大直徑鉆孔灌注樁作摩擦樁設計樁端阻力試驗研究

朱曉偉 朱爾玉 白正偉

(1.中鐵第五勘察設計院集團有限公司 北京 102600；2.北京交通大學 北京 100044)

1 引言

鉆孔灌注樁因其施工噪聲小、環境振動小，可以制造更大樁徑的樁基礎等優勢，近年來被廣泛用于橋梁工程中。當然，一些普遍存在于施工項目中的問題也急需解決，主要有以下幾個方面:(1)隨著管徑的加大對原地基土的擾動大幅增加，甚至達到不可忽略的地步；(2)設計過程中一般情況下都將灌注樁當做摩擦樁設計，在垂直荷載作用下樁身各土層的極限摩阻力和樁端阻力計算過程比較復雜；(3)大直徑鉆孔灌注樁在國內使用比較少，相關的資料和文獻也比較匱乏。本文通過對實際試樁工程所得出的計算結果進行更深層的研究，旨在盡可能地完善現有問題的答案，給接下來相似地質情況的工程項目提供更為準確的經驗和數據[1-4]。

2 試樁試驗及分析

2.1 工程背景和地質概況

連鎮鐵路新沂河特大橋位于江蘇省連云港市灌南縣張店鎮，該橋試樁方案共分為3組，編號分別為S4#、S5#和S6#，其詳細參數見表1，錨樁基礎類型按摩擦樁設計。設計單位為中鐵第五勘察設計院集團有限公司，施工單位為中鐵十局連鎮鐵路項目部三分部。

為了更加明確試驗研究目的，采取以下方法:(1)鉆孔樁試樁樁身側摩阻力、端阻力采用弦式鋼筋應力計元件進行測試，獲得垂直荷載作用下沿樁身各土層的極限摩阻力和樁端阻力；(2)沉降位移采用電子位移計測量試樁單樁位移沉降量；(3)因灌注樁單樁承載力達到以104kN計的水平，傳統樁頂靜載試驗加荷困難，故試驗采用錨樁反力梁裝置來檢測單樁豎向承載能力。

表1 試樁、錨樁設計參數

2.1.1 樁基布置

本試驗采用錨樁反力梁裝置，4錨1試，基準梁由2根6 m長φ50 mm的鋼管組成，裝置平面見圖1。采用3個500 t油壓千斤頂并聯，通過電動油泵驅動加載，千斤頂的合力通過試樁中心，樁的沉降變形通過布置于樁頭的位移傳感器進行量測[5-7]。

圖1 錨樁橫梁反力裝置平面

2.1.2 水文地質條件

橋址所在地主要地質條件為第四系全新統沖積層黏土、第四系全新統沖積層淤泥質黏土及第四系上更新統沖洪積粉質黏土、粉土、細砂等。其巖性特征見表2。

表2 鉆孔灌注樁樁周土層設計參數及測試分層匯總

2.2 試樁試驗

2.2.1 單樁豎向抗壓靜載荷試驗

單樁豎向抗壓靜載試驗的基本原理是用加載裝置將豎向荷載均勻地傳遞到樁基上，通過實測單樁在不同荷載作用下的樁頂沉降，得到靜載試驗的荷載-沉降曲線(Q-s)及沉降 -時間對數曲線(s-lgt)等輔助曲線，然后對曲線進行綜合分析，推求單樁豎向抗壓極限承載力等參數。

在進行單樁豎向承載力試驗時，根據安裝于樁身側面、樁底的鋼筋計及土壓力盒測定樁的分層土極限摩阻力和極限端阻力值[8-10]。

(1)加載設備采用3臺500 t油壓千斤頂，高壓油泵1套，采用并聯法供油加壓。

(2)荷載與沉降量測試使用武漢巖海公司生產的RS-JYB型樁基靜載荷測試分析系統，可以對豎向及水平靜載試驗進行數據采集。荷載通過壓力傳感器測量，沉降量通過位移傳感器測量。

(3)選用JMZX-4XX系列智能弦式數碼鋼筋應力計對鉆孔灌注樁進行樁側摩阻測試。弦式鋼筋應力計對觀測電纜絕緣要求低，長導線也不影響測試結果，蠕變小，適宜長期觀測。選用JMZX-5XX系列智能弦式數碼土壓力盒對鉆孔灌注樁進行樁端阻力測試。

弦式鋼筋應力計依據土層劃分情況，分別布置在距樁頂 0.6 m、7.3 m、16.2 m、26.0 m、32.0 m、36.6 m及48.6 m處，土壓力盒埋設在樁底部。每個測試斷面沿環向等間距布置3支弦式鋼筋應力計(見圖2)。樁頂第一個斷面為測試標定斷面，用于推求K值或鋼筋混凝土綜合彈性模量。所有鋼筋計和土壓力盒通過觀測電纜引出地面，采用智能綜合測試儀測讀應力或應變值[11-12]。

圖2 鋼筋應力計安裝位置示意

(4)本試驗采用錨樁反力梁裝置，4錨1試。

(5)基準梁由2根6 m長φ50 mm的鋼管組成。加載采用3個500 t油壓千斤頂并聯，通過電動油泵驅動加載，千斤頂的合力通過試樁中心。樁的沉降變形通過布置于樁頭的位移傳感器進行量測。

