大直径扩底灌注桩抗压承载力试验研究

毛宗原，徐文武，马 骥，郭 豪

(1.中国建筑技术集团有限公司，北京 100013；2.北京京投兴业置业有限公司，北京 100097)

0 引言

随着我国经济的不断发展，高层建筑、大跨桥梁和大型车站的建设不断增多，对建筑基础承载力的要求越来越高。桩基础是一种能够充分利用深层地基土承载力，将桩所承受的荷载传递到更深、更密实的地基持力层上的基础形式。对于高层建筑、大型桥梁和车站而言，桩基础是一种既能满足要求又经济的基础形式。目前，我国已经向着大直径深长等直径桩、扩底桩和预应力桩进行研究，但是对于大直径深长扩底灌注桩的现场试验研究还较少，其荷载传递形式还没有较多的数据支持。因此，通过现场试验研究大直径深长扩底灌注桩的受力形式和荷载传递机理对桩基理论的发展、扩底桩的设计方法以及工程的实际应用有巨大帮助。通过对砂土中大直径深长灌注桩和扩底桩现场静载荷试验结果分析，研究大直径灌注桩和扩底桩承载特性和荷载传递机理。

1 工程概况

试验场地位于通州区芙蓉路以东、玉带河大街以西、京哈南侧路以南、城际联络线南侧用地边线以北，场地为北京城市副中心综合交通枢纽试验场地。该试验场地打设4根试验桩为混凝土灌注桩，其中等直径桩(SZ1-15,SZ1-19)桩径为2 400mm，有效桩长为71.6m(桩顶标高为15.100m，桩底标高为-56.500m)，桩头露出地面600mm，桩身混凝土设计强度等级为C40(水下)；扩底桩(SZ2-17,SZ2-18)桩径为2 400mm，扩底直径为3 500mm，有效桩长为71.6m(桩顶标高为15.100m，桩底标高为-56.500m)，桩头露出地面600mm，桩身混凝土设计强度等级为C40(水下)。试验桩详细设计信息如表1所示，扩底桩结构如图1所示，试桩平面位置如图2所示。

表1 试验桩参数

图1 扩底桩示意

图2 试桩平面位置示意

试桩均为旋挖成孔灌注桩，试桩成孔后采用成孔质量检测仪进行成孔质量检测。试桩浇筑完成并破除桩头后采用超声波法和低应变法检测桩身完整性，每根桩制作钢筋笼时紧贴钢筋笼内壁放置4根声测管，内径≥4cm。在桩底和桩侧45m范围进行后注浆，在制作钢筋笼时将4根声测管与桩端注浆阀焊接在一起兼作桩端注浆管，在桩侧绑扎3根桩侧后注浆管，布置形式如图3所示。

图3 声测管布置

单桩竖向抗压承载力试验按JGJ 106—2003《建筑基桩检测技术规范》、JGJ94—2008《建筑桩基技术规范》和DB32/T291—1999《桩承载力自平衡测试技术规程》进行，采用锚桩堆载联合法检测单桩竖向抗压极限承载力。试验前需要在桩顶制作抗压桩头，桩头高出桩顶标高600mm，用厚10mm的钢板围裹，桩头范围内设水平箍筋，顶部设10层钢筋网片，间距为250mm，用C60混凝土浇筑，并用高强度等级砂浆将桩顶抹平。试验过程中利用桩顶上部堆载和锚桩抗拔力提供试验桩竖向压力，加载方式为液压千斤顶(高压油泵)，加载值由静荷载测试分析仪测读，单桩竖向抗压静载试验加载分为14级。

试验过程中在桩顶架设4个位移传感器测读试点的沉降量。采用应力计进行桩身内力检测，桩身内力测试与抗拔静载试验同步进行，钢筋应变量于每级荷载作用下稳定后用仪器测量其应变值，计算应变计断面处桩身轴力及桩侧土的分层侧阻力。应变计安装共分16个剖面，每个剖面对称安装4个应变计。

