劉 彤

（廣州市建筑科學(xué)研究院有限公司，廣東 廣州 510440）

在工程實(shí)際中將噸位＞1 000 t的單樁靜載試驗(yàn)稱為大噸位靜載試驗(yàn)。摩擦樁在土層較厚的地區(qū)較為常見(jiàn)。需要對(duì)加載過(guò)程中樁身內(nèi)力及摩擦力進(jìn)行研究。確定樁在加載過(guò)程中應(yīng)力變化，及摩擦力在土中擴(kuò)散情況，同時(shí)對(duì)樁身變形情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，說(shuō)明樁身位移隨時(shí)間變化規(guī)律，為大噸位摩擦樁設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 工程地質(zhì)概況

工程位于廣東省中山市古鎮(zhèn)某工程，建筑基礎(chǔ)選用混凝土灌注樁，樁身直徑為1 000 mm，樁長(zhǎng)21.2 m，場(chǎng)地位于河流沖擊平原，主要地層：

（1） 素填土：灰褐色，可塑狀態(tài)，粉質(zhì)黏土為主，夾雜建筑垃圾，厚度小于1 m；

（2） 粉質(zhì)黏土：黃褐色～灰褐色，可塑狀態(tài)，偶見(jiàn)貝殼、鐵錳結(jié)核13～18 m；

（3） 粉砂：黃色～黃褐色，中密狀態(tài)，飽和，可見(jiàn)粉質(zhì)黏土夾層。

場(chǎng)地內(nèi)地下水屬于地下潛水類型，受大氣降水及西河河流補(bǔ)給，潛水埋深10.3～12.1 m。

2 荷載傳遞及靜摩擦力擴(kuò)散機(jī)理

樁頂受荷載P作用，樁身受到靜摩擦反力Pf，當(dāng)樁身摩擦力完全發(fā)揮效應(yīng)時(shí)，樁底受到樁端阻力Pb作用，如圖1所示。

圖1 荷載分布圖

整條樁處于平衡狀態(tài)即：

文章試驗(yàn)樁為混凝土旋挖樁，初始狀態(tài)樁端阻力Pb=0，隨著樁頂荷載P不斷增大，引起樁身應(yīng)變，產(chǎn)生樁與周圍土層的相對(duì)位移，側(cè)摩阻力Pf從樁頂至樁底逐漸增大，當(dāng)荷載傳遞至樁底時(shí)，樁端阻力Pb逐漸增大，直至破壞[1]。樁身應(yīng)力變化示意圖如2圖所示。

圖2 樁身應(yīng)力隨樁頂荷載變化示意圖

3 單樁豎向承載力靜載荷試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)樁安裝

試驗(yàn)前在距樁頂5、10、15 m處的鋼筋籠安裝振弦式應(yīng)力計(jì)，在樁底安裝土壓力盒，在加裝應(yīng)力計(jì)的過(guò)程中需要對(duì)鋼筋進(jìn)行切割，現(xiàn)場(chǎng)施工照片如圖3所示。

3.2 施加荷載

參考廣東省地方標(biāo)準(zhǔn)《建筑地基基礎(chǔ)檢測(cè)規(guī)范》 （DBJ 15-60—2008） ，最大荷載為設(shè)計(jì)值的二倍，共計(jì)19 000 kN[2]。

通過(guò)上部堆在石塊提供反力，根據(jù)規(guī)范要求，上部石塊重量應(yīng)大于最大試驗(yàn)荷載的20%以上，并且堆載完成后開(kāi)始試驗(yàn)。單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)加載裝置如圖4所示。

圖4 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)照片

裝置采用電動(dòng)高壓油泵給為油壓千斤頂提供荷載，由RS-JYC型樁基靜載測(cè)試分析系統(tǒng)的壓力傳感器測(cè)定油壓。千斤頂?shù)淖饔昧χ行木€通過(guò)試樁中心。

3.3 試驗(yàn)方法與變形觀察

共分十級(jí)進(jìn)行加載，第1、2級(jí)分別加載設(shè)計(jì)荷載的1/5，此后每級(jí)加載設(shè)計(jì)荷載的1/5試10，加載時(shí)每級(jí)荷載維持時(shí)間不少于1 h。

在加荷后每隔5、10、15 min自動(dòng)記錄樁頂變形量測(cè)讀樁頂變形量。當(dāng)測(cè)讀1 h后，最后15 min沉降量小于相鄰15 min沉降量時(shí)，進(jìn)行下一級(jí)加載。

