陕北地区钻孔灌注桩承载特性试验研究

马文龙，牛 兵，苏立保，白逸洁，张晓波

(1.机械工业勘察设计研究院有限公司，陕西 西安 710043； 2.陕西中机岩土工程有限责任公司，陕西 西安 710043)

1 概述

钻孔灌注桩由于其桩身刚度大、承载力高、地层适应性强等优点在桩基础中得到广泛的使用，并在减少上部结构沉降、提高地基承载力等方面发挥着明显的作用[1]，因此成为高层建筑等众多工程建设重要的基础形式。

近年来，我国众多学者对钻孔灌注桩承载特性进行了深入研究，并取得了一定的研究成果。桑伟锋[2]开展大直径钻孔灌注桩大吨位竖向单桩静载试验，发现大直径超长钻孔灌注桩桩侧摩阻力的发挥与土层性质、土层埋深及桩顶荷载水平有关；赵升峰[3]在南京河西地区开展现场载荷试验，对大直径超长钻孔灌注桩的承载特性及荷载传递机理进行了分析，结果表明该试桩表现出摩擦型桩特征，且桩侧摩阻力与桩端阻力呈现出异步发挥的特征；陈旻[4]在深厚软土地区进行大直径钻孔灌注桩静载试验，对软土中持力层为卵石的超长桩的承载性状和荷载传递机理展开研究，发现靠近桩端的侧摩阻力弱化及强化现象均有出现，适当提高桩身混凝土设计强度,增大桩身刚度，减少桩身压缩量，可充分发挥桩身下部土层的桩侧摩阻力和桩端阻力，并减少桩侧阻力弱化现象，研究结果积累了该地区桩基设计经验；吕鹏飞[5]以高承载力钻孔灌注桩为研究对象，通过现场试验、理论分析、有限元模拟相结合，对钻孔灌注桩的承载性能、荷载传递和侧摩阻力进行研究[6]。

本文以陕西省榆林市某工程为依托，开展大直径钻孔灌注桩单桩竖向抗压静载荷试验和桩身轴力测试试验研究，试验结果对该地区的工程设计及施工有一定的指导意义。

2 工程概况

试验区位于陕西省榆林市靖边县，场地地貌单元属于低缓黄土梁、峁，属毛乌素沙漠的南缘，地形起伏较大，整体地形大致为东西走向的黄土(沙)梁和梁间洼地组成，微地貌地势大致由西南向东北倾斜，地面高程大约在1 247.5 m～1 319.7 m之间，最大高差约70 m。

各地层的物理力学指标如表1所示。

表1 土层物理力学参数

3 试验设计及方案

本次现场试验共设3组，3根试验桩编号分别为SZ1,SZ2和SZ3，桩身混凝土等级C35，其他试桩具体参数见表2，平面布置图见图1，3根试验桩均进行单桩竖向抗压静载荷试验，对SZ1和SZ3进行桩身轴力测试试验，具体试验方案如表2所示。

表2 试桩参数

3.1 单桩竖向抗压静载荷试验

单桩竖向抗压静载荷试验由加载装置、反力装置、荷载测量和沉降观测四部分组成。试验加载采用3台5 000 kN油压千斤顶并联工作，千斤顶合力中心与桩轴线重合，加载控制采用JCQ-500FM型油泵流量控制器自动控载；加载反力装置采用锚桩横梁反力装置，主梁2根、副梁2根，每根试桩用4根锚桩提供反力；荷载测量由接在千斤顶进油口的油压传感器完成；沉降测量由对称安置在桩头两个方向的位移传感器进行测读(见图2)。试验采用慢速维持荷载法进行加卸载，试验按照JGJ 106—2014建筑基桩检测技术规范相关规定执行。

3.2 桩身轴力测试试验

本次试桩桩身轴力测试采用钢筋应力计。对SZ1和SZ3进行桩身应力测试，在两根试桩钢筋笼制作的同时，在两根对称的主筋上焊接、安装应力计。SZ1,SZ3分别布置钢筋应力计26个,24个。应力计采用丹东市丹东三达仪表有限公司生产的GJL-2(Ф14和Ф22)型钢弦式传感器。