2.2.2 單樁水平承載力試驗

通過單樁水平承載力試驗，測定單樁水平承載力及地基土的橫向抗力系數的比例系數。加載方法采用單向多循環加載法，加載要求為:

(1)加載分級荷載應小于預估水平極限承載力或最大試驗荷載的1/10。每級荷載施加后，恒載4 min后可測讀水平位移，然后卸載至零；停2 min測讀殘余水平位移，至此完成一個加卸載循環。如此循環5次，完成一級荷載的位移觀測，試驗不得中間停頓(見圖3)。

(2)當水平位移超過40 mm時，可終止加載。

圖3 水平承載力試驗現場

2.3 試樁成果分析

2.3.1 單樁豎向抗壓靜載荷試驗結果分析

根據試驗記錄分別得到本次單樁豎向抗壓靜載荷試驗3根灌注樁的Q-s曲線、s-lgt曲線，依據試驗規范判定各試樁豎向極限承載力值。具體試驗數據及曲線見圖4～圖5，試樁豎向極限承載力測試值見表3。

表3 試樁豎向極限承載力測試值匯總

圖4 單樁豎向抗壓靜載荷試驗荷載-沉降(Q-s)曲線

圖5 單樁豎向抗壓靜載荷試驗沉降-時間對數(s-lgt)曲線

(1)本次試驗3根鉆孔灌注樁試樁終止加載的條件為:在某級荷載作用下，樁頂沉降量大于前一級荷載作用下沉降量的5倍，且加載至樁頂總沉降量超過40 mm。

(2)《鐵路工程基樁檢測技術規程》規定:對于陡降型Q-s曲線，取其發生明顯陡降的起始點對應的荷載值。本次試驗3根鉆孔灌注樁試樁的Q-s曲線均屬陡降型，故均取其發生明顯陡降的起始點對應的荷載值作為單樁豎向抗壓極限承載力。

(3)S4#試樁與其它兩根試樁的測試結果極差超過平均值的30%，結合施工情況，分析認為該樁頂部與墊層結合較緊密，且存在局部擴徑，導致極限承載力偏大，故以S5#、S6#試樁測試值來確定單樁豎向抗壓極限承載力統計值。

2.3.2 單樁水平承載力試驗結果分析

通過單樁水平承載力試驗，測定單樁水平承載力及地基土的橫向抗力系數的比例系數。以S6試樁數據為例，本次試驗的測試數據和H-t-Y0曲線、H-ΔY0/ΔH曲線見圖 6。單樁水平臨界荷載取H-ΔY0/ΔH曲線上第一拐點對應的水平荷載值，單樁水平極限承載力取H-ΔY0/ΔH曲線上第二拐點對應的水平荷載值。試驗結果見表4。

表4 單樁水平靜載試驗結果匯總

圖6 力-時間-位移(H-t-Y0)關系曲線與力-位移梯度(H-△Y0/△H)關系曲線

對應水平位移40 mm時的水平荷載超過水平臨界荷載，因基樁不允許出現裂縫，故以水平臨界荷載確定水平承載力特征值，水平抗力系數的比例系數計算采用單向多循環加載法得出水平力、水平力作用點位移-地基土水平抗力系數的比例系數關系曲線，見圖7。其鉆孔灌注樁地基土水平抗力系數的比例系數m＝12 850 kPa/m2。

圖7 地基土水平抗力系數的比例系數與力及位移關系曲線

通過檢測樁頂自由時的單樁水平承載力，從而推定地基土抗力系數的比例系數。在實際工況中，因基樁樁頂嵌入承臺，對增大單樁水平承載力有利。

2.4 極限側摩阻力及端阻力測試

試驗加載前讀取試驗元件的初始讀數，每級荷載穩定后分別測定每個安裝截面測量元件在該級荷載下的變化量即可得出樁身應力隨荷載變化曲線。

鉆孔灌注樁樁周土分層極限側摩阻力及樁端土基本承載力測試值見表5，樁身最大側摩阻力分布見表6。

2.5 小結

經對新建連鎮鐵路新沂河特大橋3根灌注樁試樁試驗數據作綜合判斷分析，可得出以下結論:

(1)鉆孔灌注樁S4#、S5#及S6#試樁極限抗壓承載力統計值為8 000 kN，設計提供值為8 000 kN，滿足設計要求。

(2)鉆孔灌注樁樁周各土層最大極限側摩阻力出現在距地表25.4～31.4 m的土層。

(3)鉆孔灌注樁單樁水平承載力特征值為250 kN，地基土水平抗力系數的比例系數m值取12 850 kPa/m2。

3 結束語

(1)樁基礎的端阻力和側摩阻力最大值分別為220 kN和98 kN，分別是單樁豎向抗壓承載能力計算值的2.7%和1.2%，所占比例很大，因此在設計中需予以討論并在滿足于樁身完整性不被破壞的前提下進行設計施工。

(2)大直徑鉆孔灌注樁荷載-位移曲線表現為緩變型，并沒有十分明顯的特征點，樁端阻力分擔的荷載只占一小部分；側摩阻力所占比例比較大，起主要作用。因此鉆孔灌注樁按摩擦型樁設計是必要的。

(3)通過對試樁的單樁水平承載能力試驗可知，灌注樁地基土水平抗力系數的比例系數m值大于管樁，所以在水平位移限值比較小的地質情況下，可以優先考慮灌注樁方案。