黄土地区不同成孔方式灌注桩承载特性现场试验研究

柏耘，朱林楦，周志军，魏晓康

黄土地区不同成孔方式灌注桩承载特性现场试验研究

柏耘1，朱林楦2，周志军2，魏晓康3

(1.昭通市交通建设工程质量安全监督局，云南 昭通 657000；2. 长安大学 特殊地区公路工程教育部重点实验室，陕西 西安 710064；3. 中交第一公路勘察设计研究院有限公司，陕西 西安 710075)

为研究不同成孔方式对桩基承载特性产生的影响，依托吴定高速公路，开展旋挖钻孔、冲击钻孔以及人工挖孔3种成孔方式灌注桩的现场静载对比试验，得到不同成孔方式灌注桩桩身轴力、桩侧摩阻力及桩顶位移等主要参数。研究结果表明：人工挖孔桩的极限承载力最大，冲击钻孔桩的极限承载力最小；3种成孔方式桩基的桩身轴力衰减速率在各级荷载作用下的变化规律基本相同，其中人工挖孔桩桩身轴力的衰减速率最大，冲击钻孔桩的最小；此外，在同一荷载作用下，人工挖孔桩的桩侧阻力最大，桩端阻力最小而冲击钻孔桩的桩端阻力最大，桩侧阻力最小。研究结果可为黄土地区灌注桩基础选择合理的成孔方式提供理论和实践依据，且有利于桩基承载力的提高。

桥梁工程；灌注桩；成孔方式；极限承载力；桩侧摩阻力；桩端阻力

成孔是桩基施工的关键工序之一，而成孔方式的不同将直接影响桩侧阻力的分布和桩端阻力的发挥。因公路桥梁桩基础桩径相对较大、桩长较长，且所穿越地层变化无常，为保证成孔质量及施工进度，旋挖钻孔、冲击钻孔以及人工挖孔这3种成孔方式因其各自优点在公路桥梁建设中均得到不同程度的应用[1]。目前，黄土地区公路桥梁桩基的成孔方式主要为旋挖钻孔[2]。学者们对桩基在荷载作用下的承载特性的相关研究很多[3−7]，但关于成孔方式对桩基承载特性影响的研究还存在很多不足。桩与桩周土体之间的相互作用是桩基承载特性的实质表现，桩身应力在桩与桩周土体之间的传递是非常复杂的，其传递规律和很多因素有关[8]。以往通过对旋挖钻孔灌注桩进行静载试验得到的桩基承载特性并不适用于冲击钻孔桩或人工挖孔桩，反之亦然[9]。张炜等[10]对西安地区不同场地20余根旋挖钻孔灌注桩静载试验及桩身应力测试结果的分析，论述了黄土地基中旋挖钻孔灌注桩的荷载传递性状，其单桩竖向极限承载力的试验结果比规范中计算结果提高约30%。谢星等[11]通过黄土地基中旋挖钻孔灌注桩和泥浆护壁钻孔灌注桩静载试验和桩身应力的测试，分析了黄土地基中2种成孔方式灌注桩桩身轴力的传递规律、桩侧阻力的分布规律及桩端阻力的发挥性状。王海新等[12]分析了泥浆对桩基承载特性产生影响的作用机理，泥浆的质量(主要是泥浆的稠度)决定了桩底沉渣和桩侧“泥皮”的厚度。黎见明[13]在黄土地区对循环钻成孔和旋挖钻成孔的灌注桩进行现场静载试验研究，通过对比分析发现旋挖钻灌注桩的承载力以及桩侧摩阻力均高于循环钻灌注桩，表明不同成孔方式对桩基础的承载特性影响较大。综上所述，成孔方式对桩基承载特性影响的理论研究还存在很多不足[14]，且《公路桥涵地基与基础设计规范》(JTG D63—2007)[15−16]中规定的桩基竖向承载力计算公式也没有考虑成孔方式的影响。因此，研究成孔方式对黄土地区桩基承载特性的影响，对合理选择成孔方式、节约工程造价，进而提高桩基的承载力具有非常重要的意义[17]。

