劉習(xí)前，張 瑜*，劉啟胤，黃 平，趙亞強(qiáng)，梁 勇，雷 強(qiáng)，楊 強(qiáng)，丁選明

（1.重慶建工住宅建設(shè)有限公司，重慶 400015；2.重慶大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶 400045）

0 引 言

近年來(lái)，重慶作為新一線城市，其城市化進(jìn)程飛速發(fā)展，常規(guī)建筑用地尤為緊張，選擇高回填場(chǎng)地作為建筑物地基的案例越來(lái)越多。這些場(chǎng)地通?；靥盥裆钶^大，原始形態(tài)為沖溝；填筑方式多為拋填，壓實(shí)度低；回填物大多是生活垃圾及山體爆破后的碎石，結(jié)構(gòu)松散，顆粒級(jí)配較差[1-4]。

針對(duì)類似復(fù)雜地基，工程研究人員開(kāi)展了多種類型樁體的承載力特性、荷載傳遞機(jī)制及施工工藝的試驗(yàn)研究[5-6]。李成芳等[7]研究分析了重慶市高填方地基的工程特性，并結(jié)合具體工程案例，針對(duì)性的提出了旋挖成孔灌注工藝，介紹了工藝的施工方法及其特點(diǎn)，對(duì)其技術(shù)難題提出了解決措施，并討論了該工藝下旋挖樁的成樁效果及其優(yōu)勢(shì)。但同時(shí)提出該工藝還在起步階段，仍存在不少亟待解決的問(wèn)題。隨后，趙偉等[8]從深圳沿海地區(qū)復(fù)雜地層下旋挖樁的工程應(yīng)用實(shí)例出發(fā)，介紹了該地區(qū)復(fù)雜地層樁基旋挖鉆孔施工難題，詳細(xì)闡述了旋挖鉆孔施工的關(guān)鍵技術(shù)，驗(yàn)證了鉆孔工藝及其參數(shù)的合理性，為旋挖樁施工提供了較成熟的技術(shù)方案。此外，工程研究人員針對(duì)復(fù)雜地基，還提出了一種承載特性優(yōu)勢(shì)顯著的樁體，即變徑樁，并對(duì)其受力機(jī)制進(jìn)行了研究[9-12]。易耀林等[13]針對(duì)多層軟弱地基提出了變徑攪拌樁加固工藝，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)介紹了變徑攪拌樁的施工及質(zhì)量檢測(cè)方法，并對(duì)該樁體開(kāi)展了單樁載荷試驗(yàn)，研究了變徑攪拌樁的單樁承載力特性，闡明了該類型樁體相較于常規(guī)攪拌樁在承載力方面的優(yōu)越性，并進(jìn)一步確定了變徑攪拌樁的單樁極限承載力計(jì)算方法。方燾等[14]開(kāi)展了室內(nèi)大型模型試驗(yàn)，對(duì)大直徑變截面單樁的豎向承載性能和破壞模式與機(jī)制進(jìn)行了研究分析，從而得出了樁體變截面對(duì)其承載力影響因素，并對(duì)變截面樁的承載力計(jì)算方法進(jìn)行了改進(jìn)。

旋挖鉆孔工藝與變徑樁技術(shù)各有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，針對(duì)高回填等復(fù)雜地基可以考慮在實(shí)際工程中同時(shí)應(yīng)用。但對(duì)于變徑旋挖樁的研究相對(duì)較少，其承載力特性、荷載傳遞機(jī)理及樁身內(nèi)力分布等尚未明確，需要進(jìn)一步進(jìn)行研究分析。

目前分段變徑自支護(hù)旋挖樁施工技術(shù)已在重慶兩江新區(qū)金科照母山項(xiàng)目B5-1/05地塊二標(biāo)段得到了應(yīng)用，本文進(jìn)一步依托重慶市巴南地區(qū)某現(xiàn)場(chǎng)建筑高回填地基，開(kāi)展自支護(hù)變徑旋挖樁單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)和樁身內(nèi)力測(cè)試，分析了高回填地基下自支護(hù)變徑旋挖樁的單樁豎向承載力特性與荷載傳遞機(jī)理，獲得了其樁身軸力及側(cè)摩阻力的分布規(guī)律，為高回填地基變徑旋挖樁的應(yīng)用提供參考依據(jù)。

