基于自平衡試樁法大直徑嵌巖樁尺寸效應分析

龔成中 ，何春林龔維明，戴國亮

（1. 淮陰工學院，江蘇 淮安 223001；2. 東南大學 土木工程學院，南京 210096）

1 引 言

嵌巖樁具有承載力高、沉降小，抗震性能好等特點，近年來在土木工程中得到了廣泛應用。嵌巖樁的承載特性研究也成為國內外工程和學術界關注的熱點問題[1－5]。國外學者對嵌巖樁的研究比國內起步要早。早在1969 年Reese 等[6]在第7 屆國際土力學及基礎工程會議上就發表了世界上較早的一根埋設量測元件的嵌巖樁樁頂荷載隨深度傳遞的量測資料。國內學者對其研究雖較西方學者晚，但也取得了一些長足的進步。

目前，隨著高層建筑和超高層建筑的大量興建，上部結構的荷載也越來越大，大直徑嵌巖樁甚至是超大直徑嵌巖樁在工程中得到了廣泛的使用。盡管我國現行的各種規范中計算嵌巖樁的承載力的方法不盡相同，但從計算模式中不難看出，增大樁徑對提高嵌巖樁的承載力是有利的。需要注意的是對大直徑嵌巖樁而言，隨著樁徑的增大，在樁身軸力作用下，樁的側向變形會減小，作用在樁周巖石上的法向應力隨之下降，必將導致樁側摩阻力的下降。Pells 等[7]較早注意到這個問題并進行了模型試驗研究，模型試驗結果表明：當樁徑小于500 mm 時，樁側阻力計算系數隨樁徑增加略有減小，由于樁徑增加引起面積的增加而增加的側阻力甚至會不足以彌補側阻力計算系數的減小而減小的側阻力，導致樁側阻力降低。對于考慮尺寸效應的樁側阻力求解問題，O`Neil 等[8]提出了雙曲線型式的樁側荷載傳遞模型，該模型建立在樁巖石界面粗糙度均勻，且樁身材料與周圍巖體膠結良好，此模型公式為

式中：D 為樁徑；mE 為巖石的彈性模量； ( )zω 為樁-巖相對位移；( )zτ 為嵌巖段樁側摩阻力；max( )zτ為嵌巖段樁側極限摩阻力，目前該式已逐漸被國外大多數學者所接受。

我國學者對嵌巖樁的尺寸效應研究較少，張建新等[9]利用有限元分析軟件，分析了樁的尺寸效應對嵌巖樁承載形狀的影響。研究表明：在其他條件一定時，隨著樁徑的增加，嵌巖深徑比減小，樁的承載力有增大的趨勢，得出增大樁徑比增大嵌巖深度對提高承載力更為有效的結論，但該文主要研究了樁側阻力的分布規律，對大直徑尺寸效應的影響則介紹較少。我國2008 年出版的《建筑樁基規 范》[10]雖考慮了大直徑樁的尺寸效應，如對樁基直徑 D ＞ 0.8 m 的樁，對樁側阻力、樁端阻力采用了(0.8/ D )n的折減系數，但上述折減系數主要適用于土層，規范并沒有涉及到巖石的情況。

由于大直徑嵌巖樁承受荷載較大，現場原位試驗費用比較高，且難以準確測試，因此，基于尺寸效應現場的原位測試對比試驗目前還比較匱乏，本文基于某電網調度中心大樓現場的測試報告，對嵌巖樁的尺寸效應進行詳細分析。

2 試驗原理及方法

該電網調度中心大樓高200 多米，考慮到工程的重要性，為了減少測試過程中上覆土層的影響并準確測得嵌巖段部分的樁側阻力和樁端阻力，待試樁挖孔至巖土交界面時，根據要求在孔底巖層中分別挖取直徑D 不同、深度h 不同的孔洞并澆筑混凝土成樁（見圖1）。通過測試嵌巖段部分的樁側阻力和樁端阻力來確定試樁承載力并分析尺寸效應對承載力的影響。