1 工程概况

吴定高速(WDGS)是陕北交通网中的重要一环，全长92 km，双向四车道。全段桥梁的设计多采用桩基础(钻孔桩)承担上部荷载，但根据工程的实际情况及其他因素，沿线的各个标段均大量采用人工挖孔桩、冲击钻孔桩、旋挖钻孔桩。本试验区位于榆林市定边县杨井镇东侧吴定高速LJ-9标段杨井特大桥处，试验区地貌单元为沟谷黄土沟壑工程地质区地貌，两岸桥台位于黄土梁峁之上，桥台附近地势较为平坦。地面标高最高为1 629.60 m，最低为1 644.59 m，相对高差约14.99 m。

试验区地下水位埋藏较深，进行钻孔范围内并未发现地下水存在，且试验区不存在地表水。吴定高速公路勘察设计的数据表明，现场静载试验区土层可分为：

通过室内试验，得出现场地基土各项参数如表1所示。

表1 地层特征及土层主要物理力学参数

2 现场静载试验概况

静载试验法通过安置在桩顶的位移采集器(百分表或其他设备)测量试验过程中的桩身沉降，是一种原位测试法，并绘制曲线或曲线等来确定单桩的极限承载力，并通过埋置在桩身的钢筋应力计计算试桩的桩侧阻力及桩端阻力[18]。

为研究成孔方式对单桩承载特性的影响，现场静载试验共设置了3种成孔方式试桩，即人工挖孔桩、旋挖钻孔桩、冲击钻孔桩，试桩布置详见图1，3种成孔方式试桩的桩径、桩长均为1.5 m和25 m，锚桩桩径、桩长均为1.5 m和30 m。试验区试桩均采用C30混凝土，试桩桩顶1.5 m部分均采用C40混凝土。锚桩成孔方式均为旋挖钻孔，且都采用C30混凝土进行浇筑。试桩所使用的钢筋按规范要求配置，试桩和锚桩参数见表2。相邻两锚桩间距为7 m，试桩布置在相邻4根锚桩的中心，锚桩使用的钢筋亦按规范要求配置，现场静载试验照片见图2。

单位：mm

表2 试桩、锚桩参数

图2 现场静载试验

3 试验结果分析

3.1 单桩极限承载力

单桩在竖向荷载作用下达到破坏状态前或出现不适于继续承载的变形时所对应的最大荷载，称为单桩竖向极限承载力[19]。而桩基的承载特性很难达到物理意义上的极限，通常所说的极限是指桩身的沉降变形满足上部要求时所达到的最大状态[20]。

人工挖孔桩、旋挖钻孔桩、冲击钻孔桩的~曲线见图3。试桩S1，S2，S3的~曲线在大体上均是呈陡降型。当桩土相对位移小于5 mm时，以弹性变形为主，3种成孔方式灌注桩荷载与相对位移近似呈线性关系，且斜率基本相近；当桩土相对位移大于5 mm时，以塑性变形为主，桩侧阻力与桩端阻力随桩土相对位移发挥程度差别较大，导致上部荷载相同时3种成孔方式灌注桩桩土相对位移差别较大。

图3 试桩Q~S曲线

通过试验数据按照上述介绍的方法分别确定试桩的极限承载力。试桩S1，S2和S3的极限承载力分别为：11 000，9 000和8 000 kN，对应的沉降量分别为：10.891，7.228和3.358 mm。因此，当桩长、桩径、地层性质及其他影响因素相同时，人工挖孔桩的极限承载力最大，冲击钻孔桩的极限承载力最小。其主要原因是：人工挖孔桩的混凝土护壁增强了桩土之间的相互作用，有利于桩侧阻力的发挥；且可以把混凝土护壁看成桩身的一部分，增大了桩径，使单桩承载力提高。旋挖钻孔桩是对桩侧土体进行切削，清孔不干净，不利于桩端阻力的发挥。冲击钻孔桩采用泥浆护壁，会在桩侧留下2~3 mm厚的“泥皮”，削弱了桩土之间的相互作用，不利于桩侧阻力的发挥且在冲击成孔过程中重锤的冲击使得桩底沉渣清难以彻底清除，桩端阻力的发挥也受到影响。

