大直徑深長鉆孔灌注樁豎向承載力特性試驗研究

王忠福，劉漢東，賈金祿，黃志全，姜 彤

（1.華北水利水電學院 巖土工程與水工結構研究所，鄭州 450011；2.華北水利水電學院 巖土力學與結構工程重點實驗室，鄭州 450011；3.建設部綜合勘察設計研究院有限公司，北京 100007）

1 引 言

樁基礎是一種歷史較長而又被廣泛應用的深基礎型式，能較好地適應復雜地質條件以及各種荷載情況，特別是在軟弱地基上采用得較多。鉆孔灌注樁由于其施工簡便、承載能力高、變形小等優點在基礎工程中應用非常廣泛，隨著施工技術的不斷改進和提高，鉆孔灌注樁出現了樁端后注漿、三岔雙向擠擴支盤及擠擴支盤等工藝，目前國內外很多學者對該類灌注樁的承載力性狀及荷載傳遞機制進行了研究，獲得了一些有益的成果[1－12]。本文從唐山LNG儲罐區現場試樁靜載試驗中，選取9根抗壓樁（其中后注漿工藝3根、三岔雙向擠擴支盤工藝3根、擠擴支盤工藝3根）詳細地闡述了其受力性狀，對比分析了3種不同施工工藝大直徑深長鉆孔灌注樁承載性能的差異。由于大直徑深長鉆孔灌注樁的承載力很高，極難獲得完整的現場靜載荷試驗資料，本次現場試驗試樁全部破壞，獲得的完整試驗資料對深入研究大直徑深長鉆孔灌注樁荷載傳遞機制具有重要的參考價值。

2 工程概況及現場試驗

2.1 工程概況

唐山LNG項目接收站位于渤海灣北岸的唐山曹妃甸，北距唐山市約 80 km，東北距京唐港約61 km，西距天津新港約70 km。接收站工程主要由工藝系統、輔助生產系統和公用工程系統組成，包括8座儲存容積為16 ×104m3的LNG全包容儲罐及其配套的接收、儲存、加壓和氣化輸出設施，以及相關的建構筑物等。試樁工程位于接收站罐區場地內，試驗分3個區：①Pa區采用樁底注漿工藝，樁端壓漿壓力為 1.8～2.0 MPa，水泥漿配合比為1:0.6，單樁壓漿量為2000 kg；②Pb區采用三岔雙向擠擴支盤工藝，設置支盤 2個，支盤半徑為2.4 m，承力岔1個；③Pc區采用擠擴支盤工藝，設置3個支盤，支盤半徑為2.4 m。試樁所在位置地質剖面圖見圖 1所示，各土層物理力學參數見表1。

圖1 試樁區域地層巖性圖Fig.1 Test pile regional stratum and lithology

表1 各土層物理力學參數Table1 Physico-mechanical parameters of soils

2.2 加載裝置及試驗方法

試驗加載裝置采用堆重平臺反力裝置，在樁頂部安裝承壓板及6臺FQS500（500 t）千斤頂，組裝試驗反力架。反力梁由4根主梁和4根次梁組成。基準梁具有一定的剛度，梁的一端固定在基準樁上，另一端簡支于基準樁上，依靠堆載反力系統通過千斤頂加靜荷載至樁體破壞，試驗加載如圖2所示。

樁身應變采用XP99C振弦式應變計測量，測量誤差不大于0.1%Fs（Fs為滿量程范圍內誤差），分辨率優于0.01 mm。應變計埋設于相鄰兩土層分界處。樁頂沉降測定平面在樁頂200 mm以下的位置，測點固定于樁身上。試樁在2009年8月10日之前完成施工，在9月15日之后開始試樁測試，試驗加卸載方法按照參考文獻[13]《建筑基樁檢測技術規范》規定的慢速維持荷載法執行。

圖2 靜載荷加載試驗裝置Fig.2 Static load test device

2.3 樁體質量檢測

為確定試樁的樁體質量，對現場9根試樁進行了低應變及超聲波檢測，檢測結果見表2。

表2 低應變及超聲波檢測結果Table2 Low strain and ultrasonic test results

從表2檢測結果可以看出，Pb03和Pc05試樁樁底存在沉渣，Pc05試樁在6.6 m處存在缺陷，所以試樁完整性等級為Ⅱ等，其他試樁等級均為Ⅰ等。

3 現場靜載荷試驗結果分析

3種不同工藝9根試樁最大加載值為22000 kN，最小為12000 kN，樁頂沉降量在68～85 mm之間。除Pc-05試樁外，其他試樁荷載-沉降曲線均沒有出現明顯轉折型。根據《建筑基樁檢測技術規范》4.3.8中規定，當加載至樁頂總沉降量到60～80 mm時，可以終止加載。由于樁頂沉降量過大，所以采用容許沉降量作為確定極限承載力的控制指標，本次試驗取沉降量S=60 mm時的荷載為極限承載力。

