桑偉鋒

1.河南省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，鄭州 450052；2.河南省交院工程檢測科技有限公司，鄭州 450052

0 引 言

隨著超高層建筑和大跨度橋梁的不斷涌現(xiàn)，大直徑超長鉆孔灌注樁[1--4]在中國己被廣泛使用，雖然國內(nèi)外學(xué)者對大直徑超長灌注樁的荷載傳遞機(jī)理進(jìn)行了一定的研究，但研究還不夠深入，其承載性能還有待進(jìn)一步研究。

超高層建筑和大跨度橋梁的樁基需要具備極大的承載能力，但現(xiàn)行規(guī)范中關(guān)于大直徑超長鉆孔灌注樁的設(shè)計(jì)理論依然根據(jù)中小直徑樁的計(jì)算理論，按經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行簡單的修正，而并非以其承載變形機(jī)制為基礎(chǔ)，并沒有考慮高荷載作用下超長樁承載性能的差異。大直徑超長鉆孔灌注樁的荷載傳遞特性[5--12]、側(cè)摩阻力和樁端阻力發(fā)揮特性跟上部結(jié)構(gòu)形式、荷載大小、地層巖性及水文地質(zhì)條件等眾多因素相關(guān)。

筆者通過鄭州機(jī)場至西華高速公路一期工程現(xiàn)場靜載試驗(yàn)，獲得了實(shí)測數(shù)據(jù)，分析了豎向高荷載作用下大直徑超長鉆孔灌注樁在各土層中的樁側(cè)摩阻力、樁端阻力及荷載傳遞特性，并得出了結(jié)論，為從理論上進(jìn)一步研究大直徑超長鉆孔灌注樁的承載性能以及大直徑超長鉆孔灌注樁的工程設(shè)計(jì)和實(shí)踐，提供了重要的參考。

1 工程概況

擬建鄭州機(jī)場至周口西華高速公路項(xiàng)目位于河南省腹地，經(jīng)鄭州、開封、許昌和周口4個(gè)地級市，是《河南省高速公路網(wǎng)調(diào)整規(guī)劃》中的新增高速公路規(guī)劃項(xiàng)目中的重要支撐項(xiàng)目。一期建設(shè)里程106.3 km，雙向四車道高速公路標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)速度120 km/h，路基寬28 m。共設(shè)大橋6座，中橋26座，分離式立交51座，天橋6座，通道111道，涵洞120道，互通式立交9處，服務(wù)區(qū)2處，收費(fèi)站5處。

橋梁上部結(jié)構(gòu)采用預(yù)應(yīng)力砼空心板，基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁， 設(shè)計(jì)樁徑為1.5 m，設(shè)計(jì)樁長為56 m。

試樁場地處于砂崗砂地地貌單元上，地形較平坦，地形條件較簡單，四周為田地，地面標(biāo)高為79.1～92.7 m。

項(xiàng)目區(qū)地層上部為新生代第四紀(jì)的松散沉積物，巖性以沖積物為主。立體交叉工程場地內(nèi)地層均為第四系全新統(tǒng)和上更新統(tǒng)地層，試樁場地土層分布及物理力學(xué)特性見表1。

表1 場地土層分布及物理力學(xué)參數(shù)

Table 1 Soil layer and physical and mechanical parameters of construction site

層號巖土名稱層底標(biāo)高/m土層厚度/m狀態(tài)側(cè)摩阻力推薦值qik /kPa2--31粉土81.53.5稍密202--32粉土74.56.1中密402--22粉質(zhì)黏土68.56.9可塑452--23粉質(zhì)黏土60.38.2硬塑502--43粉砂58.12.2密實(shí)552--23粉質(zhì)黏土54.43.7硬塑552--23粉質(zhì)黏土45.19.3硬塑603--23粉質(zhì)黏土32.512.6硬塑703--23粉質(zhì)黏土31.01.5硬塑70