由于傳統加載方法難以在孔底進行加壓測試，本次試驗采用自平衡測試方法對其進行了測試[11]。其主要加載設備為荷載箱，其由活塞、頂蓋、底板及箱壁等組成。荷載箱中的壓力可用壓力表測得，上下蓋板的位移可用位移傳感器測得。豎向加載時，可通過高壓油泵向荷載箱內腔加壓，隨著壓力的增加，荷載箱將同時向上、向下發生變位，促使樁側、樁端阻力的發揮，其測試原理如圖2 所示。

圖1 測試示意圖 Fig.1 Test diagram

圖2 自平衡測試原理圖 Fig.2 Schematic of the self-balanced test

為了保證測試的準確性，在樁底的荷載箱下方還設置了50 mm 厚的砂墊層。

本文選取7 根實測的試樁數據對樁基的尺寸效應進行研究，試樁基本參數如表1 所示。

表1 試樁參數 Table 1 Parameters of test pile

3 試驗結果及分析

3.1 樁巖側阻力試樁尺寸效應測試與分析

本文以試樁S1、S3 為研究對象，2 根試樁除了直徑不同外，其他條件完全相同。實測的嵌巖段平均樁側阻力與位移關系曲線如圖3 所示。

從圖中可以看出，在巖質條件和嵌巖深度相同的條件下，嵌巖段的平均樁側阻力與位移關系呈曲線分布，并且兩者的樁側摩阻力大小也并不相同。在相同的位移情況下，S3 與S1 相比，隨著樁徑的增大，其對應的樁側阻力發揮略有減小，造成這一現象的主要原因：一是大直徑樁應力松弛現象與小直徑樁相比較為明顯；二是隨著樁徑的增大，樁身的截面剛度也比較大，在豎向軸力的作用下，樁的側向變形減小，作用在樁周巖石上的法向應力也隨之減小，勢必導致樁側的切向應力，即樁側阻力的減小。這也說明了嵌巖樁在嵌巖段部分由于尺寸效應存在著一定的樁側阻力減小現象。

圖3 S1、S3 樁側阻力-位移曲線 Fig.3 Curves of shaft resistance-displacement of S1, S3

3.2 樁巖側阻力嵌巖深度影響分析

本次試驗還對同一巖層采用了不同孔深、不同孔徑的形式做了對比試驗，對嵌巖樁的深度效應進行測試與研究。測試結果如表2 所示。

表2 側阻力與位移的關系 Table 2 Relations of shaft resistance and displacement

從表可以看出，在相同巖層的情況下，嵌巖深度不同時樁側阻力也并不相同。如試樁S4 和S5 嵌巖部分的巖層都是中風化礫巖，兩者孔徑也相同 （D =1.0 m）；不同之處在于試樁S4 的嵌巖深度為2 倍樁徑，而試樁S5 的嵌巖深度為1 倍樁徑。從測試結果看，嵌巖深度大的樁，其極限樁側阻力也相對小一些。主要原因是嵌巖樁嵌巖段部分的樁側阻力的發揮也是一個漸次的過程。在荷載箱提供的壓力作用下，嵌巖深度小的嵌巖樁其極限側阻力的發揮就比較完全，樁側阻力分布也比較接近；嵌巖深度較大的嵌巖樁，不同位置處的樁側阻力發揮則并不相同，在極限荷載作用下，靠近荷載位置處的樁側阻力已達到其極限側阻力，而距離荷載較遠處樁側阻力并未充分發揮，導致其平均極限側阻力小于嵌巖深度較小的狀況。

試樁S6 和試樁S7 也是如此，該試樁嵌巖部分的巖層為強風化砂巖。S6 嵌巖深度為1.5 倍樁徑，而S7 嵌巖深度為1 倍樁徑，在其他條件相同的情況下，嵌巖深度小的樁，其側阻力也相對大一些。