试桩S1，S2和S3施加的最大荷载分别为：12 000，12 000和14 000 kN，对应的最大沉降量分别为：77.493，72.867和63.925 mm。随着上部施加压力的卸除，试桩S1，S2和S3的最终沉降值分别为：63.582，63.719和55.513 mm。试桩S1，S2和S3的桩身的回弹位移分别为；13.911，9.148和8.412 mm，人工挖孔桩的桩身回弹位移最大，冲击钻孔桩的最小。

3.2 桩身轴力分布

根据现场静载试验，试桩S1，S2和S3轴力的分布见图4~6。根据轴力图可以发现：桩基S1，S2和S3的轴力沿整个桩身的分布规律大体相同。轴力在桩身上的分布从上到下是逐渐减小的，这是因为施加在上部的荷载在向下传递的过程中，被桩侧阻力平衡了一部分。轴力的衰减速率代表了桩侧阻力的发挥效果，故其衰减速率越快，侧面阻力发挥的效果就越好。由轴力图也可以看出，在桩身顶部施加压力相同的情形下，冲击钻孔桩桩端阻力的阻力最高，这说明冲击钻孔桩桩侧阻力的发挥效果较低，桩端阻力的发挥效果最好。而对于人工挖孔桩，桩侧阻力发挥的效果最好，桩端阻力较差。

图4 S1(人工挖孔桩)轴力图

图5 S2(旋挖钻孔桩)轴力图

3.3 桩侧阻力的分布

桩在上部荷载的作用下，桩身产生压缩变形，桩身与桩周土体之间出现相对位移，此时，桩侧产生一向上的力阻碍桩身继续下沉，即桩侧阻力[21]。不同成孔方式试桩的桩侧阻力沿桩身的分布详见图7~9。

图6 S3(冲击钻孔桩)轴力图

图7 人工挖孔桩桩侧阻力

由图7~9可以看出：同一荷载作用下，桩身不同截面处的桩侧阻力不同，即桩侧阻力沿桩身并不是均匀分布的，且不同成孔方式试桩的桩侧阻力沿桩身的变化规律大致相同，均为先变大后变小。人工挖孔桩、旋挖钻孔桩和冲击钻孔桩的桩侧阻力均在距桩顶11 m处的截面上到达峰值，冲击钻孔桩的桩侧阻力在桩身底部达到第2个峰值。峰值的出现与桩周土的性质有关，也与桩土之间的相互作用有关，而成孔方式能够影响桩土之间的相互作用，如人工挖孔桩的混凝土护壁可以提高桩侧阻力的发挥程度，冲击钻孔桩施工过程中在桩侧留下的“泥皮”不利于桩侧阻力的发挥。

图8 旋挖钻孔桩桩侧阻力

图9 冲击钻孔桩桩侧阻力

从总体上讲，当桩顶所受荷载相同时，人工挖孔桩的桩侧阻力最大，旋挖钻孔桩次之，冲击钻孔桩最小，如图10所示。

3.4 桩端阻力的发挥

桩在上部荷载的作用下，桩身产生压缩变形，桩身与桩周土体之间出现相对位移，若桩侧阻力不足以平衡桩顶荷载，则桩底土体也因产生压缩变形而产生向上的支撑力，即桩端阻力。且桩端阻力达到极限状态所需要的桩端沉降变形要比桩侧阻力完全发挥所需要的桩与桩侧土的相对位移要求 高[22]。

图10 各级荷载下桩侧阻力

3.4.1 各级荷载作用下的桩端阻力

根据图11，当上部压力变大时，3种成孔方式试桩的桩端阻力均随之提高。当上部施加压力相同时，人工挖孔桩的桩端阻力最小，冲击钻孔桩最大，说明在施加压力的过程中，人工挖孔桩的桩端阻力平衡上部所施加压力的比例最大，旋挖钻孔桩次之，人工挖孔桩最小；桩端阻力对冲击钻孔桩的影响最大，对人工挖孔桩最小。