試樁場地內(nèi)地下水類型以潛水為主，含水層主要為粉土層，為強(qiáng)透水層，水力坡度小，徑流弱。其主要接受大氣降水補(bǔ)給，地下水的排泄主要是蒸發(fā)排泄及人工開采排泄。地下水位受氣候因素影響，水位年變幅1.0～2.5 m，勘察期間地下水位埋深為3.4～6.9 m。

試樁場地主要位于黃淮河沖積平原。地勢較平坦，起伏不大，土層結(jié)構(gòu)簡單。地層上部為第四系全新統(tǒng)沖洪積地層，巖性以粉土、粉質(zhì)黏土為主，工程地質(zhì)性質(zhì)一般；下部為第四系上更新統(tǒng)沖積地層，巖性以粉質(zhì)黏土、粉土、粉砂及細(xì)砂為主，工程地質(zhì)性質(zhì)較好。綜合工程地質(zhì)條件，該場地工程地質(zhì)條件屬簡單類型。

此處地下水位埋深為3.4～6.9 m，地下水對混凝土結(jié)構(gòu)具微腐蝕性。

根據(jù)勘察報(bào)告，此場地涉及到的不良地質(zhì)主要為2--32粉土層的砂土液化。

本項(xiàng)目區(qū)不涉及到特殊性巖土，但由于部分地層中巖土承載力相對上下地層較軟，而形成軟弱下臥層。如2--22粉質(zhì)黏土(可塑狀)由于其含水量較大，工程地質(zhì)條件較差，表現(xiàn)為軟弱土性質(zhì)。

根據(jù)勘察報(bào)告，項(xiàng)目區(qū)地震動(dòng)峰值加速度為0.10 g,地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期為0.40 s，地震基本烈度VII度。本項(xiàng)目區(qū)域穩(wěn)定性為次穩(wěn)定區(qū)域。

2 試樁靜載試驗(yàn)方案

根據(jù)場地的地質(zhì)條件和設(shè)計(jì)文件要求，初步確定本次試樁靜載試驗(yàn)最大加載量為24 000 kN。根據(jù)本次試驗(yàn)的特點(diǎn)，經(jīng)過分析采用能夠提供大噸位反力的拉壓錨法，在樁頂面對稱布置6個(gè)500 t的油壓千斤頂，油壓千斤頂?shù)暮狭χ行膽?yīng)與樁軸線重合。

油壓千斤頂通過6根液壓油管并聯(lián)到多通轉(zhuǎn)換器，多通轉(zhuǎn)換器由一根主進(jìn)油管連接到電動(dòng)油泵。加載時(shí)，電動(dòng)油泵驅(qū)動(dòng)液壓油通過主進(jìn)油管進(jìn)入多通轉(zhuǎn)換器，多通轉(zhuǎn)換器同時(shí)向6個(gè)千斤頂供油，驅(qū)動(dòng)油壓千斤頂上升。電動(dòng)油泵由樁基靜載儀通過電壓變頻器自動(dòng)控制，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)加載。

油壓千斤頂上部布置厚40 mm的鋼板，然后在鋼板上部焊接兩層承載體，以將油壓千斤頂?shù)姆戳鬟f到鋼絞線上。承載體由20 mm厚鋼板焊接而成，承載體1與承載體2約成90°，以承受不同方向錨樁拉力。

每一層鋼絞線沿中線對稱布置，防止豎向靜載試驗(yàn)過程中，承載體受力不均而傾覆。試驗(yàn)前應(yīng)進(jìn)行預(yù)壓，使每一根鋼絞線張緊，以防止鋼絞線受力不均而破壞。鋼絞線通過錨固構(gòu)件與錨樁錨固，錨樁錨固構(gòu)件施工前應(yīng)保證鋼絞線的角度適宜。為了減小錨樁試驗(yàn)過程中上拔裂縫寬度，對錨樁進(jìn)行了配筋加固。傳遞到錨樁上部的水平荷載通過水平立柱，傳遞到環(huán)梁上。