试验过程中采用慢速维持荷载法，SZ1-15加载至60 000kN时停止加载，SZ1-19加载至57 000kN时停止加载，SZ2-17加载至66 500kN时停止加载，SZ2-18加载至70 000kN时停止加载。每级荷载加荷后按第5，15，30，45，60min测读桩顶沉降量，以后每30min测读一次。每1h内的桩顶沉降量不超过0.1mm，并连续超过2次时，表示桩顶沉降达到相对稳定，可以施加下一级荷载。

2 试验结果

2.1 Q-s曲线分析

Q-s曲线代表桩顶沉降随桩顶荷载增大而变化的曲线，直接反应单桩在竖向荷载作用下的沉降变化。SZ1-15，SZ1-19，SZ2-17和SZ2-18试桩的Q-s曲线如图4所示。

图4 试桩Q-s曲线

由图4可以看出，试桩SZ1和SZ2的Q-s曲线形式是相同的，都是在刚开始加载时顶部沉降缓慢增加，随着竖向荷载的增加顶部沉降增量也逐渐增大，试桩Q-s曲线呈缓变型。试桩SZ1和SZ2的沉降增长速度不同，在竖向荷载为40 000kN左右时，试桩SZ1和SZ2的Q-s曲线开始出现明显的分化，相同荷载下试桩SZ1的沉降量和沉降增量比试桩SZ2大。

根据试桩Q-s曲线和试桩s-lgt曲线可以得出，试桩SZ1-15,SZ1-19,SZ2-17和SZ2-18的单桩抗压极限承载力和对应的最大沉降量如表2所示。对比SZ1和SZ2型试桩试验结果可以看出，扩底桩单桩抗压极限承载力比SZ1-15大6 500～10000kN，承载力提高了10.8%～16.7%；扩底桩单桩抗压极限承载力比SZ1-19大9 500～13 000kN，承载力提高了16.7%～22.8%。

表2 试验结果

根据Q-s曲线和试验结果可以看出，扩底桩增加了单桩竖向抗压承载力，而且减小了同荷载条件下桩顶沉降量，使单桩Q-s曲线呈现更平稳的变化。

2.2 试桩轴力分布

观察试桩SZ1-15，SZ1-19，SZ2-17和SZ2-18试的轴力分布可以看出(见图5，表3)，等直径桩和扩底桩桩身轴力均呈现上大下小的分布，在桩顶部位轴力最大，随着深度的增加逐渐减小，在桩身深度-26.000m处减小加快。比较不同荷载等级下的桩身轴力，发现桩承受压力都是先激活上部桩土侧摩阻力，再激活下部桩土侧摩阻力和桩端阻力，桩身阻力的发挥是不同步的。

图5 极限承载力下桩身轴力

表3 试桩桩身轴力 kN

比较试桩在极限承载力下的桩身轴力曲线可以看出，等直径桩桩身轴力比扩底桩整体要小5 000kN左右，并且在上半部分桩身轴力变化差异较大，在桩身深度-3.000～-26.000m，试桩SZ1-15,SZ1-19,SZ2-17和SZ2-18桩身轴力分别减少了8 441,8 425,10 362kN和10 415kN，扩底桩桩身轴力减小量约是等直径桩的1.23～1.24倍；而在桩身深度-26.000～-72.000m，试桩SZ1-15,SZ1-19,SZ2-17和SZ2-18桩身轴力分别减少了35 807,34 110,36 919kN和37 427kN，扩底桩桩身轴力减小量约是等直径桩的1.03～1.10倍，减小比例相对于-3.000～-26.000m段有明显降低。由此可以看出，与等直径桩相比，扩底桩增大了桩身-3.000～-26.000m段的桩侧承载力，改善了桩身受力形式。

试桩SZ1-15,SZ1-19,SZ2-17和SZ2-18桩底应力计读数分别为15 206,13 895,18 618kN和21 620kN，扩底桩SZ2-17桩底承载力比等直径桩SZ1-15和SZ1-19分别增长了3 412kN和4 723kN，增长比例为22.4%和34.0%；扩底桩SZ2-18桩底承载力比等直径桩SZ1-15和SZ1-19分别增长了6 414kN和7 725kN，增长比例为42.2%和55.4%。由此可以看出，桩底扩大头部分将桩端承载力提高了20%～50%，有效增强了单桩极限抗压承载力。