图11 各级荷载作用下桩端阻力

3.4.2 极限承载力状态下的桩端阻力

根据静载试验所得的数据，分别计算各试桩在达到极限承载力状态时的桩侧阻力与桩端阻力，数据详见表3，图12。根据表3和图12可以得到：不同成孔方式下各试桩在达到极限承载力状态时，桩侧阻力与桩端阻力占比并不相同。桩侧阻力占比试桩S1最大，S2次之，S3最小；桩端阻力占比试桩S3最大，S2次之，S1最小。3根试桩的承载特性均是以桩侧阻力为主的，但3根试桩的主要区别在于人工挖孔桩侧面阻力的发挥效果最好，桩端阻力发挥效果最差；冲击钻孔桩身桩桩端阻力的发挥效果最好，桩侧阻力发挥效果最差。

3.5 桩端阻力与桩侧阻力的关系

不同成孔方式试桩在各级荷载作用下的桩侧阻力与桩端阻力见图13，二者占比见图14 (“占比”为桩侧阻力或桩端阻力与本级桩顶所受荷载之比)。

图12 极限承载力状态下桩侧阻力与桩端阻力占比

由图13可知，当在不同成孔方式试桩顶部施加压力时，桩侧阻力与桩端阻力的折线图均呈上升态势，且桩侧阻力持续增加并未趋于某值，这说明在施加完最后一级荷载后桩侧阻力并未达到极 限值。

由图14可知，人工挖孔桩桩侧阻力占比最大，桩端阻力占比最小；冲击钻孔桩侧阻力占比最小，桩端阻力占比最大，但3种成孔方式试桩二者占比折线图的变化规律基本相同。在施加上部荷载的后期，3种成孔方式试桩的桩侧阻力占比均呈减小趋势，桩端阻力占比均呈增大趋势，但变化趋势不明显，这是由于本试验试桩均为摩擦桩，且在桩顶施加最后一级荷载时桩侧阻力与桩端阻力都未处于极限状态所致。在桩顶施加荷载的前期，尤其在施加第1级荷载至第2级荷载期间，3种成孔方式试桩的桩侧阻力占比均减小，桩端阻力占比均增大，这是由于土体力学性质的复杂，桩侧阻力的发挥需要一个过程，并非一蹴而就的。

表3 极限承载力状态下桩侧阻力与桩端阻力

图13 桩侧阻力与桩端阻力

图14 桩侧阻力与桩端阻力占比

4 结论

1) 人工挖孔桩、旋挖钻孔桩、冲击钻孔桩的极限承载力分别为：11 000，9 000和8 000 kN，对应的沉降量分别为：10.891，7.228和3.358 mm。卸荷后，试桩的回弹量分别为：13.911，9.148和 8.412 mm。

2) 人工挖孔桩、旋挖钻孔桩、冲击钻孔桩的桩身轴力衰减速率在各级荷载作用下的变化规律基本相同，均为先减小，再增大最后减小。

3) 同一荷载作用下，人工挖孔桩的桩侧阻力最大，旋挖钻孔桩次之，冲击钻孔桩最小；冲击钻孔桩的桩端阻力最大，旋挖钻孔桩次之，人工挖孔桩最小。

4) 试桩在达到极限承载力状态时，桩侧阻力与桩端阻力承担上部荷载的比例并不相同。桩侧阻力占比最大的为人工挖孔桩，桩端阻力占比最大的为冲击钻孔桩。

[1] 张利鹏. 非湿陷性黄土地区不同成孔方式桩端后压浆灌注桩承载特性研究[D]. 西安: 长安大学, 2018. ZHANG Lipeng. Study on bearing characteristics of post-grouting cast-in-place piles with different hole- forming methods in non-collapsible loess area[D]. Xi’an: Chang’an University, 2018.

[2] 王学知, 李亚东, 赵春风. 灌注桩桩端与桩侧土体相互作用试验研究[J]. 建筑科学, 2012, 28(3): 50−53, 57. WANG Xuezhi, LI Yadong, ZHAO Chunfeng. Experimental study on interaction between pile tip and pile side soil[J]. Architectural Science, 2012, 28(3): 50− 53, 57.