圖1 拉壓錨法加載裝置平面圖Fig.1 Diagrams of loading device of tension-press-anchor method

圖2 拉壓錨法裝置靜載試驗(yàn)現(xiàn)場圖Fig.2 Field loading test using tension-press-anchor method

本次單樁豎向靜載試驗(yàn)最大加載量24 000 kN，加載采用慢速維持單循環(huán)法一次逐級加載，至最大加載量后分級卸載。由于試樁噸位較大，每級加載量為最大加載量的1/12，即每級加載2 000 kN，最大加載量為24 000 kN，第一級可按2倍的分級荷載進(jìn)行加載，即第一級加載4 000 kN，以后每級加載2 000 kN。試驗(yàn)過程中的讀數(shù)間隔、穩(wěn)定條件及終止加載條件嚴(yán)格按照規(guī)范《建筑基樁檢測技術(shù)規(guī)范》(JGJ 106--2014)[13]執(zhí)行。

單樁豎向靜載試驗(yàn)前，采用超聲波透射法進(jìn)行了樁身完整性檢測，結(jié)果表明樁身完整無缺陷，為Ⅰ類樁。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 Q--S(荷載--沉降)曲線分析

通過現(xiàn)場單樁豎向靜載荷試驗(yàn)測試得到的2根試樁的Q--S曲線如圖3所示。由圖3可知，兩根試樁在整個(gè)加載范圍內(nèi)，樁頂沉降均未出現(xiàn)突然急劇增大的現(xiàn)象，Q--S曲線呈現(xiàn)出較好的一致性,均表現(xiàn)為緩變型，呈現(xiàn)出明顯的摩擦樁的性狀，承載性能相對穩(wěn)定。

(a)1#試樁；(b)2#試樁。圖3 試樁Q--S曲線Fig.3 Q--S curves of test piles

1#試樁加載到24 000 kN達(dá)到穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，樁頂沉最大降量為32.35 mm，卸載后最大回彈量為14.09 mm，回彈率為43.6%；2#試樁加載到24 000 kN達(dá)到穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，樁頂沉最大降量為35.32 mm，卸載后最大回彈量為15.21 mm，回彈率為43.1%。兩根試樁的回彈率大約均為43%，這表明樁頂沉降大部分來自于樁身的彈性壓縮，樁的承載力還有較大的發(fā)揮空間。

兩根試樁在整個(gè)加載范圍內(nèi)，樁頂沉降均未出現(xiàn)突然急劇增大的現(xiàn)象，Q--S曲線表現(xiàn)出較好的一致性,均為緩變型，呈現(xiàn)出明顯的摩擦樁的性狀，承載性能相對穩(wěn)定。兩根試樁的回彈率大約均為43%，這表明樁頂沉降大部分來自于樁身的彈性壓縮，樁的承載力還有較大的發(fā)揮空間。

3.2 樁身軸力分析

樁身軸力的計(jì)算按以下假定為基礎(chǔ)：①整個(gè)樁身截面積相等；②樁身材料為線彈性；③設(shè)計(jì)孔徑作為計(jì)算孔徑；④鋼筋和混凝土澆筑在一起，二者應(yīng)變協(xié)調(diào)[14--15]。

計(jì)算方法如下：

(1)

(2)

(1)、(2)式中：Pz為某級荷載作用下樁身某截面的軸向力；Psi為鋼筋計(jì)在某級荷載作用下所受的壓力；Ec為樁身混凝土彈性模量；A為樁截面面積；Es為鋼筋的彈性模量；As為主筋截面積；K為鋼筋應(yīng)力計(jì)系數(shù)；f0為鋼筋應(yīng)力計(jì)埋設(shè)后加載前的量測值；fi為鋼筋應(yīng)力計(jì)在某級荷載作用下的量測值。

