静钻根植桩抗拔荷载传递机理试验研究

文/邢 军 杭州景观园林建筑设计有限公司 浙江杭州 310012陈振东 江苏诚达建筑有限公司宁波分公司 浙江宁波 315000吴磊磊、严天龙、陈洪雨 中淳高科桩业股份有限公司 浙江宁波 315000



静钻根植桩抗拔荷载传递机理试验研究

文/邢 军 杭州景观园林建筑设计有限公司 浙江杭州 310012
陈振东 江苏诚达建筑有限公司宁波分公司 浙江宁波 315000
吴磊磊、严天龙、陈洪雨 中淳高科桩业股份有限公司 浙江宁波 315000

【摘要】静钻根植桩通过采用扩底及注浆技术大幅度改善桩周土的物理力学性状，最大程度发挥预制桩桩身高强承载力性能，达到比钻孔灌注桩更为节约资源的目的。作者在试验桩桩身预埋钢筋应力计，通过现场静载荷试验，实测在拔荷载作用下静钻根植桩的受力性状，对该新桩型的力学机理进行了深入细致的研究。试验结果表明，由于桩周土性状的改良，静钻根植桩的桩侧阻力大幅度提高，桩端扩底部位的端阻力也得到有效改善。

【关键词】静钻根植桩，静载试验，应力监测，受力性状

1、前言

静钻根植桩施工流程为：预钻孔后进行扩底，再注入桩端、桩周水泥浆，最后依靠桩身自重植入高强预制桩。这种特殊的施工工艺，优点一是静钻根植桩施工过程中桩孔部位原状土体经搅拌分散后大部分仍保留在孔内，未打破地基土的应力平衡，不会发生钻孔灌注桩泥浆护壁而导致的应力释放现象；优点二是通过桩周注浆，改善桩周土的物理力学性能，从而提高桩侧阻力；优点三是通过可控的液压技术进行桩端扩底操作、并注入水泥浆后形成较高强度的扩底构造，改善和提高了桩端持力层的承载性能。

鉴于静钻根植桩新型的施工工艺，其受力性状不同于传统的钻孔灌注桩和预应力管桩，为了探究静钻根植桩的荷载传递特性、总结桩端及桩侧阻力合理计算方法，给工程设计提供可靠依据，需要深入开展相关模型试验、现场试验及理论分析工作。

本文则通过工程现场试验，在静钻根植桩的预制桩身内不同截面预埋多组钢筋应力计，进行现场静载荷试验，对不同土层的桩侧摩阻力实测值与估算值以及桩端阻力的实测值与估算值进行对比分析，对其受力性状做出科学研究。

2、试验概况

本次荷载传递特性试验抗拔桩共两枚，编号为试桩B、试桩C，配桩形式为PHC 600(110)B-10,15 C80+ PHDC650-500 （100）B-15 C80，桩长40m，钻孔直径为750mm，扩底直径为1200mm，扩底高度为2400mm.

抗拔静载试验采用地基土的反力作为荷载，桩身应力采用振弦式钢筋应力计，预先在室内完成标定。应力计埋设主要根据试桩位置土层分布情况，以主要土层分界面作为埋设截面。试桩B、C各设置4个埋设截面，埋深依次为1m、14.5m、23.5m、39m，每个截面对称布置2只钢筋应力计。根据配桩情况，对需埋设应力计的桩进行埋设位置的标示，确保了现场正确组合配桩。

埋设有应力计的预制桩在进场时均进行了应力计成活率复核，结果表明应力计全部成活。由于受施工过程中若干因素的影响，沉桩完成后部分截面的应力计失效，但均为下部数据，其结果仍有重要意义。

试验场地地基土的物理力学指标如表1所示。

表1　地基土物理力学指标Table 1 Physico-mechanical indexes of soils in test site

静钻根植桩的单桩竖向承载力特征值必须通过静载荷试验确定，在初步设计阶段的估算按下式确定：

式中

Tuk-----单桩抗拔极限承载力标准值；

λi-----抗拔系数；

除了口服中药汤剂外，进行耳周穴位注射，操作如下：患者取坐位，如单侧耳鸣取患侧耳门、听宫、听会及同侧的翳风；若为双侧耳鸣则取双侧耳门、听宫、听会及翳风。用10ml注射器抽取药物注射用灯盏花素（批号：20151203,规格：20mg,衡阳恒生制药有限公司生产）20mg（用5ml灭菌注射用水稀释），常规消毒耳门、听宫、听会、翳风穴局部皮肤后，进针点选于该穴或其敏感痛点，得气后，回抽无血，然后缓慢注入药液，其中耳门、听宫、听会各注射1ml，翳风穴注射2ml。起针后为防出血可用无菌棉球按压片刻。穴位注射注射治疗隔日一次，5次为1个疗程，治疗3个疗程。