加載至10級(jí)后進(jìn)行卸載，每級(jí)卸載設(shè)計(jì)值的1/5，分別在第5、15 min記錄樁頂沉降量。卸載至0級(jí)時(shí)，分別在5、15、30 min記錄樁頂沉降量，此后每30 min記錄1次，0級(jí)荷載總共維持120 min。

根據(jù)規(guī)范，在樁頂安裝4個(gè)RS-JYC型兩層為50 mm，精度為0.01 mm的位移傳感器，并通過(guò)RS-JYC型測(cè)樁儀記錄分析數(shù)據(jù)。

逐級(jí)加載，加載至第八級(jí)時(shí)，各級(jí)樁頂位移均能達(dá)到穩(wěn)定，并且最大沉降量為33.69 mm，未超過(guò)40 mm，可以達(dá)到穩(wěn)定，當(dāng)加載至第九級(jí)，即17 100 kN時(shí)，樁頂沉降量增大，增大至62.48 mm，依據(jù)規(guī)范已經(jīng)達(dá)到破壞。樁身變形為各級(jí)均為超過(guò)上一級(jí)沉降量的5倍，為緩變形破壞，最終承載判定為15 200 kN，如圖5所示。

圖5 p-s曲線圖

在加載過(guò)程中樁身各處應(yīng)力變化振弦應(yīng)力計(jì)反應(yīng)，在加載各級(jí)中變化如圖6所示，從圖中樁身應(yīng)力從上至下逐漸發(fā)揮作用，圖中紅線表示不同荷載傳遞至樁時(shí)的深度。當(dāng)樁頂荷載達(dá)到11 400 kN時(shí)，樁身側(cè)摩擦阻力完全發(fā)揮作用，樁端阻力不斷增大，當(dāng)樁頂阻力繼續(xù)增大時(shí)，即達(dá)到。15 200 kN時(shí)，樁破發(fā)生壞[3-4]。

圖6 不同荷載作用下樁身應(yīng)力分布圖

3.4 樁身側(cè)摩擦阻力分析

由于樁身并沒(méi)有破壞，將樁視為完全彈性體，樁身彈性變形公式：

結(jié)合樁身平衡公式 （1） ，解得：

樁底壓力由兩部分組成：樁底側(cè)摩阻力與樁端阻力，土壓力直接反應(yīng)樁端阻力。當(dāng)x=0時(shí)，樁底側(cè)摩擦力結(jié)合公式 （2） 、 （4） 為：

經(jīng)計(jì)算可以得到樁在不同荷載作用下樁身側(cè)摩擦阻力，如圖7所示。

圖7 不同荷載作用下樁身側(cè)摩擦阻力

通過(guò)計(jì)算可以看出隨著荷載不斷增大，樁身摩擦阻力不斷增大，樁身摩擦阻力自樁頂而下逐漸發(fā)揮作用，當(dāng)樁身摩阻力達(dá)到3 000 kN左右時(shí)不再增大，并且隨著深度的增加，側(cè)摩擦阻力也隨著增加，由于土壓力增大，最大側(cè)摩阻力也隨之增大。持力層對(duì)側(cè)摩阻力有明顯影響，該試樁在砂層中側(cè)摩阻力有明顯增大。

4 結(jié)語(yǔ)

（1） 隨著樁頂荷載的增大，樁身軸力逐漸增大，但軸力始終小于所加荷載，該試樁當(dāng)達(dá)到15 200 kN時(shí)，樁身發(fā)生破壞。破壞時(shí)樁身并未發(fā)生破壞，位移沒(méi)有陡降，整體呈換邊性破壞，說(shuō)明側(cè)摩阻力逐漸發(fā)揮最大能力，打穿樁底持力層發(fā)生破壞。

（2） 隨著樁頂荷載增加，樁身側(cè)摩阻力不斷增大，并且自樁頂而下逐漸發(fā)揮作用。持力層對(duì)樁身側(cè)摩擦阻力影響較大，在粉質(zhì)黏土最大可達(dá)2 972.34 kN，在砂土中最大可達(dá)3 116.32 kN，在砂土中側(cè)莫阻力明顯增大。

（3） 樁身摩擦阻力可以看成裝承擔(dān)荷載的儲(chǔ)備能力，大荷載作用下種能力主要由樁身長(zhǎng)度、樁徑及持力層決定，樁身在加載過(guò)程中不會(huì)破壞，符合彈性形變規(guī)律。