大直径混凝土桩的承载特性试验研究

张立，张乐，陈亮锋，袁永强，白卫峰

(1 河南科技学院园艺园林学院，河南 新乡453003；2 中国建筑西南勘察设计研究院有限公司，四川 成都 610052；3 华北水利水电大学水利学院，河南 郑州 450046)

我国高层和超高层建筑的高度越来越高，其基础在抗震、变形、承载能力要求也越来越高[1-2]。桩基因其承载力高、沉降变形小，适合不同不良地质条件，而被广泛应用在土木工程领域基础中，桩基通过承台以及桩将上部荷载传递到强度较高、压缩性较小的稳定地层中。为满足超高层建筑、重荷载及复杂地质的条件，桩基设计的单桩承载力设计值要求越来越大，单桩的设计尺寸也越来越大，桩径大于等于800 mm的大直径混凝土桩被越来越多的应用在大型工程中[3-5]。根据JGJ94-2008《建筑桩基技术规范》，小直径桩桩径小于等于250 mm，中等直径桩桩径大于250 mm且小于800 mm，大直径桩桩径大于等于800 mm,另外，规范JGJ94-2008主要对中小直径桩进行规定，其计算方法不适用于大直径桩，因此，实际工程设计中往往采取保守的荷载设计，造成了不必要的浪费。与发达国家相比,我国对大直径桩的研究较晚，国内学者对大直径桩的承载特性及荷载传递机理进行了理论及试验研究[6];魏栋梁等[7]通过试验研究深厚软基超长大直径桩的承载特性，得出大理软基地区的大直径桩承载能力满足设计荷载要求，并有较大的富余承载力；王卫东等[8]对上海软土地区大直径灌注桩进行试验研究，得出荷载-位移变化近似线性变化，破坏形式为刺入式破坏，且摩阻力沿桩长的发挥具有异步性；刘念武等[9]通过自平衡试验对二根大直径钻孔灌注桩进行研究，得出桩身侧阻力随着桩土相对位移的增大呈先增大后保持稳定的趋势；马睿[10]通过试验对软土地区大直径超长桩的承载力及荷载传递规律进行了研究，得出选择适当的长径比能充分发挥摩阻力的作用；邱东明[11]对三根大直径灌注桩进行试验研究，得出当土层处于欠固结状态时，荷载-沉降曲线呈陡降型，破坏形式为刺入式破坏，且设计时需考虑负摩阻力的下拉荷载；苗德滋[12]对大直径泥浆护壁嵌岩灌注桩进行试验研究，得出采用桩侧后注浆时沉降及卸载回弹量均可减小29%；张慧海等[13]对大直径超长灌注桩在黄土地区低阶地基中的承载特性进行研究，得出其单桩竖向抗压承载力大幅度高于规范经验参数法计算的设计值；李洪江等[14]对大直径超长灌注桩进行水平承载特性的参数敏感性的试验研究，得出桩顶嵌固形式、尺寸效应对水平承载特性影响较大；CHENG H等[15]对大直径预应力高强混凝土桩在刚性地层中承载特进行了研究，得出利用桩与钻孔之间的灌浆间隙，可显著提高桩身的粘结强度，提高桩身的侧摩阻力；GAO G Y[16]等对大直径人工挖孔扩底桩的竖向承载特性进行试验研究，得出桩端阻力占竖向承载力的65%，且增加桩长和增大桩底直径可以提高大直径桩的承载力。

许多学者通过试验对大直径桩进行了相关研究，但对于软岩地区大直径桩的理论及试验研究相对较少，计算理论基础还不成熟。本文针对成都软岩地区某高层住宅大直径混凝土桩进行研究，通过现场试验，研究大直径混凝土桩的承载特性及荷载传递机理，为软岩地区大直径混凝土桩的理论研究及应用提供支撑，也为其他地区同类工程提供参考。

1 试验工程概况与方法

1.1 工程概况

试验工程位于成都成华区青龙街道，根据勘察报告，场地土层自上而下依次为：第四系全新统人工填土层，岩性为杂填土、淤泥质素填土、素填土，场地人工填土层分布连续，起伏较大，最大厚度为8.0 m；第四系中下更新统冰水沉积层，岩性为粘土、薄层卵石层，全场分布，厚度为7.0～20.8 m；白垩系灌口组泥岩层，按其风化程度分为全风化泥岩、强风化泥岩、中风化泥岩，基岩埋身9.0～24.9 m，其中强风化泥岩属极软岩、中风化泥岩属软岩。