1 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)概況

1.1 工程概況

試驗(yàn)場(chǎng)地位于重慶市巴南區(qū)魚(yú)洞高職城大道附近，原始地貌為構(gòu)造剝蝕丘陵，內(nèi)分布有素填土層、粉質(zhì)土層，下伏基巖。場(chǎng)地內(nèi)素填土層厚度變化較大，結(jié)構(gòu)松散，均勻性差；粉質(zhì)黏土層厚度變化大，局部區(qū)域存在少量泥巖碎屑，均勻性較差。場(chǎng)區(qū)下伏基巖主要為砂巖及泥巖，變異系數(shù)較小，變異性較低，巖體較完整，均勻性較好。場(chǎng)地巖土層具體物理力學(xué)參數(shù)如表1和表2所示。

表1 場(chǎng)地土層物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters of soil layers

表2 場(chǎng)地基巖巖體參數(shù)Table 2 Parameters of bedrocks

1.2 試驗(yàn)樁基

試驗(yàn)樁基采用機(jī)械旋挖成孔樁，每5 m變徑，試驗(yàn)樁長(zhǎng)度為 10 m，0～5 m 直徑為 1.2 m，5～10 m直徑為0.8 m，試驗(yàn)樁均為端承摩擦樁，樁身混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30。樁體內(nèi)部安置有混凝土應(yīng)變計(jì)，應(yīng)變計(jì)安裝位置以及樁體整體示意圖如圖 1所示。

圖1 樁體示意圖Fig.1 Test piles

1.3 試驗(yàn)設(shè)備

采用靜載試驗(yàn)，試驗(yàn)過(guò)程中加荷、監(jiān)測(cè)以及數(shù)據(jù)采集所用到的主要大型設(shè)備概況如表3所示。

表3 主要設(shè)備概況Table 3 Main equipment

1.4 試驗(yàn)過(guò)程

試驗(yàn)樁側(cè)預(yù)先澆筑錨樁，用于固定反力梁，提供荷載反力，采用慢速維持荷載法，靜載試驗(yàn)采用液壓千斤頂加荷，荷載反力由錨樁提供。樁體沉降由4只對(duì)稱電子百分表測(cè)量，測(cè)表支架點(diǎn)安置在不受擾動(dòng)影響的位置。試驗(yàn)樁加載按《建筑基樁檢測(cè)技術(shù)規(guī)范》（JGJ 106—2014）[15]的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。試驗(yàn)前在試壓表面用粗砂找平，其厚度不超過(guò)20 mm。放上承壓板，安裝設(shè)備并加載。每級(jí)加載量為設(shè)計(jì)單樁承載力特征值2倍的1/10，第一級(jí)按2倍分級(jí)荷載加載。每級(jí)荷載施加后第 5、15、30、45、60 min觀測(cè)1次讀數(shù)，以后每30 min測(cè)讀1次。當(dāng)每1 h的沉降不超過(guò)0.1 mm，并連續(xù)出現(xiàn)2次（由1.5 h內(nèi)連續(xù)3次觀測(cè)值計(jì)算），認(rèn)為已達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定，可加下一級(jí)荷載。卸載時(shí)，每級(jí)荷載維持1 h，按第15、30、60 min測(cè)讀樁頂沉降量后，即可卸下一級(jí)荷載。卸載至0后，測(cè)量樁頂殘余沉降量，維持時(shí)間為3 h，測(cè)讀時(shí)間為第15、30 min，以后每隔30 min測(cè)讀1次，圖2為試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試圖。

圖2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)試圖Fig.2 Picture of field load system layout