静载试验开始前，采用GPC-2型钢弦频率检测仪对钢筋应力计进行量测，至少量测3次～4次，以便对结果进行修正。单桩竖向抗压静载试验加载前一个小时测读一次，作为频率初值。以后每级加载沉降稳定后测读一次，直至全部荷载加完为止。

4 试验结果分析

4.1 单桩竖向载荷试验结果分析

图3为SZ1,SZ2和SZ3静载试验后所绘制的荷载-沉降(Q-s)曲线。SZ1与SZ2桩Q-s曲线均为缓变型，无明显的陡降段，SZ1在上部荷载达13 000 kN时，终止加载，累计沉降量约为13.60 mm，卸载后残余沉降为3.83 mm，最大回弹量为9.77 mm，回弹率71.8%；SZ2在上部荷载为12 000 kN时，终止加载，累计沉降14.76 mm，卸载后残余沉降3.69 mm，最大回弹量11.07 mm，回弹率75.0%；SZ3在上部荷载为12 000 kN时，终止加载，累计沉降量达20.02 mm，卸载后残余沉降为7.86 mm，最大回弹量12.16 mm，回弹率60.7%，从其Q-s曲线形态可以看出，当上部荷载为12 000 kN时，曲线尾部变陡，沉降量明显增加，但s-lgt曲线尾部未出现明显向下弯曲，最后一级荷载沉降达6.26 mm，占总沉降量31.3%。3根试验桩回弹率在60.7%～75.0%之间，说明桩土体系仍然在弹性工作范围内，并未进入破坏状态，仍然具有较大的承载潜力。按照JGJ 106—2014建筑基桩检测技术规范确定，SZ1，SZ2和SZ3的单桩竖向抗压极限承载力分别取13 000 kN，12 000 kN和12 000 kN。

3根试验桩的抗压极限承载力的平均值12 333 kN，其极差不超过平均值的30%，因此根据试验结果，试桩区的单桩竖向抗压极限承载力取值为12 333 kN，单桩竖向抗压承载力特征值6 166.5 kN。考虑到将来工程桩大面积施工时，从成孔、灌注等各个施工环节的控制，与试桩工况相比，对于整个工程质量的控制均属于不利因素，结合桩顶实际标高，综合建议工程区的单桩竖向抗压极限承载力取值为10 000 kN，单桩竖向抗压承载力特征值取值为5 000 kN。

4.2 桩身轴力测试试验结果分析

4.2.1 桩身轴力分布特征

为方便在试验后对桩的轴力以及侧摩阻力进行计算，做出以下规定与假设：1)桩身材料表现出线弹性特征；2)桩身截面面积相等；3)钢筋与混凝土浇筑后组成整体，两者应变协调。

采用式(1)～式(3)对桩的轴力以及每段地层的侧摩阻力进行计算：

(1)

Ni=σhiA

(2)

(3)

其中，E为试桩弹模；Eg为钢筋弹模；Ag为钢筋截面积；A为试桩截面积；D为桩直径；qs为每段地层Hi的侧摩阻力；ΔNi为地层上下界面的轴力差。

图4(a)，图4(b)是SZ1和SZ2在各级荷载下所绘制的桩身轴力曲线，由图4可以看出，在各级荷载作用下，桩身轴力均表现为随深度增加而减小，这充分说明了桩身轴力是自上而下逐步发挥的。在同一荷载下，轴力曲线基本是一条直线段，说明当荷载一定时，桩身轴力随深度呈线性方式减小。对比不同荷载下的轴力曲线斜率，发现曲线斜率随荷载增加逐渐减小，曲线的斜率可以反映桩身侧摩阻力的变化，具体为曲线斜率越小，桩身侧摩阻力越大，反之则侧摩阻力越小。试验加载初期，桩顶上部荷载较小，桩身侧摩阻力较小，曲线斜率相对较大，随着上部荷载逐渐增加，曲线逐渐变缓，桩身侧摩阻力开始逐渐发挥作用，当加载至极限荷载时曲线斜率最小，桩侧摩阻力发挥最充分。随上部荷载的增加，桩端阻力也开始逐渐发挥作用，对于SZ1，当上部荷载为2 000 kN时，桩端阻力所承担荷载百分比仅为2.27%，约45.40 kN；上部荷载为13 000 kN时，桩端阻力所占极限荷载百分比上升至12.46%，达1 619.80 kN。对于SZ3试验桩，开始加载荷载2 000 kN时，桩端阻力所承担百分比为2.73%，约54.60 kN；当上部荷载加至极限荷载12 000 kN，桩端阻力所占极限荷载百分比提高到10.88%，1 305.60 kN。