试验工程大直径混凝土桩采用旋挖钻孔灌注桩，以中等风化泥岩为桩端持力层；混凝土桩桩径为1 200～1 400 mm，桩身混凝土强度等级为C30；本试验对3根试桩进行单桩竖向抗压静力载荷试验，每种桩型各1根(表1)。

表1 试验桩参数一览表

此外，为研究大直径混凝土桩桩身轴力和侧摩阻力，本次试验对ZJ3混凝土桩进行加载过程中桩身应力监测，且在桩顶10 m以下部分进行扩底，试验桩土层地质情况示意图如图1所示，试验桩扩大头做法及嵌入中风化岩层深度示意图见图2，各土层主要物理力学指标见表2。桩身应力测试按照JGJ 106—2014《建筑基桩检测技术规范》[17]于桩身内力测试及数据整理要求，如图3所示。

图1 试验桩土层地质情况示意图

图2 试验桩扩大头做法示意图

表2 各土层主要物理力学指标

图3 桩身应力监测布置图

1.2 试验方法

1.2.1 加载方式

本文试验加载反力装置采用堆载的方式，如图4所示,由配重块、主梁、工字钢组成堆载平台，上面均匀堆放配重块，构成加载反力系统,传力系统由千斤顶(可多个并联)、高压油管、高压油泵及电缆线组成。

图4 现场堆载法

试验在桩顶设计标高处进行，平整场地、处理好桩头后把试验用刚性承压板平放于桩头上，并将二者中心重合，承压板面积应大于桩的横截面积；千斤顶平放于承压板的中心；高压油管一端与千斤顶的进油、出油接口连接，一端与高压油泵的进油、出油接口连接，并确保连接正确，接头处不漏油、不渗油。

试验桩加载原理图见图5。

图5 加载原理图

1.2.2 加载制度

试验中采用慢速维持载荷法，即逐级加载，每级荷载达到相对稳定后再加下一级荷载，直到试验进行到满足规范终止加载条件，然后分级卸荷到0。试验按《建筑基桩检测技术规范》[17]分10级进行，每级加载量为总加载量的1/10，其中第1级可取分级荷载的2倍，并根据,规范要求试验最大加载量为单桩竖向抗压承载力特征值的2倍。当出现以下情况之一时可终止加载：

(1)某级荷载作用下，桩顶沉降量大于前一级荷载作用下沉降量的5倍,且桩顶总沉降量超过40 mm；

(2)某级荷载作用下，桩顶沉降量大于前一级荷载作用下沉降量的2倍，且经过24 h尚未达到相对稳定标准；

(3)已达到设计要求的最大加载值,且桩顶沉降量达到相对稳定标准；

(4)荷载-沉降曲线呈缓变型时，可加载至桩顶总沉降量60～80 mm；当桩端阻力尚未充分发挥时，可加载至桩顶累计沉降量超80 mm。

1.2.3 监测内容

(1)沉降监测。每级加荷后按5、15、30、45、60 min测一次桩顶沉降量，以后每隔30 min再测一次。以一小时内桩顶沉降量不超过0.1 mm，并连续出现2次时(从分级荷载施加后第30 min开始，按1.5 h内连续3次 每次30 min沉降观测值计算)作为沉降相对稳定的判断标准。当沉降相对稳定时再加下一级荷载。

(2)桩身应力监测。在试验加载过程中采用振弦式测读仪对桩身应力进行持续监测，采用焊接法将振弦式钢筋应力计固定在钢筋笼主筋上，并与桩身纵轴线平行，测点布置的位置分别为距桩顶2.0、4.0、6.0、10.0、12.0、13.8、15.6 m。连接应力计的电缆线用柔性材料保护，绑扎在钢筋笼内侧并引至地面，所有应力计均用明显标记编号。

钢筋应力计在桩身埋设位置示意图见图6。每级荷载工况下，待桩顶沉降达到相对稳定后，对桩身钢筋应力进行测读。

图6 钢筋应力计在桩身埋设位置示意图

2 试验结果与分析.

