筑桩基检测技术规范［S］.北京:中国建筑工业出版社，2003.

［9］蒋建平，高广运.大直径人工扩底桩端阻力折减探讨［J］.岩石力学，2006，27(12):2282-2287.