2.3 桩侧摩阻力分析

桩侧摩阻力是通过计算桩身各截面轴力之差再除以截面之间的桩侧面积计算出的单位面积上桩身所受的摩擦力。由图6和表4可以看出，在极限荷载作用下试桩SZ1-15,SZ1-19,SZ2-17和SZ2-18在桩身深度-2.100～-25.100m段桩侧摩阻力平均值约为46.92,46.99,57.27kPa和57.22kPa，而在-25.100～-71.100m段桩侧摩阻力平均值约为103.29,98.4,106.5kPa和107.97kPa，试桩桩身深度-2.100～-25.100m段桩侧摩阻力约为-25.100～-71.100m段桩侧摩阻力的一半，由此看来试桩主要是由桩身中下部来提供反力的。

图6 试桩极限摩阻力

表4 试桩极限侧摩阻力 kN

扩底桩SZ2-17和SZ2-18在桩身深度-2.100～-25.100m段摩阻力比试桩SZ1-15和SZ1-19大10.3kPa左右，桩侧摩阻力增长比例为22%；而在桩身深度-25.100～-71.100m段摩阻力比试桩SZ1-15和SZ1-19大6.4kPa左右，增长比例为6.4%。由此可以看出，扩底桩上部桩身的侧摩阻力明显增大，而对中下部桩身侧阻力影响较小，这说明扩底桩使桩侧阻力有所增加，并且增长比例不同。这是因为扩底桩增大了桩端阻力，限制了桩身与桩侧土体的相对位移，结合桩土界面黏结滑移性质和黏结滑移曲线(见图7)可知，桩身轴力较大已经超过峰值黏结应力处于滑移段，与等直径桩相比扩底桩桩底扩大头增大了桩端阻力，限制了桩身的位移(尤其是桩顶的位移)，在滑移段产生较小的位移，对应到典型黏结应力-滑移曲线上可以看出其黏结应力较大，所以扩底桩桩顶部位摩阻力有明显的增加,桩身中下部摩阻力有少量增加，桩身结构受力形式得到改善。

图7 桩土黏结应力-滑移曲线示意

3 结语

1)等直径桩和扩底桩桩顶沉降在刚开始加载时相差不大，桩顶沉降变化缓慢，Q-s曲线呈缓变型。桩身受压过程中，随着竖向荷载的增加桩顶沉降逐渐增大，桩顶沉降增量也增大。

2)相较于等直径桩，扩底桩单桩竖向抗压承载力提高了10.8%～22.8%，而且减小了同荷载条件下桩顶沉降量，使单桩Q-s曲线呈现更平稳的变化。

3)桩承受压力都是先激活上部桩土侧摩阻力，再激活下部桩土侧摩阻力和桩端阻力，桩身阻力的发挥是不同步的。

4)与等直径桩相比扩底桩增大了桩身上部的桩侧承载力，将桩端承载力提高了20%～50%，有效增强了单桩极限抗压承载力，改善了上部桩身受力形式。

5)试桩上部桩身侧阻力为中下部桩身的一半左右，桩身反力主要是由桩身中下部来提供的。相对于等直径桩，扩底桩上部桩身的侧摩阻力提高了22%，而中下部桩身侧摩阻力提高了6.4%。结合典型黏结应力-滑移曲线可知，桩身轴力较大处于滑移段，扩底桩增大了桩端阻力，限制了桩身的位移(尤其是上部桩身的位移),使桩土黏结应力增大，所以扩底桩桩顶部位摩阻力有明显的增加，桩身中下部摩阻力有少量增加，桩身结构受力形式得到改善。

6)扩底桩施工工期与单位造价与等直径桩相差不大，而单桩抗压承载力则提高了10.8%～22.8%，桩端阻力提高了20%～50%，桩顶侧阻力提高了22%，改善了单桩受力形式，其承载特性表现为端承摩擦桩；并且同荷载条件下扩底桩的沉降量比等直径桩有所减小。