根據(jù)上述假定，結(jié)合材料力學(xué)理論，計(jì)算得出各截面在各級荷載下土層界面處的樁身軸力。

各截面在各級荷載下土層界面處的軸力如圖4所示。

由圖4可知，在各級荷載作用下，樁身軸力隨深度增加而減小，這說明樁身軸力由上而下逐步發(fā)揮。樁身軸力曲線大致呈線性分布，曲線的斜率大小反映了各樁身的側(cè)摩阻力的大小，曲線斜率越大，則樁身的側(cè)摩阻力越??；反之則側(cè)摩阻力越大。試驗(yàn)加載初期，由于施加到樁頂上的豎向荷載較小，樁身的側(cè)摩阻力較小，曲線斜率較大曲線較陡，隨著荷載增加，曲線逐步變緩，說明樁的側(cè)摩阻力在逐漸發(fā)揮，樁端阻力也隨之不斷增大，這說明了各測試截面軸力隨加載等級的增加逐漸發(fā)展。

當(dāng)樁頂荷載≤10 000 kN時(shí)，樁端附近側(cè)摩阻力和端阻力幾乎為零，都未發(fā)揮作用，這說明大直徑超長樁樁身的側(cè)摩阻力和樁端阻力是異步發(fā)揮的； 隨著樁頂荷載的增大， 樁身下部逐漸產(chǎn)生軸力，端阻也開始逐漸發(fā)揮。當(dāng)1#試樁靜載試驗(yàn)加載至23 000 kN時(shí)，樁端阻力為2 118.61 kN,占極限荷載的9.21%；當(dāng)2#試樁靜載試驗(yàn)加載至24 000 kN時(shí)，樁端阻力為956.78 kN，占極限荷載的3.98%。兩根試樁均呈現(xiàn)出純摩擦樁的特點(diǎn)。

圖4 各級荷載水平下試樁樁身軸力Fig.4 Axial force of test piles under different loads

3.3 側(cè)摩阻力分析

沿樁身各土層的側(cè)摩阻力qs可根據(jù)下式求得：

(3)

式中：qs為樁側(cè)各土層的摩阻力，kN·m-2；ΔPZ為樁身量測截面之間的軸力PZ之差值，kN；ΔF為樁身量測截面之間樁段的側(cè)表面積，m2。

1#試樁和2#試樁在不同荷載水平作用下樁側(cè)摩阻力分布曲線如圖5所示。

由圖5可知，在試驗(yàn)加載初期，樁頂荷載較小，樁側(cè)摩阻力隨荷載的增加而增大。當(dāng)樁頂荷載達(dá)到某一個(gè)值后，樁身上部某些土層的側(cè)摩阻力達(dá)到極限值，而后隨著荷載的增加樁側(cè)摩阻力會(huì)有不同程度的減小，即發(fā)生側(cè)摩阻軟化現(xiàn)象。

由圖5(a)可知，當(dāng)試驗(yàn)加載到18 000 kN 時(shí)，樁身上部的一些土層(2--31稍密粉土、2--32中密粉土、2--22可塑粉黏和2--23硬塑粉黏)的樁側(cè)摩阻力已經(jīng)達(dá)到極限值，而樁身中下部土層的側(cè)摩阻力還未完全發(fā)揮，仍有較大的增長趨勢?？梢?，樁身上部和下部土層側(cè)摩阻力是一個(gè)異步發(fā)揮的過程，即上部土層的側(cè)摩阻力比下部土層的側(cè)摩阻力先發(fā)揮。例如當(dāng)試驗(yàn)的加載量≤6 000 kN 時(shí)，上部土層(2--31稍密粉土、2--32中密粉土、2--22可塑粉黏、2--23硬塑粉黏和2--43密實(shí)粉砂)的側(cè)摩阻力已經(jīng)發(fā)揮作用，而下部土層(2--23硬塑粉黏和3--23硬塑粉黏)的側(cè)摩阻力仍為零。