[3] Seed H B, Reese L C. The action of soft clay along friction piles[J]. Transactions of the American Society of Civil Engineers, 1957, 122: 731−754.

[4] Cooke R W. The settlement of friction pile foundation[J]. Foundation and Soil Technology, Building Research, Series S, 1974(3):7−19.

[5] GAO G, GAO M, CHEN Q, et al. Field load testing study of vertical bearing behavior of a large diameter belled cast-in-place pile[J]. KSCE Journal of Civil Engineering, 2019, 23(5): 2009−2016.

[6] Kam N, Seidman J, Lim R M. Examining auger cast-in-place piles in difficult ground conditions[M]. IFCEE, 2018: 428−439.

[7] DU G, WANG A, LI L, et al. Calculation approach for lateral bearing capacity of single precast concrete piles with improved soil surrounds[J]. Advances in Civil Engineering, 2018(12): 1−12.

[8] 丁建文. 大直径深长钻孔灌注桩承载性状及工程应用研究[D]. 南京: 东南大学, 2005. DING Jianwen. Load-bearing characteristics and engineering application of large diameter and deep bored piles[D]. Nanjing: Southeast University, 2005.

[9] 王端端, 周志军, 吕彦达, 等. 湿陷性黄土中成孔方式对桩基承载力影响试验研究[J]. 岩土力学, 2015, 36(10): 2927−2933. WANG Duanduan, ZHOU Zhijun, LÜ Yanda, et al. Experimental study on the influence of pore-forming method on pile bearing capacity in collapsible loess[J]. Geotechnical Mechanics, 2015, 36(10): 2927−2933.

[10] 张炜, 茹伯勋. 西安地区旋挖钻孔灌注桩竖向承载力特性的试验研究[J]. 岩土工程技术, 1999(4): 39−43. ZHANG Wei, RU Boxun. Experimental study on vertical bearing capacity of rotary drilled cast-in-place piles in Xi'an area[J]. Geotechnical Engineering Technology, 1999(4): 39−43.

[11] 谢星, 王东红, 赵法锁, 等. 黄土地区两种成孔工艺钻孔灌注长桩承载力性状对比研究[J]. 西安科技大学学报, 2005(1): 42−46. XIE Xing, WANG Donghong, ZHAO Fasuo, et al. Comparative study on bearing capacity of long bored piles with two kinds of hole-forming techniques in loess area[J]. Journal of Xi’an University of Science and Technology, 2005(1): 42−46.

[12] 王海新, 吴亚平, 孙安元, 等. 循环荷载下冻土桩基力学特性研究[J]. 铁道科学与工程学报, 2017, 14(10): 2111−2117. WANG Haixin, WU Yaping, SUN Anyuan, et al. Mechanical properties of frozen soil pile foundation under cyclic loading[J]. Journal of Railway Science and Engineering, 2017, 14(10): 2111−2117

[13] 黎见明. 后压浆技术在公路桥梁桩基础中的应用研究[J]. 广东土木与建筑, 2009, 16(5): 50−51. LI Xianming. Application of post-grouting technology in pile foundation of highway bridges[J]. Civil and Architecture, Guangdong, 2009, 16(5): 50−51.

[14] 李国旗. 关中黄土地层公路桥梁钻孔灌注桩侧摩阻力研究[D]. 西安: 长安大学, 2013. LI Guoqi. Study on lateral friction resistance of bored piles for highway bridges in Guanzhong loess stratum[D]. Xi’an: Chang’an University, 2013.

[15] 何文安, 李哲. 西安地区用静力触探预估钻孔灌注桩极限承载力的研究[J]. 工业建筑, 2006(增1): 710−713. HE Wenan, LI Zhe. Study on predicting ultimate bearing capacity of bored piles by static penetration in Xi’an area[J]. Industrial Building, 2006 (Suppl 1): 710−713.

[16] 田进春. 冲击钻孔桩在软土桥梁基础中的应用[J]. 西部交通科技, 2017(12): 74−76, 90. TIAN Jinchun. Application of impact bored pile in soft soil bridge foundation[J]. Western Transportation Science and Technology, 2017(12): 74−76, 90.