qsik-----桩侧第i 层土（岩）的极限侧阻力标准值，按本地区混凝土预制桩实测值取值；

ui-----桩身周长（PHDC 桩按节外径计算）；

li-----桩穿越第i层土（岩）的厚度；

Gpk-----单桩自重标准值，地下水位以下应扣除浮力。

3、单桩静载荷试验

根据预估的单桩极限承载力，试桩B、试桩C最大上拔荷载不小于1760kN。试验中根据现场情况决定终止加载值。

各抗拔桩的U-δ曲线如图1、图2所示。

图1　试桩B荷载-上拔量曲线Fig. 1 U-δcurve of test pile B

图2　试桩C荷载-上拔量曲线Fig. 2 U-δcurve of test pile C

由以上U-δ曲线可知，试桩B、试桩C单桩极限抗拔承载力取最大加载值。抗拔试桩汇总结果如表2所示。

表2　抗拔静载荷试验成果汇总表Table 2 Summary of static tensile load test results

从图1、图2看，两试验桩的荷载与变形关系仍为缓变性，可见两桩仍未进入真正的极限状态。

4、轴力计算及荷载传递分析

静载荷试验时，每级荷载稳定后测定应力计的频率值，结合试验前的初始频率和应力计的标定系数，即可换算应力计所受轴力。鉴于钢筋应力计和桩身混凝土变形协调，即应变一致，则可通过应力计受力推算第n个测试截面处桩的轴力大小Qn.

静钻根植桩在桩端具有扩底构造，扩底部位水泥土强度高，在该部位轴力计算时考虑对扩底部位水泥土与桩身进行复合计算。此外，由于现场试验时进行了桩头加固处理，并进行了灌芯，故对于桩顶部分也考虑对填芯混凝土进行复合计算。

两个测试截面之间的各土层的平均侧摩阻力可由下式计算得出：

其中，Fi表示测试截面之间桩的侧表面积。

图3　各级荷载下试桩B轴力图Fig. 3 Axial force of test pile B under different loads

图4　各级荷载下试桩C轴力图Fig. 4 Axial force of test pile C under different loads

由各试验桩的轴力图可知，侧摩阻力从桩身上部先开始发挥，故在荷载较小时，桩深部的轴力较小，甚至接近于0。随着荷载增大，侧摩阻力进一步发挥。

所有试验桩的桩顶至以下1m范围内，轴力递减幅度大，原因一是桩孔内较高强度的水泥土芯所发挥的土塞作用导致，同时大量水泥浆围绕桩顶与其形成一体，所以侧阻理论计算截面与实际截面存在很大差异，导致试验桩均出现浅部桩侧摩阻严重偏大现象。根据轴力分布情况计算各截面之间土层平均侧摩阻力，将最大加载荷载时所得的侧摩阻力与地勘提供的极限侧摩阻力进行比较，如表3-表4所示。

表3　试桩B最大荷载作用下土层平均侧摩阻力Table3 Average qsi of soil layers under max load of test pile B

表4　试桩C最大荷载作用下土层平均侧摩阻力Table 4 Average qsi of soil layers under max load of test pile C

试桩B、C在14.5m-23.5m均采集到了可靠的数据，并由此可以计算出23.5以下的轴力和侧阻力。从应力试验结果看：

（1）在本次试验的最大拔荷载作用下，0～23.5m范围内土体的侧阻已达到极大发挥，尤其是试桩B，侧摩阻力已达到峰值。可见，PHDC竹节桩抗拔荷载作用下，侧阻仍由上至下渐变发挥；

（2）从试桩B、试桩C的侧阻分布看，23.5m以上的侧阻发挥差异较大，这是由于两桩四周的水泥土作用效果差异引起，对抗拔荷载下的PHDC竹节桩，桩周的水泥土性状会直接影响抗拔效果；

（3）在最大抗拔力作用下试桩B、试桩C仍未进入真正的极限状态，但从两桩的侧阻发挥程度分析，真正进入极限状态时试桩C的抗拔力将远远大于试桩B，这为PHDC竹节桩的抗拔承载力计算带来困难；

（4）试桩B、试桩C的抗拔试验结果，与同直径的管桩和钻孔桩相比，应有很大优势，这是由于下部竹节及扩大桩端所致。

5、结语

静钻根植桩因施工工艺、构造等有别于传统型，需要对其荷载传递特性进行深入研究和分析。通过本次试验研究的开展，可以得到以下结论：

（1）与管桩和钻孔灌注桩比，静钻根植桩使能够大幅度提高桩侧阻力。

（2）在拔荷载作用下，桩周水泥土性状对静钻根植桩提供的侧摩阻力影响很大，易造成抗拔承载力离散性较大。

（3）静钻根植桩的PHDC竹节和扩大桩端，虽然能提高基桩的抗拔承载力，但由于桩侧阻力的离散性，会直接影响其发挥。

（4）本文采用的静钻根植桩抗拔承载力的计算公式，在充分保证桩周水泥土质量的前提下是可靠的。

参考文献

[1]张日红，吴磊磊，孔清华.静钻根植桩基础研究与实践[J]. 岩土工程学报，2013,35 （zk2）：1200-1203.

[2]周佳锦，王奎华，龚晓南，等.静钻根植竹节桩承载力及荷载传递机制研究[J]. 岩土力学，2014,35（5）：1367-1376

【中图分类号】TU 443

文献标识码：A