圖5 各土層側(cè)摩阻力隨荷載等級變化曲線Fig.5 Changing curves of pile lateral friction resistance versus load at different soil layers

由表1可知，試樁場地內(nèi)上部(標(biāo)高為68.5～60.3m)、下部(標(biāo)高為58.1～45.1 m)均分布有2--23硬塑粉黏層。由圖5可知，場地內(nèi)上、下部2--23硬塑粉黏層處樁側(cè)摩阻力的發(fā)揮特點(diǎn)完全不同，上部2--23硬塑粉黏層處樁側(cè)摩阻力隨著加載水平的不斷提高呈現(xiàn)出先增大后減小最后趨于穩(wěn)定的規(guī)律，而下部2--23硬塑粉黏層處樁側(cè)摩阻力隨著加載水平的不斷提高呈現(xiàn)出一直增大直至某一荷載水平趨于穩(wěn)定的規(guī)律。出現(xiàn)這種規(guī)律的原因主要是：下部2--23硬塑粉黏層處樁受到的土壓力(朗肯土壓力理論)遠(yuǎn)大于上部2--23硬塑粉黏層處樁受到的土壓力，下部2--23硬塑粉黏層處樁受到的土壓力大,則下部2--23硬塑粉黏層處樁側(cè)摩阻力遠(yuǎn)大于上部2--23硬塑粉黏層處；大直徑超長鉆孔灌注樁樁側(cè)摩阻力是由上而下逐步發(fā)揮的。

由上述可知，樁側(cè)摩阻力的發(fā)揮與土層性質(zhì)、土層埋深及樁頂荷載水平有關(guān)。

為了進(jìn)一步研究樁側(cè)摩阻力的軟化(強(qiáng)化)效應(yīng)，將最大加載量時(shí)樁側(cè)摩阻力的殘余值除以實(shí)測樁側(cè)摩阻力極限值得到軟化系數(shù)，將實(shí)測樁側(cè)摩阻力極限值除以勘察報(bào)告樁側(cè)摩阻力推薦值得到強(qiáng)化系數(shù)，不同土層實(shí)測樁側(cè)摩阻力極限值、最大加載量時(shí)摩阻力實(shí)測值和勘察報(bào)告樁側(cè)摩阻力推薦值見表2。

表2 不同土層樁側(cè)摩阻力軟化(強(qiáng)化)系數(shù)

Table 2 Softening and enhanced coefficients of lateral friction resistance in different soil layers

層號實(shí)測摩阻力極限值/kPa最大加載量時(shí)摩阻力實(shí)測值/kPa 1#2#1#2#勘察報(bào)告推薦值/kPa軟化(強(qiáng)化)系數(shù)均值2--3149564050200.852--3267614242400.662--2292865876450.762--23120118105108500.902--431169811395551.952--239711597110551.932--23126128120128602.123--236057605770—3--236979697970—

由表2可知，樁身上部的一些土層如2--31稍密粉土、2--32中密粉土、2--22可塑粉黏和2--23硬塑粉黏都出現(xiàn)了不同程度的軟化現(xiàn)象；樁身下部的一些土層如2--43密實(shí)粉砂、2--23硬塑粉黏出現(xiàn)了不同程度的強(qiáng)化現(xiàn)象，產(chǎn)生強(qiáng)化現(xiàn)象的原因可能是深部土層在巨大的上覆土壓力作用下對樁身產(chǎn)生了強(qiáng)烈的水平約束；在最大加載條件下，3--23硬塑粉黏層的側(cè)摩阻力未完全發(fā)揮，不具有參考意義。

上述可知，在進(jìn)行大直徑超長鉆孔灌注樁承載力計(jì)算時(shí)，采用勘察報(bào)告提供的參數(shù)按規(guī)范計(jì)算和實(shí)際承載能力會(huì)有一定誤差，故在實(shí)際計(jì)算超長樁承載力時(shí)不同深度土層的側(cè)摩阻力應(yīng)乘以相應(yīng)不同的修正系數(shù)。

