超長大直徑樁承載特性試驗研究

胡立明

［上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市 200092］

0 引 言

樁基礎具有承載力大、沉降量小等優勢，目前已成為土木工程中最為常用的基礎形式之一。樁基豎向抗壓極限承載力的確定是樁基設計的基本內容，直接關乎建筑物的沉降控制及工程安全，因此得到了眾多學者及工程技術人員的關注[1-3]。

現有多種確定樁基豎向承載力的方法，大致可歸納為兩大類。第一類是間接法，即采用適當方法得到側阻力和端阻力，兩者疊加得到樁的承載力。具體有室內土工試驗法、原位測試法等。室內土工試驗法通過取樣測試獲得土體強度參數，進而計算樁的側阻力和端阻力，該方法簡單便捷，但由于取樣擾動、試驗方法、操作規范性等，得到的結果會有比較大的離散性，因此僅能用于一般工程或初步設計階段。原位測試法[4]是采用諸如靜力觸探、標貫、旁壓試驗的手段對土體進行原位測試，根據測試指標與樁的側阻力和端阻力之間的經驗關系，得到樁的豎向承載力。采用該方法得到的樁基承載力較室內土工試驗法更為可靠。第二類是靜載試驗法[5-9]，對樁基進行豎向抗壓靜載荷試驗，直接得到樁的豎向承載力，是目前最為直接可靠的方法。根據荷載施加方式又可分為傳統靜載荷試驗[5-7]（荷載施加于樁頂）以及自平衡靜載荷試驗[8-9]（荷載施加于樁身某一深度位置）。

隨著經濟社會的快速發展，各種高層、超高層建筑、大型橋梁等不斷興建，對樁基承載力提出更高要求。樁基礎的發展呈現出樁徑不斷增大、樁長不斷增長的趨勢[10-11]。然而，目前人們對超長大直徑樁的承載特性認識還不夠深入。鑒于此，依托寧波某工程進行了超長大直徑樁的豎向抗壓靜載荷試驗及樁身軸力測試，并將靜載荷試驗得到的樁基極限承載力與通過樁身軸力測試得到的樁基極限承載力進行對比。根據測試結果對樁的承載特性及荷載傳遞規律進行分析，所得結論可望為超長大直徑樁的設計提供參考。

1 工程概況

該工程位于浙江省寧波市，場地土層情況見表1。試樁樁徑1 500 mm、樁長75 m，持力層為⑩1灰黃色粉質黏土，試樁進入持力層11.7 m；錨樁共4 根，樁徑1 200 mm、樁長55 m。試樁與錨樁均為反循環鉆孔灌注樁，成樁之后養護28 d，采用錨樁法進行豎向抗壓靜載荷試驗，同時進行樁身軸力測試。

2 試驗情況介紹

2.1 豎向抗壓靜載荷試驗

單樁豎向抗壓靜載試驗采用錨樁橫梁反力裝置，荷載按規范要求分級施加，直至破壞。本試驗采用油壓千斤頂（10 個320 t 的千斤頂）分級加載，荷載采用油壓傳感器測量，沉降測量采用4 只位移傳感器對稱安置在樁側2 個正交方向，每根錨樁檢測1 點，測點置于錨樁樁頂混凝土面上。

加載方式采用慢速維持荷載法，荷載分級按1 500 kN 分級，第1 級加載量按2 倍分級荷載進行，加至第11 級后，荷載增量減小為750 kN，直至加載至24 000 kN 試樁破壞。每級荷載施加后按照第5、15、30、45、60 min 測讀樁頂沉降量，以后每隔 30 min 測讀一次。每級卸載值為加載值的2 倍，每級荷載維持1 h，按照第15、30、60 min 測讀樁頂沉降量后，即可卸下一級荷載。卸載至零后，測讀樁頂殘余沉降量，維持時間為3 h，測讀時間為15、30 min，以后每隔30 min 測讀一次。

表1 場地土層情況

2.2 樁身軸力測試

采用在樁身不同位置埋設鋼筋應力計的方式，測試各級荷載下樁身截面的內力，并計算得到樁身軸力及側摩阻力的分布情況。鋼筋應力計為型號JTM-V1000H 的振弦式鋼筋應力計，應力計連接桿直徑與鋼筋主筋相同。安裝時截斷主筋，把1 000 mm左右的鋼筋應力計及連接桿串聯其中，兩頭與鋼筋焊接，如圖1 所示。

