大吨位钢筋混凝土灌注摩擦桩工程桩静载试验分析

刘 彤

（广州市建筑科学研究院有限公司，广东 广州 510440）

在工程实际中将吨位＞1 000 t的单桩静载试验称为大吨位静载试验。摩擦桩在土层较厚的地区较为常见。需要对加载过程中桩身内力及摩擦力进行研究。确定桩在加载过程中应力变化，及摩擦力在土中扩散情况，同时对桩身变形情况进行监测，说明桩身位移随时间变化规律，为大吨位摩擦桩设计提供依据。

1 工程地质概况

工程位于广东省中山市古镇某工程，建筑基础选用混凝土灌注桩，桩身直径为1 000 mm，桩长21.2 m，场地位于河流冲击平原，主要地层：

（1） 素填土：灰褐色，可塑状态，粉质黏土为主，夹杂建筑垃圾，厚度小于1 m；

（2） 粉质黏土：黄褐色～灰褐色，可塑状态，偶见贝壳、铁锰结核13～18 m；

（3） 粉砂：黄色～黄褐色，中密状态，饱和，可见粉质黏土夹层。

场地内地下水属于地下潜水类型，受大气降水及西河河流补给，潜水埋深10.3～12.1 m。

2 荷载传递及静摩擦力扩散机理

桩顶受荷载P作用，桩身受到静摩擦反力Pf，当桩身摩擦力完全发挥效应时，桩底受到桩端阻力Pb作用，如图1所示。

图1 荷载分布图

整条桩处于平衡状态即：

文章试验桩为混凝土旋挖桩，初始状态桩端阻力Pb=0，随着桩顶荷载P不断增大，引起桩身应变，产生桩与周围土层的相对位移，侧摩阻力Pf从桩顶至桩底逐渐增大，当荷载传递至桩底时，桩端阻力Pb逐渐增大，直至破坏[1]。桩身应力变化示意图如2图所示。

图2 桩身应力随桩顶荷载变化示意图

3 单桩竖向承载力静载荷试验

3.1 试验桩安装

试验前在距桩顶5、10、15 m处的钢筋笼安装振弦式应力计，在桩底安装土压力盒，在加装应力计的过程中需要对钢筋进行切割，现场施工照片如图3所示。

3.2 施加荷载

参考广东省地方标准《建筑地基基础检测规范》 （DBJ 15-60—2008） ，最大荷载为设计值的二倍，共计19 000 kN[2]。

通过上部堆在石块提供反力，根据规范要求，上部石块重量应大于最大试验荷载的20%以上，并且堆载完成后开始试验。单桩竖向抗压静载试验加载装置如图4所示。

图4 现场试验照片

装置采用电动高压油泵给为油压千斤顶提供荷载，由RS-JYC型桩基静载测试分析系统的压力传感器测定油压。千斤顶的作用力中心线通过试桩中心。

3.3 试验方法与变形观察

共分十级进行加载，第1、2级分别加载设计荷载的1/5，此后每级加载设计荷载的1/5试10，加载时每级荷载维持时间不少于1 h。

在加荷后每隔5、10、15 min自动记录桩顶变形量测读桩顶变形量。当测读1 h后，最后15 min沉降量小于相邻15 min沉降量时，进行下一级加载。

加载至10级后进行卸载，每级卸载设计值的1/5，分别在第5、15 min记录桩顶沉降量。卸载至0级时，分别在5、15、30 min记录桩顶沉降量，此后每30 min记录1次，0级荷载总共维持120 min。

根据规范，在桩顶安装4个RS-JYC型两层为50 mm，精度为0.01 mm的位移传感器，并通过RS-JYC型测桩仪记录分析数据。

逐级加载，加载至第八级时，各级桩顶位移均能达到稳定，并且最大沉降量为33.69 mm，未超过40 mm，可以达到稳定，当加载至第九级，即17 100 kN时，桩顶沉降量增大，增大至62.48 mm，依据规范已经达到破坏。桩身变形为各级均为超过上一级沉降量的5倍，为缓变形破坏，最终承载判定为15 200 kN，如图5所示。

图5 p-s曲线图

在加载过程中桩身各处应力变化振弦应力计反应，在加载各级中变化如图6所示，从图中桩身应力从上至下逐渐发挥作用，图中红线表示不同荷载传递至桩时的深度。当桩顶荷载达到11 400 kN时，桩身侧摩擦阻力完全发挥作用，桩端阻力不断增大，当桩顶阻力继续增大时，即达到。15 200 kN时，桩破发生坏[3-4]。

图6 不同荷载作用下桩身应力分布图

3.4 桩身侧摩擦阻力分析

由于桩身并没有破坏，将桩视为完全弹性体，桩身弹性变形公式：

结合桩身平衡公式 （1） ，解得：

桩底压力由两部分组成：桩底侧摩阻力与桩端阻力，土压力直接反应桩端阻力。当x=0时，桩底侧摩擦力结合公式 （2） 、 （4） 为：

经计算可以得到桩在不同荷载作用下桩身侧摩擦阻力，如图7所示。

图7 不同荷载作用下桩身侧摩擦阻力

通过计算可以看出随着荷载不断增大，桩身摩擦阻力不断增大，桩身摩擦阻力自桩顶而下逐渐发挥作用，当桩身摩阻力达到3 000 kN左右时不再增大，并且随着深度的增加，侧摩擦阻力也随着增加，由于土压力增大，最大侧摩阻力也随之增大。持力层对侧摩阻力有明显影响，该试桩在砂层中侧摩阻力有明显增大。

4 结语

（1） 随着桩顶荷载的增大，桩身轴力逐渐增大，但轴力始终小于所加荷载，该试桩当达到15 200 kN时，桩身发生破坏。破坏时桩身并未发生破坏，位移没有陡降，整体呈换边性破坏，说明侧摩阻力逐渐发挥最大能力，打穿桩底持力层发生破坏。

（2） 随着桩顶荷载增加，桩身侧摩阻力不断增大，并且自桩顶而下逐渐发挥作用。持力层对桩身侧摩擦阻力影响较大，在粉质黏土最大可达2 972.34 kN，在砂土中最大可达3 116.32 kN，在砂土中侧莫阻力明显增大。

（3） 桩身摩擦阻力可以看成装承担荷载的储备能力，大荷载作用下种能力主要由桩身长度、桩径及持力层决定，桩身在加载过程中不会破坏，符合弹性形变规律。