大噸位鋼筋混凝土灌注摩擦樁工程樁靜載試驗分析

劉 彤

（廣州市建筑科學(xué)研究院有限公司，廣東 廣州 510440）

在工程實際中將噸位＞1 000 t的單樁靜載試驗稱為大噸位靜載試驗。摩擦樁在土層較厚的地區(qū)較為常見。需要對加載過程中樁身內(nèi)力及摩擦力進(jìn)行研究。確定樁在加載過程中應(yīng)力變化，及摩擦力在土中擴(kuò)散情況，同時對樁身變形情況進(jìn)行監(jiān)測，說明樁身位移隨時間變化規(guī)律，為大噸位摩擦樁設(shè)計提供依據(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21.2 m，場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，可見粉質(zhì)黏土夾層。

場地內(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，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，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

3.1 試驗樁安裝

試驗前在距樁頂5、10、15 m處的鋼筋籠安裝振弦式應(yīng)力計，在樁底安裝土壓力盒，在加裝應(yīng)力計的過程中需要對鋼筋進(jìn)行切割，現(xiàn)場施工照片如圖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)檢測規(guī)范》 （DBJ 15-60—2008） ，最大荷載為設(shè)計值的二倍，共計19 000 kN[2]。

通過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)大于最大試驗荷載的20%以上，并且堆載完成后開始試驗。單樁豎向抗壓靜載試驗加載裝置如圖4所示。

圖4 現(xiàn)場試驗照片

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

3.3 試驗方法與變形觀察

共分十級進(jìn)行加載，第1、2級分別加載設(shè)計荷載的1/5，此后每級加載設(shè)計荷載的1/5試10，加載時每級荷載維持時間不少于1 h。

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

加載至10級后進(jìn)行卸載，每級卸載設(shè)計值的1/5，分別在第5、15 min記錄樁頂沉降量。卸載至0級時，分別在5、15、30 min記錄樁頂沉降量，此后每30 min記錄1次，0級荷載總共維持120 min。

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

逐級加載，加載至第八級時，各級樁頂位移均能達(dá)到穩(wěn)定，并且最大沉降量為33.69 mm，未超過40 mm，可以達(dá)到穩(wěn)定，當(dāng)加載至第九級，即17 100 kN時，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。樁身變形為各級均為超過上一級沉降量的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

在加載過程中樁身各處應(yīng)力變化振弦應(yīng)力計反應(yīng)，在加載各級中變化如圖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的深度。當(dāng)樁頂荷載達(dá)到11 400 kN時，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，即達(dá)到。15 200 kN時，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，樁底側(cè)摩擦力結(jié)合公式 （2） 、 （4） 為：

經(jīng)計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

通過計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

（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，樁身發(fā)生破壞。破壞時樁身并未發(fā)生破壞，位移沒有陡降，整體呈換邊性破壞，說明側(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)荷載的儲備能力，大荷載作用下種能力主要由樁身長度、樁徑及持力層決定，樁身在加載過程中不會破壞，符合彈性形變規(guī)律。