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 荷載-位移曲線分析

圖3所示為試驗(yàn)樁沉降變化規(guī)律。試驗(yàn)樁的荷載-位移曲線在荷載為0到4 800 kN時(shí)呈緩慢線性發(fā)展，近似為直線段。在荷載為4 800 kN時(shí)出現(xiàn)了第一個(gè)陡降段，在荷載為6 000 kN時(shí)出現(xiàn)了第二個(gè)陡降段，在4 800 kN到7 200 kN之間為曲線段。當(dāng)荷載達(dá)到6 000 kN之后，呈急劇下滑態(tài)勢(shì)，近似為斜直線變形段。曲線整體未呈線性發(fā)展，出現(xiàn)了陡降段，表現(xiàn)出了輕微的極限破壞特征。當(dāng)荷載從6 000 kN上升到7 200 kN時(shí)，樁身的側(cè)阻力已達(dá)極限，同時(shí)樁端阻力開(kāi)始發(fā)揮作用。此后，增加的荷載幾乎全由端阻力承擔(dān)，短時(shí)間內(nèi)端阻力超過(guò)了樁端巖土的極限承載力，樁端巖土迅速被壓實(shí)，樁頂位移較之前顯著增大，使得荷載-位移曲線急劇下滑。當(dāng)加載至12 000 kN時(shí)，樁體內(nèi)鋼筋斷裂，終止加載，取前一級(jí)10 800 kN作為極限荷載，所對(duì)應(yīng)的沉降量為3.67 mm，由此可得出試樁1的承載力特征值為5 400 kN。荷載加載至12 000 kN時(shí)，試樁1的累計(jì)沉降量為4.72 mm，卸載后殘余沉降量為2.49 mm，最大回彈量為2.23 mm，回彈率僅為47.2%，說(shuō)明樁端巖土（如沉渣）產(chǎn)生了較大的塑性壓縮變形不能回彈。圖3（b）所示為樁頂沉降隨時(shí)間的變化規(guī)律，結(jié)果表明，當(dāng)荷載未超過(guò)7 200 kN時(shí)，對(duì)應(yīng)的s-lgt曲線（s即為樁體沉降）整體上來(lái)講還是較為平緩，當(dāng)荷載超過(guò)7 200 kN時(shí)，沉降隨時(shí)間增長(zhǎng)有較為明顯的增大。

圖3 試驗(yàn)樁沉降變化規(guī)律Fig.3 Settlement of the test pile

2.2 樁身軸力分析

樁身軸力測(cè)試基于以下假定：樁體在非變徑段均為等截面樁，樁徑不變，認(rèn)為樁體材料均呈線彈性，并按下式計(jì)算各斷面處的樁身軸力：

式中：Qi為樁身第i斷面處軸力；為第i斷面處應(yīng)變平均值；Ei為第i斷面處樁身材料彈性模量；Ai為第i斷面處樁身截面面積。

圖4所示為樁身軸力沿深度分布規(guī)律。試驗(yàn)樁在深度0～4.75 m范圍內(nèi)，軸力曲線大致呈直線分布，沿深度衰減較小，軸力與施加的荷載差別不大。在深度4.75～5.25 m范圍內(nèi)，樁身軸力有了明顯的衰減，而試樁直徑在深度為5 m處由1.2 m減小至0.8 m，由此可見(jiàn)在變截面處，樁體軸力有較為明顯的改變，這可能是由于變截面處，樁體截面面積較小部位的土體一部分已經(jīng)開(kāi)始發(fā)揮端阻力的作用，從而較大的降低了樁體軸力。在5.25～7 m深度范圍內(nèi)，軸力也有一定程度的衰減，但衰減幅度較小。在 7～8.5 m 深度范圍內(nèi)，樁身軸力有了明顯的衰減，尤其靠近樁端處，說(shuō)明較深處側(cè)摩阻力有了較為充分的發(fā)揮，也體現(xiàn)了端承摩擦樁所具有的特點(diǎn)。且從試驗(yàn)樁的軸力分布圖可以看出，在 7～8.5 m深度范圍內(nèi)，隨著荷載的增大，軸力曲線衰減幅度越大，說(shuō)明側(cè)摩阻力發(fā)揮的強(qiáng)度與樁體沉降之間存在著正比例的關(guān)系，樁體沉降越大，側(cè)摩阻力被調(diào)動(dòng)的越充分，所承擔(dān)荷載的比例也不斷增大。