圖1 鋼筋應力計安裝方式

樁身內力量測斷面設置在土層分界處，共10 個土層，對于層厚較大且側摩阻力提供相對較多的⑤、⑥1和⑩1土層，均分2 個斷面進行安裝，每個斷面對稱布置4 只鋼筋應力計（如圖2 所示），同時在樁帽下1 倍樁徑位置處布置一個標定斷面，安裝4 只鋼筋應力計，樁身由上到下分14 個斷面，埋設56 只鋼筋應力計。

圖2 鋼筋應力計安裝截面圖

3 試驗結果分析

根據豎向抗壓靜載荷試驗過程中每級荷載所對應的樁頂沉降，繪制出荷載- 沉降關系曲線（即Q-s曲線），如圖3 所示。由圖3 可知，當荷載施加至24 000 kN 時，樁頂沉降急劇增大，該級荷載下的沉降量為110.09 mm，超過前一級荷載對應沉降量（6.71 mm）的5 倍。根據《建筑樁基檢測技術規范》（JGJ 106—2014），終止加載并取其前一級荷載作為樁的極限承載力，即23 250 kN。另外，加載過程中樁頂最大沉降量為152.84 mm，卸荷過程中的最大回彈量為14.74 mm，回彈率為9.6%。

圖3 樁頂荷載- 沉降關系曲線

豎向荷載作用下，樁的受力鋼筋會發生微應變，導致鋼筋應力計的頻率隨之發生變化，據此可計算出鋼筋應力計所受到的豎向力為：

式（1）中：Qy為鋼筋應力計所受豎向力；K 為鋼筋應力計標定系數；f0和fi分別為第i 級荷載施加前后鋼筋應力計讀數。

根據鋼筋與鋼筋應力計的應變協調，可得：

式（2）中：Qg為對應截面處鋼筋所受豎向力；Eg和 Ag分別為鋼筋的彈性模量和橫截面積；Ey和Ay分別為鋼筋應力計的彈性模量和橫截面積。

根據混凝土和鋼筋的應變協調，可得：

式（3）中：Qc為對應截面處混凝土所受豎向力；Ec和Ac分別為對應截面樁身混凝土的彈性模量和橫截面積。

由式（1）、（2）和（3）可得，該截面位置樁身軸力可表示為

式（4）中：Qp為對應截面處樁身軸力。

進一步根據極限荷載作用下各截面的樁身軸力值，按照下列方程可分別計算樁周土的極限側摩阻力和極限端阻力：

式（5）、式（6）中：qsi為第 i 層樁周土的極限側摩阻力；upi和lpi分別為第i 段樁的周長和長度；qp為極限端阻力；Ap為樁端橫截面積；Qpn為極限荷載作用下樁端位置的軸力。

根據鋼筋應力計測試數據，并按照式（1）~（4）計算得到的各級荷載下樁身軸力分布情況如圖4 所示。由圖4 可知，某級荷載作用下，樁身軸力隨著深度的增大而逐漸減小，這是樁周土側摩阻力發揮作用的結果。在淺部位置，隨著樁頂荷載的逐漸增大，樁身軸力曲線的斜率變化不大，表明在較低荷載水平下樁周側摩阻力已充分發揮；而在深部位置，軸力曲線斜率則隨著樁頂豎向荷載的增大而增大。另外，當荷載水平較低時，荷載主要由淺部位置的樁周土分擔，并未傳遞至深部位置及樁端；即使荷載水平很高時，仍然只有很小一部分荷載傳遞至樁端，這也是超長樁與短樁的區別所在，是工程中需要注意的問題。

根據式（5）計算得到的各土層極限側摩阻力分別 為 53.98 kPa、5.90 kPa、114.78 kPa、96.81 kPa、27.08 kPa、42.38 kPa、148.06 kPa、119.42 kPa、71.10 kPa 和32.49 kPa。由此計算得到的樁的極限側阻力為20 440 kN，與極限端阻力疊加之后的極限承載力計算值為22 613 kN，與靜載荷試驗的結果非常吻合。可以證明測試方法及測試結果的可靠性，通過軸力測試得到的各土層極限側摩阻力及極限端阻力可為本工程樁基礎的設計提供參考。

圖4 不同荷載下樁身軸力的分布情況

4 結 論

（1）豎向靜載荷試驗的荷載-沉降關系曲線為陡降型，取前一級荷載作為樁基極限承載力；

（2）對超長樁而言，淺部樁周土側摩阻力得到了充分發揮，而端阻力發揮較少，當荷載水平較低時，荷載主要由淺部位置的樁周土承擔；

（3）通過樁身軸力測試計算得到的樁基極限承載力與豎向抗壓靜載荷試驗得到的結果吻合，證明了試驗方法及測試結果的可靠性，所得土層參數可為本工程樁基礎的設計提供參考。