3.1 荷載-沉降規律分析

靜荷載試驗荷載-沉降曲線的線型是樁身材料、樁周土破壞機制和破壞模式的宏觀反映。圖3給出了 3種不同工藝灌注樁的荷載-沉降關系曲線圖。從圖中可以看到，3種不同工藝荷載-沉降曲線變化規律基本相同，荷載-沉降曲線上沒有明顯的拐點，屬于緩降型。當荷載較小時，荷載-沉降曲線基本表現為線性關系，隨著荷載的增大，沉降增速也逐漸增大，曲線逐漸變為非線性。

圖3 荷載-沉降沉降曲線Fig.3 Load settlement curves

各試樁的最大沉降量及荷載值見表 3。從表中可以看出，9根試樁中最大沉降量為87.55 mm，最大回彈率為15.10%，最大回彈量為12.86 mm，回彈量和回彈率都很小，說明樁土體系已超出彈性工作范圍，進入破壞狀態。

整個罐區要求單樁承載力特征值不小于8100 kN，從載荷試驗結果上看，3種不同工藝的鉆孔灌注樁承載力均能滿足要求，樁底后注漿工藝試樁承載力大于三岔雙向擠擴工藝和擠擴支盤工藝試樁承載力。

3.2 樁身軸力計算及傳遞特征分析

樁身的應變測量通過預先埋置在樁身內的鋼筋應力計，可實測到各鋼筋應力計在每級荷載作用下的頻率值，并由此計算出所產生的應力值。由所測的i斷面鋼筋應力可以求得該斷面應變值，具體計算過程如下。

假設樁身材料呈線彈性，樁身各斷面的鋼筋軸力計算公式為

式中：K為標定系數（kN/Hz2）； Fi為某一級荷載作用下i斷面鋼弦振動頻率（Hz）；F0為鋼弦初始振動頻率（Hz）；B為計算修正值。由所測的i斷面鋼筋應力可以求得該斷面應變值為

式中：Es為鋼筋彈性模量（kPa）；As為鋼筋斷面橫截面積（m2）。

計算假定樁身混凝土和鋼筋變形協調，則測試i斷面樁身軸力值為

式中：Ec、Ac分別為混凝土的彈性模量（kPa）、截面積（m2）。

由于試驗數據較多，同種工藝試樁的曲線相似，限于篇幅，這里只列出 Pa-04、Pb-04、Pc-04試樁的軸力曲線圖。各測試截面在各級荷載作用下土層界面處的軸力如圖4所示。由于現有測試水平的限制，在承力岔（支盤）位置的側摩阻力無法獲得，所以在承力岔（支盤）位置的力簡化為支撐力。

從圖4(a)中可以看出，當加載至22000 kN時，樁端承載力值僅為1037 kN，樁端承載力僅占4.7%，樁側摩阻力幾乎承擔了全部的樁頂荷載，所以Pa-04試樁屬于摩擦樁。

圖4 各級荷載下樁身軸力分布圖Fig.4 Axial force distribution of pile shaft at all load levels

圖5為Pb-04、Pc-04試樁承力岔（支盤力）隨樁頂荷載變化曲線圖。從圖中可以看出，承力岔（支盤力）的荷載隨樁頂荷載的增大而呈近線性增大，上盤受力先于下盤受力，且上盤受力大于下盤。Pb-04試樁最大加載值18000 kN，樁端和3個承力岔共承擔了4877 kN，占總荷載的27%，屬端承摩擦樁；Pc-04試樁最大加載值為16000 kN，樁端和3個支盤共承擔了4114 kN，占總荷載的25.7%，屬端承摩擦樁。

圖5 承力岔、支盤力隨樁頂荷載變化圖Fig.5 Bearing fork and branch forces change with loads on pile top

3.3 樁側阻力隨深度變化關系

試樁相鄰兩個測試斷面間的樁軸力變化值等于兩斷面間的樁側摩阻力發揮值，側摩阻力Qsi計算公式如下：

式中：U為樁身周長；li為第i層土厚度；Qi-1、Qi分別為第i個土層上、下分界面處實測軸力。

樁頂荷載在傳遞過程中，上部和下部土層側摩阻力的發揮是一個異步的過程。上部土層的側摩阻力先于下部土層發揮作用，各土層側阻力的增速不同，其峰值有逐漸下移的趨勢；隨著荷載增大，上部土層的側摩阻力逐漸趨于穩定，而下部土層的側摩阻力逐漸發揮。不同的土層中，平均側摩阻力發揮有所差別。各級荷載下3根試樁側阻力隨深度分布曲線如圖6所示。從圖中可以看出，3種不同工藝的試樁樁側摩阻力變化規律基本相似。

3種不同工藝試樁各土層在極限荷載作用下實測側摩阻力與勘察報告推薦的極限值對比表如表 4所示。從表中可以看出，實測值與勘察報告推薦值有較大差異，不同土層側阻發揮程度有所差別，發揮程度由上至下遞減，3根試樁側摩阻力發揮程度Pb-04＞Pc-04＞Pa-04，整體上實測值大于勘察報告推薦值。分析原因主要是影響鉆孔灌注樁成樁的因素多且復雜，存在很多不確定性，這使樁側阻力實測值與設計值相差甚遠。

