臨海地區大直徑深長鉆孔灌注樁承載性狀試驗研究

李文勇，高 頔，胡新元

（中交第一航務工程勘察設計院有限公司，天津 300222）

引言

目前大直徑深長鉆孔灌注樁在我國已被廣泛使用，但針對該類樁荷載傳遞機制的研究還不深入，迄今仍無相應的承載力計算方法?，F行規范中關于大直徑深長鉆孔灌注樁的設計理論并非以其承載變形機制為基礎，只簡單按經驗加以修正，并未考慮到大小直徑樁承載性能的差異，在理論上沒有定性、定量的研究。另外，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[1-4]。大直徑深長灌注樁有著特有的承載形狀，且其影響因素繁多復雜，目前尚無系統研究，而愈來愈多的工程實踐迫切需要對其承載機理進一步研究，從而更好的指導工程實踐，降低工程費用。

本文基于山東省某地區儲氣罐區試樁工程進行的現場載荷試驗數據，對該類型樁樁側土層在豎向荷載作用下的荷載傳遞機理進行了初步分析，得出一些有益的結論。

1 試驗概況

1.1 概況

山東省某地區儲氣罐區試樁工程，共布置試樁4根，單樁豎向靜載試驗3根，分別為V1、V2、V3，單樁水平靜載試驗1根。試樁樁徑1.4 m，樁長L依次為78.7 m、78.5 m、81.70 m，長徑比L/d≥50，屬典型的大直徑深長樁。V1樁成孔方式為沖擊+旋挖，V2、V3為沖擊+反循環，其他成樁工藝均相同。試樁終孔條件為樁長大于75 m且樁端持力層位于強風化大理巖層。V2樁同時進行了樁身內力測試。在靜載試驗前后，對試樁進行了聲波透射檢測，結果顯示樁身均完整。

根據地質報告揭示，試樁深度范圍內主要地層依次為：①回填層，稍密～中密狀，粒徑20～130 mm為主，以風化巖屑和粘性土填充，層厚約20.5 m；②粉質粘土及粗礫砂交互層，粉質粘土呈可塑～硬塑狀，層厚約4.1 m，粗粒砂呈中密狀，層厚約1.0 m；③粗礫砂，密實狀，N=45.9，層厚約22.0 m；④粘土，硬塑狀，N=20.3，層厚約1.5 m；⑤粗礫砂，密實狀，N=47.0，層厚約17.2 m；⑥強風化大理巖，密實狀，N＞50，芯樣大多已風化呈砂土狀。

1.2 加載裝置及試驗方法

靜載試驗按照設計要求最大加載量為20 000 kN，反力裝置采用堆載塊及鋼梁，采用慢速維持荷載法。樁頂下沉量由位移傳感器測得。試驗過程嚴格按照相關規范進行。

樁身內力測試采用振弦式應力計。應力計于相鄰土層分界處埋設，焊接于鋼筋籠主筋內側，每個斷面按軸心對稱布置4個。標定面選擇在距樁頂1 m處布置。安放鋼筋籠時，各組傳感器的電纜沿鋼筋籠主筋內側引至鋼筋籠頂部下方1.5 m處的側面引出，并在混凝土澆筑完成后加以保護。試驗時，將應力計測試線連接于集線箱，并用頻率測試儀讀取頻率值，然后通過標定公式求取其應力值。

2 試驗結果分析

2.1 荷載-沉降規律分析

據圖1各試樁Q-S曲線可知，各樁荷載-沉降曲線均呈現緩變型，荷載特征點不明顯，而各樁的最終樁頂沉降量卻差異明顯。各樁最大沉降量依次為20.95 mm、87.98 mm、53.06 mm，回彈量依次為10.22 mm、15.79 mm、15.16 mm。V2樁回彈率僅有17.9 %，表明樁土體系已基本進入塑性工作狀態。V2、V3樁在荷載超過12 000 kN后，單級荷載下的沉降量呈逐漸擴大趨勢。另外，各試樁試驗加載時間分別為28 h、61.5 h、43 h，其用時基本與沉降量成正相關。

圖1 各試樁Q-S 曲線

三根試樁的相互間距僅為8 m，且地層情況基本一致，出現如此較大的差異，除V3樁較V2樁多進入強風化巖3.2 m，增加了一定量的樁側阻力而減小了樁端沉降和試驗用時，主要歸因于成樁方式。V1樁成孔方式為沖擊+旋挖，歷時3天；V2、V3樁為沖擊+反循環，歷時分別為8天、11天。旋挖鉆進過程中，孔壁不易產生泥皮，且孔壁一直受鉆斗的刮擦，在孔壁上形成較明顯的螺旋線，有助于增加樁的摩擦力。而反循環鉆進方式在使用泥漿保證孔壁的穩定性的同時，也增大了樁周泥皮的厚度，導致剪切滑裂面將由緊貼樁身的硬殼層轉變為泥皮內，從而降低了樁側阻力。綜合考慮上部結構對沉降的敏感程度，以及土層的不均勻性，V2樁由于發生了上部結構不適宜繼續承載的較大變形，樁土體系進入了破壞狀態，因此其極限承載力未能滿足設計要求。