[17] 胡庆红, 张土乔, 谢新宇. 深厚软土中大直径灌注扩底桩受力性状试验研究[J]. 土木工程学报, 2007(4): 87− 91, 103. HU Qinghong, ZHANG Tuqiao, XIE Xinyu. Experimental study on mechanical behavior of large diameter cast-in-place belled pile in deep soft soil[J]. Journal of Civil Engineering, 2007(4): 87−91, 103.

[18] 栗维.单桩承载力计算方法简述[J]. 科技经济市场, 2014(4): 84. LI Wei. Brief description of calculation method of bearing capacity of single pile[J]. Science and Technology Economic Market, 2014(4): 84.

[19] 唐水清, 吴群, 毕理毅. 施工工法对钻孔灌注桩承载力的影响[J]. 西部探矿工程, 2005(8): 7−8. TANG Shuiqing, WU Qun, BI Liyi. Effect of construction method on bearing capacity of bored cast- in-place piles[J]. Western Prospecting Project, 2005(8): 7−8.

[20] 刘尧. 钻孔压浆混凝土预制管复合桩竖向承载力试验研究[D]. 哈尔滨: 东北林业大学, 2014. LIU Yao. Experimental study on vertical bearing capacity of bored grouted concrete precast pipe composite pile[D]. Harbin: Northeast Forestry University, 2014.

[21] 王东红. 西安地区超长钻孔灌注桩竖向受荷承载性能及变形机理的研究[D]. 西安: 长安大学, 2005. WANG Donghong. Study on vertical load bearing characteristics and deformation mechanism of super-long bored cast-in-place piles in Xi’an area[D]. Xi’an: Chang’an University, 2005.

[22] 张忠苗, 张乾青. 桩端土强度对桩侧阻力影响的研究[J]. 岩土工程学报, 2010, 32(增2): 59−63. ZHANG Zhongmiao, ZHANG Qianqing. Study on the influence of pile end soil strength on pile side resistance[J]. Journal of Geotechnical Engineering, 2010, 32(Suppl 2): 59−63.

A field study on bearing behavior of cast-in-place piles with different hole-forming methods in loess area

BAI Yun1, ZHU Linxuan2, ZHOU Zhijun2, WEI Xiaokang3

(1. Zhaotong Traffic Construction Project Quality and Safety Supervision Bureau, Zhaotong 657000, China;2. Key Laboratory for Special Area Highway Engineering of the Ministry of Education, Chang’an University, Xi’an 710064, China;3. CCCC First Highway Consultants Co., Ltd, Xi’an 710075, China)

In order to study the influence of different hole-forming methods on the bearing behavior of pile foundation, this paper, relying on Wuding Expressway, has carried out field static load comparative tests of rotary drilling, impact drilling and manual hole-digging methods of cast-in-place pile. From this, the main parameters such as axial force, side friction resistance and top displacement of pile with different hole-forming methods are obtained. Through comparative analysis, it is found that the ultimate bearing capacity of manual excavation pile is the largest and that of impact bored pile is the smallest. The variation law of the attenuation rate of axial force of pile body under different loads is basically the same in the three types of bored pile foundation. Among them, the attenuation rate of axial force of manual excavation pile is the largest and that of impact bored pile is the smallest. In addition, under the same load, the pile side resistance of manual excavation pile is the largest, the pile end resistance is the smallest, while the pile end resistance of impact bored pile is the largest and the pile side resistance is the smallest. The research results provide a theoretical and practical basis for choosing a reasonable hole-forming method for cast-in-place pile foundation in loess area and are conducive to improve the bearing capacity of pile foundation.

bridge engineering; cast-in-place pile; hole-forming method; ultimate bearing capacity; pile side friction resistance; pile end resistance

TU473.1

A

1672 − 7029(2020)06 −1396 − 08

10.19713/j.cnki.43−1423/u.T20190799

2019−09−07

国家自然科学基金资助项目(41702287)

周志军(1975−)，男，江苏泰兴人，教授，博士，从事桩基础承载力与变形研究；E−mail：5974100@qq.com

(编辑 涂鹏)