3.4 各級荷載下的樁-土相對位移

樁-土相對位移計算原理詳見文獻[14]。圖7是各級荷載作用下各斷面中心樁-土相對位移值，從圖中可以看出，樁頂荷載較小時，樁身上部混凝土受力壓縮，從而引起樁身上部樁-土產生相對位移。每級荷載作用下，樁-土相對位移最大值出現在樁頂位置。在荷載較小的情況下，3根試樁樁土相對位移隨著深度的增加近似線性減少，隨著荷載的增加，樁-土相對位移隨著深度的增加呈非線性變化。

3.5 樁側平均阻力與樁-土相對位移變化的關系

3根試樁平均側摩阻力的發揮程度與樁-土相對位移有著很好的對應關系。從圖8可以看出，當樁-土相對位移較小時，樁長范圍內土層的平均側摩阻力均隨著樁-土相對位移的增大而增大，隨著樁-土相對位移的逐漸增大，上部土層的平均側摩阻力增速減小，漸漸達到峰值，說明極限側摩阻力的發揮需要積累一定的相對位移量。

圖6 不同深度下樁側摩阻力隨荷載變化規律Fig.6 Pile shaft resistance change with load variation under different depths

表4 勘察報告推薦值與實測側摩阻力值對比表Table4 Comparison of survey report recommended values and the measured lateral friction values

圖7 不同荷載下樁-土相對位移Fig.7 Pile-soil relative displacement under different loads

3種不同工藝的3根試樁都表現出側摩阻力強化特性，樁側摩阻力的發揮與初始地應力水平、樁-土相對位移量、施工因素及巖土特性等有關系。

3.6 樁端阻力隨荷載及位移的變化

由于實測中最深的一個測量斷面距樁端很近，因而可近似認為樁端阻力值與該測試斷面的所測量的軸力值相等，樁端位移近似等于最靠近樁端的測試截面位移量，等于樁頂位移減去樁身自身的彈性壓縮，即

式中：lj為第j段樁的長度（m）；εj為第j個截面的應變量；s0為樁頂位移量（mm）。

各級荷載下樁端阻力變化曲線如圖9所示。由圖可看出，前2級荷載下，3種不同工藝的3根試樁端阻力極小，當加載到8000 kN，Pb-04、Pc-04試樁端阻力上升幅度開始增大，但就樁頂荷載而言，樁端阻力值依然很小，說明樁端阻力遠未完全發揮。

圖10為3種不同工藝3根試樁端阻力與樁端位移變化關系圖。

從圖10中可看出，3根試樁樁端阻力隨樁端位移增加的變化關系均表現為強化效應，隨著樁端位移的增加，樁端阻力也在增加。

4 結 論

（1）3種不同工藝的大直徑深長鉆孔灌注樁試樁荷載-沉降曲線沒有顯著破壞點，后注漿工藝試樁荷載傳遞過程表現為摩擦樁的特性，樁側阻力幾乎承擔全部荷載，而三岔雙向擠擴支盤工藝和擠擴支盤工藝試樁荷載傳遞過程表現為端承摩擦樁的特性，樁端阻力占總荷載的20%～30%。樁端阻力充分發揮時，樁頂沉降量往往已超出規范要求。因此，在采用靜載試驗方法確定極限承載力時應采用樁頂沉降量作為控制指標。

圖8 樁側阻力與樁-土相對位移變化關系圖Fig.8 Relationships between pile lateral friction and pile-soil relative displacement

圖9 樁頂荷載與樁端阻力變化關系圖Fig.9 Relationships between load on pile top and tip resistance

圖10 樁端阻力與樁端位移變化關系Fig.10 Relationships between tip resistance and pile tip displacement

（2）整個試驗罐區要求單樁承載力特征值不小于8100 kN，從載荷試驗結果上看，3種不同工藝的鉆孔灌注樁承載力均能滿足要求。結合經濟造價及施工工藝等方面，綜合確定擠擴支盤工藝比較適合本工程。

（3）3種不同工藝試樁的軸力分布規律基本相似。每級荷載下，樁身軸力隨著深度的增加而減少。當荷載較小時，樁身下部軸力為 0，隨著荷載的增大，樁身下部逐漸產生軸力，端阻也開始逐漸發揮出來。樁端軸力所占樁頂荷載的比例隨著荷載的增加逐漸增大。

（4）3種不同工藝大直徑深長鉆孔灌注樁的樁側樁端阻力一般為非同步發揮且相互影響，同時各土層側阻力的發揮亦不同步，上、下土層側阻力先后發揮至極限。由于鉆孔灌注樁成樁影響因素多且存在不確定性，土層的實測側阻力與勘察報告推薦值間存在較大差異。

（5）3種不同工藝試樁的樁-土相對位移變化規律基本相似，樁-土相對位移最大值出現在樁頂位置，且隨著深度的增加近似呈線性減少，同時樁-土相對位移隨著荷載的增加也逐漸增加。平均側摩阻力的發揮程度和樁-土相對位移有著很好的對應關系。隨著樁-土相對位移的增加，3種不同工藝試樁平均側摩阻力均表現出強化現象。

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