图5是各级荷载下试桩桩端与桩侧荷载分担比示意图，可以看出，SZ1与SZ3的荷载分担基本表现出相同的规律，即随着上部荷载的增加，桩端阻力所占百分比逐渐提高，桩侧摩阻力所占百分比缓慢下降。当上部荷载在4 000 kN～10 000 kN时，SZ3的桩端分担比曲线在SZ1上部，说明在此加载范围内SZ1的桩端阻力先于SZ3发挥作用，出现这样的原因主要是因为二者之间的地层虽然大致相同，但是地层力学性质之间存在细微差别。当上部荷载加载至最大时，SZ1与SZ3桩端阻力作用均发挥到最大，但桩端阻力所占百分比仅在2.27%～12.46%，由此可知，两根桩均为摩擦型桩，桩顶荷载是由桩侧摩阻力与桩端阻力两部分共同承担的，当桩顶荷载加载到一定程度后桩端阻力才开始发挥，且端阻力所占比例较小。

4.2.2 桩身侧摩阻力分析

图6(a)和图6(b)是SZ1与SZ3在各级荷载作用下沿桩身不同深度的桩侧摩阻力曲线图。在上部荷载作用下，桩土之间产生相对位移，桩侧摩阻力开始发挥作用。SZ1和SZ3二者桩侧摩阻力曲线基本表现出相同的变化特征，即随着深度的变化桩侧摩阻力总体表现出阶梯状先增大然后又减小的特征。对二者试验曲线进行对比后发现，SZ1在6 m～7.5 m时桩侧摩阻力突然变大，SZ3的侧摩阻力突变发生在7.5 m～10 m之间，对二者具体地层进行分析，桩侧摩阻力发生突变主要是由于上部土体与下部接触层土体性质存在差异，上部土层为粉砂层，下部为粉质黏土，黏土相对砂层而言，土体中含较多的黏土矿物，内摩擦角及黏聚力存在明显差异，相同的桩土接触面积黏土层所发挥的侧摩阻力明显大于砂土层。SZ1和SZ2，分别在7.5 m～19 m和11 m～18 m深度范围内，桩侧摩阻力曲线几乎为竖直线，说明桩侧摩阻力随深度的变化很小，对二者桩侧摩阻力曲线竖直段所在地层进行分析，SZ1和SZ2在竖直段地层均为⑥层粉土，对同一试验桩，当地层相同时，与桩体周围接触的土体的力学性质相近，桩侧摩阻力变化较小。随深度增加，桩侧摩阻力先缓慢增加然后到一定深度后开始减小。在同一深度，随着荷载的增加，侧摩阻力逐渐变大，这与轴力分布曲线斜率随荷载增加而减小相对应。

5 结论

以陕西省榆林市某工程为依托，进行大直径钻孔灌注桩单桩静载荷试验及桩身轴力测试试验，并对两种试验结果进行分析，得到如下结论：

1)3根试验桩在上部荷载作用下，沉降量介于13.6 mm～20.02 mm之间，卸荷后回弹率在60%～75%之间，说明桩土体系仍然在弹性工作范围内，并未进入破坏状态，仍然具有较大的承载潜力。

2)试桩区的单桩竖向抗压极限承载力取值为12 333 kN，单桩竖向抗压承载力特征值6 166.5 kN，考虑综合因素，建议工程区的单桩竖向抗压极限承载力取值为10 000 kN，单桩竖向抗压承载力特征值取值为5 000 kN。

3)试桩的侧摩阻力表现出自上而下逐步发挥的特征，且侧阻力的发挥受到土层物理力学性质的影响，在土层性质相近时侧摩阻力随深度变化较小，反之则变化明显。

4)试桩的桩侧摩阻力与桩端阻力表现出异步发挥，互相耦合的特征，且桩端阻力占总荷载的百分比随荷载增加而变大，但是桩端阻力分担比仅在2.27%～12.46%之间，表现出明显的摩擦桩特征。