2.1 荷载-沉降分析

整理大直径混凝土桩单桩竖向抗压静力载荷试验数据，可得桩顶荷载Q与桩顶沉降量s的关系曲线，如图7所示。

图7 荷载-沉降曲线

从图7可以看出：

(1)ZJ1号桩加载至9 000 kN时，桩的总沉降量为4.16 mm，Q-s曲线呈缓变型；ZJ2号桩加载至14 000 kN时，桩的总沉降量为5.66 mm，Q-s曲线呈缓变型；ZJ3号桩加载至19 000 kN时，桩的总沉降量为6.87 mm，Q-s曲线呈缓变型。

(2)各试验点在最大荷载作用下的荷载-沉降曲线呈缓变型，曲线均无明显的拐点且未达到极限荷载，说明混凝土桩的变形性能良好。

根据《建筑基桩检测技术规范》[17]中规定，可取最大试验荷载的1/2作为单桩竖向，见表3。

从图7和表3可知：在相同荷载情况下ZJ3号桩的沉降要小于ZJ2号桩的沉降，且ZJ3号桩的极限荷载要高于ZJ2号桩的极限荷载，表明增加桩长、中风化嵌入度能减小沉降，并能提升桩的承载力。

因此，对沉降控制严格的工程可采用超长大直径桩来满足荷载及沉降的要求。

表3 单桩竖向抗压承载力特征值

2.2 桩身轴力分析

本试验主要对ZJ3号桩进行桩身轴力分析。通过钢筋应力计测得钢筋应变，进而求得桩身轴力。由于-2 m处桩身轴力均出现反常，且规律一致，另外，根据《建筑基桩检测技术规范》[17]对桩身内力测试的数据处理时应删除异常数据，故判断为该截面处应力计在加载试验前受到干扰，故该处数据不作为分析的依据。

从深度为2 m处开始分析桩身的轴力，ZJ3号桩桩身轴力分布图如图8所示。

图8 ZJ3号桩身轴力分布图

从图8可知：

(1)随着荷载的逐渐增加，桩身各截面轴力也逐渐增加，桩身轴力未发现异常。在荷载增加过程中，轴力沿着桩身先逐渐增加，然后逐渐减小，最大轴力出现在桩顶以下4 m处，并没有出现在桩顶。这是因为桩间土之间存在负摩阻力，负摩阻力出现在桩顶下0～4 m处，桩身0～4 m负摩阻力由于地基顶层桩间岩土体受褥垫层变形挤压后而承受了部分荷载，一定深度范围受褥垫层的沉降大于桩身的沉降，从而导致负摩阻力的出现。

(2)桩身4 m处是负摩阻力和正摩阻力交界处，为桩身中性面。桩顶4 m以下桩身轴力逐渐减小，说明在4 m以下区域桩身不再承受负摩阻力，开始承受正侧摩阻力，正侧摩阻力开始承担上部荷载，桩身轴力随着深度逐渐减小。

2.3 摩阻力分析

为了进一步了解大直径混凝土桩的承载特性，对ZJ3号桩进行摩阻力研究。根据《建筑基桩检测技术规范》[17]中方法计算侧摩阻力，图9是不同荷载下ZJ3号侧摩阻力沿桩分布图。

图9 不同荷载下摩阻力沿桩长分布图

从图9可见：

(1)在桩顶下4 m处，侧摩阻力由负值变为正值，表明桩顶下0～4 m处摩阻力为负摩阻力，桩顶4 m以下开始变为正摩阻力，并逐渐增大。

(2)随着荷载增加，中上部的侧摩阻力逐渐发挥,但侧摩阻力的增量越来越小,逐渐逼近其极限荷载。在最大试验荷载19 000 kN作用下，桩身轴力实测最大值为17 231 kN，测点距桩顶4 m；桩身侧摩阻力实测最大值为433 kPa，位于强风化泥岩和中风化泥岩处。

(3)桩身轴力0～10 m范围内的侧摩阻力平衡，即桩长范围内的摩阻力未完全发挥，大直径混凝土桩承载状态呈摩擦型；桩顶10 m以下的侧摩阻力变化不同于10 m以上的，表明摩阻力在桩下部的变化复杂。这是由于桩底下部进行扩大，使得侧摩阻力在桩底扩大部分先增大后减小，因此，对桩底进行扩大会影响摩阻力的发挥，使得桩底扩大部分的侧摩阻力变化异常。

3 结论

(1)大直径混凝土桩的单桩竖向承载力特征值均能满足设计要求，其荷载沉降曲线Q―s曲线呈缓变型，满足规范要求。可知大直径混凝土桩具有相对较高的承载力及桩身强度。

(2)在承受上部荷载时，大直径混凝土桩上部一定范围先承受负侧摩阻力，然后开始承受正侧摩阻力，随着荷载增加，中上部的摩阻力逐渐发挥,但摩阻力的增量越来越小,逐渐逼近其极限荷载;桩底扩大部分会影响摩阻力的发挥。

(3)大直径混凝土桩在地质条件为软岩地区能够发挥其较高承载力和桩身强度的特性。