本次試驗也從另一個方面證實，樁周巖層的特性對樁側阻力的影響更為明顯。巖體抗壓強度高的中風化礫巖其實測的極限側阻力也遠大于抗壓強度比較低的中風化砂巖、強風化砂巖。

在每級荷載作用下，樁側阻力與位移關系如圖4 所示。

從測試結果來看，試樁S1、S2、S3 巖層條件相同，皆為中風化砂巖。試樁S1、S3 在嵌巖深度相同的條件下，盡管兩者樁徑不同，但樁側摩阻力大小相差不大；而試樁S2 同試樁S1、S3 相比，隨著樁端荷載的增大，嵌巖深度越大的樁其巖層的樁側阻力折減越明顯。同樣，樁周巖層為微風化礫巖的試樁S4、S5 以及樁周巖層為強風化砂巖的試樁S6、S7 都存在相同現象，即在樁側位移超過一定數值后，相同巖層不同嵌巖深度的樁側摩阻力隨荷載增大兩者差值也越來越突出。

可以看出，在巖石條件相同的情況下，嵌巖深度增大導致樁側摩阻力的折減要比孔徑增大而導致樁側摩阻力的折減更為明顯。這也說明一味的增大樁端的嵌巖深度來提高樁基整體的承載能力還不如采用增大樁的直徑的方法更為有效。

3.3 樁端阻力尺寸效應分析

為測試樁端阻力的尺寸效應，在荷載箱下方設置了不同尺寸的載荷板。考慮到工程的實際需要，最小載荷圓板的直徑都超過了300 mm。表3 列出了不同巖層條件下，不同底板尺寸的試驗結果。為研究同一巖層在同等加載條件下尺寸大小對端阻力的影響，試樁S2、S3 及試樁S5、S7 的加載值、端阻力、向下位移均為利用實測數值而擬合的結果。由于試樁S2 的擬合數值較大，故應予以舍去。

圖4 側摩阻力與位移曲線 Fig.4 Curves of shaft resistance-displacement

表3 端阻力與位移關系 Table 3 Relations of tip resistance and displacement

從表3 中可以看出，在本工程的3 種巖層中，在相同壓應力的條件下，底板尺寸大的樁對應的位移也大。即試樁S3、S5、S7 的底板尺寸分別大于相應的試樁S1、S4、S6，它們向下位移也較大。即在相同的巖層中，樁端阻力的數值也并不完全相同。在相同樁端應力作用下，樁端面積越大，樁端沉降也越大。當以樁基的沉降量為控制條件來確定樁基承載力時，樁端承載力與樁徑大小有關。在滿足位移相等的條件下，樁徑越大，其單位端阻力就越低。因此，計算大直徑嵌巖樁的端承載力時，應根據樁端尺寸大小適當予以折減。

3.4 樁端阻力折減系數分析

取中風化巖層討論，在相同位移的情況下，試樁S1、S3、S4、S5 端阻力的大小如表4 所示。假設大直徑嵌巖樁的樁端阻力隨樁徑增大呈雙曲線形式減小，即如下式所示：

則

式中：1D 為變化前的樁徑；2D 為樁徑改變后的樁徑；p1q 是樁徑為1D 時對應的樁端阻力；p2q 是樁徑為 2D 時對應的樁端阻力；n 為巖層樁端阻力隨樁徑變化的折減指數值。

采用上述計算方法可求得該測試巖層的n 值，如表4 所示。計算結果表明，對中風化的砂巖數值為2.30；中風化的礫巖為4.32。可以看出，樁端的尺寸效應隨樁徑的增大，數值變化比較明顯。而且巖石的強度越高，數值減小就越明顯。

表4 系數值n Table 4 Values of n

4 結 論

（1）試驗在同種巖層條件下，對不同嵌巖樁的樁側阻力進行測試與分析，結果表明，隨著樁徑的增大，大直徑嵌巖樁的樁側阻力存在一定的減小現象。

（2）在不同嵌巖深度的條件下，對比試驗表明，隨著孔深的增大樁側阻力存在著明顯減小現象，且嵌巖深度的影響較孔徑變化的影響更為明顯。

（3）從不同巖層測試結果來看，樁周巖層的強度對樁側阻力的影響最為明顯，樁周巖層強度高，樁側阻力的發揮也大。

（4）嵌巖樁的樁端阻力也存在著明顯的尺寸效應。隨著樁徑的增大，樁端阻力減小也較為明顯，巖石強度越高，相應地樁端阻力減小也越大。

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