圖4 樁身軸力分布規(guī)律Fig.4 Distribution of axial force along depth

從荷載傳遞特點(diǎn)中可以發(fā)現(xiàn)，樁側(cè)摩阻力和樁端阻力的作用存在先后順序，不同階段兩者發(fā)揮作用的比例也不同。

2.3 樁身側(cè)摩阻力分析

樁側(cè)土的分層側(cè)阻力應(yīng)按下列公式計(jì)算：

式中：qsi為樁第i斷面與i+1斷面間側(cè)阻力；i為樁檢測(cè)斷面順序號(hào)，i=1，2，……，n，并自樁頂以下從小到大排列；u為樁身周長(zhǎng)；li為第i斷面與第i+1斷面之間的樁長(zhǎng)。

樁身第i斷面處的鋼筋應(yīng)力應(yīng)按下式計(jì)算：

式中：σsi為樁身第i斷面處的鋼筋應(yīng)力；Es為鋼筋彈性模量；εsi為樁身第i斷面處的鋼筋應(yīng)變。

圖5所示為各級(jí)荷載下樁側(cè)摩阻力隨深度分布規(guī)律。試驗(yàn)樁1在0～3 m深度范圍內(nèi)側(cè)阻力近似為0，在3～4.75 m以及5.25～7 m范圍內(nèi)側(cè)摩阻力也較小，說(shuō)明該范圍內(nèi)側(cè)阻力還遠(yuǎn)遠(yuǎn)未發(fā)揮。而在變截面處以及靠近樁端部位樁側(cè)摩阻力較大。靠近變截面處樁側(cè)摩阻力較大的原因可能是變截面土體端阻力的原因，而靠近樁端處樁側(cè)摩阻力較大是由于試驗(yàn)樁為嵌巖樁，達(dá)到一定深度后，樁側(cè)巖石阻力發(fā)揮了較大作用，因此樁側(cè)摩阻力較大。

圖5所示的樁側(cè)摩阻力變化進(jìn)一步證實(shí)了這一最佳深度范圍的存在。并且這個(gè)最佳深度和土層性質(zhì)、樁體截面積影響因素有關(guān)。試樁在 0～4.75 m處由于土層軟弱、地應(yīng)力水平低，即使有較大的樁-土相對(duì)位移，側(cè)摩阻力依然較低；而在靠近樁端處，由于較大的樁側(cè)巖石阻力，側(cè)摩阻力隨荷載等級(jí)迅速增加。

圖5 樁身側(cè)摩阻力分布規(guī)律Fig.5 Distribution of side resistance along depth

3 結(jié) 論

基于現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)開(kāi)展了高回填地基下變徑旋挖樁的靜載試驗(yàn)及樁身內(nèi)力測(cè)試，獲得了樁體沉降、樁身軸力及側(cè)摩阻力的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，為今后進(jìn)一步深入研究變徑旋挖樁的承載特性及荷載傳遞機(jī)理提供了重要的工程參考。主要結(jié)論有：

（1）對(duì)比短變徑樁，相同荷載下長(zhǎng)變徑樁的沉降較小，但荷載達(dá)到一定程度時(shí)，長(zhǎng)變直徑樁內(nèi)部鋼筋先發(fā)生斷裂，混凝土發(fā)生破裂，達(dá)到樁體極限承載力。當(dāng)荷載超過(guò)極限承載力特征值一定范圍時(shí)，隨著時(shí)間的增加，可以觀察到位移存在有明顯的下降區(qū)段。

（2）在樁體變截面處，樁體軸力有較大明顯的改變，這可能是由于變截面處樁體截面面積較小部位的土體一部分已經(jīng)開(kāi)始發(fā)揮端阻力的作用，從而較大的降低了樁體軸力。

（3）樁側(cè)阻力發(fā)揮的程度與樁體沉降之間存在著正比例的關(guān)系，樁體沉降越大，側(cè)阻力被調(diào)動(dòng)的越充分，所承擔(dān)荷載的比例也不斷增加；在樁體變截面位置，樁體側(cè)摩阻力較大，這可能由于變截面處土體端阻力發(fā)揮了較大的作用，被作為樁體側(cè)摩阻力的一部分。

（4）樁側(cè)阻力存在最佳發(fā)揮區(qū)段，并且這個(gè)最佳深度和土層性質(zhì)、樁體截面積影響因素有關(guān)。因此在樁基設(shè)計(jì)中一味地增加樁長(zhǎng)，并不是滿足承載力的最佳方案。