3.4 樁土相對位移分析

筆者在計(jì)算樁土相對位移時(shí)假設(shè)樁周土不發(fā)生位移，則樁土相對位移即為樁身位移。

1#試樁和2#試樁的樁土相對位移與樁側(cè)摩阻力關(guān)系曲線如圖6所示。

圖6 樁土相對位移與樁側(cè)摩阻力關(guān)系Fig.6 Relationship between pile-soil relative displacement and lateral friction resistance

由圖6可知，樁身上部土層(2--31稍密粉土、2--32中密粉土和2--22可塑粉黏)的側(cè)摩阻力隨樁土相對位移的增大呈現(xiàn)出先增大后減小的規(guī)律(即加工軟化型)，分析其原因是隨著荷載水平的增加,樁身上部土體的側(cè)摩阻力逐漸增大并達(dá)到極限,此時(shí)土體結(jié)構(gòu)發(fā)生了破壞，之后側(cè)摩阻力出現(xiàn)不同程度的減??；樁身下部土層(2--43密實(shí)粉砂、2--23硬塑粉黏和3--23硬塑粉黏)的側(cè)摩阻力隨樁土相對位移的增大呈現(xiàn)出先增大后趨于穩(wěn)定的規(guī)律(即加工硬化型)；樁身上部土層(2--31稍密粉土、2--32中密粉土和2--22可塑粉黏)的側(cè)摩阻力充分發(fā)揮時(shí)對應(yīng)的樁土相對位移分別為：8～15 mm、7～12 mm和13～18 mm。通過樁身上部土層2--23硬塑粉黏和樁身下部土層2--23硬塑粉黏地質(zhì)條件的對比可以看出，即使是同一類土且土的稠度狀態(tài)都相同，但是由于其所處的位置不同，其側(cè)摩阻力完全發(fā)揮所需的樁土相對位移也不相同。

4 結(jié)論

(1) 大直徑超長鉆孔灌注樁樁身的側(cè)摩阻力和樁端阻力是異步發(fā)揮的，隨著樁頂荷載的增大，樁身下部逐漸產(chǎn)生軸力，端阻也開始逐漸發(fā)揮。本次試驗(yàn)側(cè)摩阻力提供了絕大部分的承載力，在工作荷載下樁端阻力的發(fā)揮空間極其有限，呈現(xiàn)出純摩擦樁性狀。

(2)大直徑超長鉆孔灌注樁樁側(cè)摩阻力是由上而下逐步發(fā)揮的。根據(jù)試驗(yàn)實(shí)測結(jié)果結(jié)合朗肯土壓力理論，對同一土層而言樁身下部處的側(cè)摩阻力要大于樁身上部處的側(cè)摩阻力。在高荷載作用下樁側(cè)上部土層側(cè)摩阻力具有不同程度的軟化現(xiàn)象，而中下部土層側(cè)摩阻力具有不同程度的強(qiáng)化現(xiàn)象。樁側(cè)摩阻力的發(fā)揮與土層性質(zhì)、土層埋深以及樁頂荷載水平有關(guān)。

(3) 在進(jìn)行大直徑超長鉆孔灌注樁承載力計(jì)算時(shí)，采用勘察報(bào)告提供的參數(shù)按規(guī)范計(jì)算和實(shí)際承載能力會(huì)有一定誤差，故在實(shí)際計(jì)算超長樁承載力時(shí)不同深度土層的側(cè)摩阻力應(yīng)乘以相應(yīng)不同的修正系數(shù)。

(4) 樁身上部土層的側(cè)摩阻力與樁土相對位移曲線呈加工軟化型，樁身下部土層的側(cè)摩阻力與樁土相對位移曲線呈加工硬化型。