2.2 樁身內力計算及荷載傳遞

本試驗采用振弦式鋼筋應力計作為傳感器，通過頻率計實測得到各級荷載下的頻率值計算鋼筋應力，以鋼筋與混凝土應變協調一致為原則，根據材料力學彈性變形公式，計算出樁身軸力，通過樁身軸力根據靜力平衡原理和應力應變關系導出樁側摩阻力和樁身各測試斷面的沉降。V2樁各斷面在分級荷載作用下樁身軸力如圖2。

圖2顯示在各級樁頂荷載作用下，隨著樁土相對位移的產生，土側阻力不斷被激發，各測試斷面的軸力逐漸增加，樁身軸力隨深度逐漸減小，并且每層土受其土性、埋深等因素影響，其發揮程度并不一致，表現出一定的異步性，即側阻先于端阻，上部土阻力先于下部土阻力。而軸力分布曲線段的陡緩反映出該層土阻力的大小，曲線越陡意味著上下連續兩個截面的軸力越相近，即樁側土阻力越小。從圖中可以看出，每層土隨著荷載的增大，分段軸線都變得越來越緩，即樁側土阻力漸次發揮，并逐漸增加?？梢钥吹?，強風化巖曲線段的加載過程中斜率變化最大，說明該土層的側阻力得以充分發揮。樁端荷載也在逐漸增大，但在最大樁頂荷載作用下，樁端荷載承擔比例也僅為9.4 %，表現出了明顯的摩擦型樁的特征。

圖2 各級荷載下樁身軸力

圖3 樁側土阻力分布

如圖3所示，在最大荷載作用下樁側土阻力與地質勘察提供的建議值存在一定的差異，這既與樁側泥皮厚度有關，同時也與在成孔過程中，因施工工藝不同孔壁產生松弛效應有關，即與土的靈敏度有關，靈敏度越高的土層其側阻降低越大。前述提到，V2樁采用了沖擊+反循環工藝，其成孔耗時8天，這無疑會放大松弛效應，特別是對于無粘聚性的砂土和碎石類土有著不可忽視的影響。因此僅根據土層的物理力學特征確定樁側土阻力有一定不足，對于深長樁即使物理力學性質相近，由于土層埋深不同，其側阻也會表現出很大的差異。

2.3 樁側阻力與樁土相對位移變化的關系

樁側阻力的發揮需要樁土間產生一定的相對位移，且隨著相對位移的增加，樁側土阻力逐步發揮直至達到極限。另外，側阻力的發揮與樁徑、施工工藝、土層性質及分布位置有關。據圖4可知，樁土相對位移與側阻力的關系呈現幾個特點：1）除強風化巖外，其余各土層在樁土相對位移小于5～10 mm時，即側阻力早期增長較快，而當樁土相對位移繼續增加時，側阻力增加幅度明顯趨緩，顯示樁側土阻力已接近極限值；2）嵌巖段強風化巖的側阻在荷載較小時近乎為零，而當樁土之間一旦產生相對位移，側阻力的增幅遠較上部土層要快，在樁土相對位移達到10 mm后，增幅開始逐步回落，但仍有一定的增長空間。

圖4 樁土相對位移與側阻力關系曲線

2.4 樁身壓縮與樁端位移關系

隨著樁頂荷載的增加，樁頂變形逐漸增大，該部分變形包含樁身壓縮和樁土相對位移兩部分。樁土相對位移又包含樁側樁土相對位移和樁端位移。從圖5可以看出，在荷載小于10 000 kN時，樁頂變形主要由樁身壓縮引起。加載后期，樁身壓縮變形呈一直線，表征在荷載作用下，樁身仍處于彈性變形階段。在荷載大于12 000 kN后，樁端位移量快速增加，曲線走勢與樁頂變形基本同步。這主要是增加的荷載已傳遞到樁端，導致了樁端位移的快速增加。

圖5 樁身壓縮量和樁端位移關系曲線

2.5 樁端阻力隨樁頂荷載、樁端位移的變化

樁端阻力的大小、承擔比例能反映出大直徑深長樁的承載性狀。圖6顯示，在荷載小于10 000 kN時，樁端阻力幾乎為零，而后隨著荷載增加，樁端承載力快速增大，但與樁頂荷載相比而言，其荷載承擔比僅為9.4 %。由此可見，樁頂荷載主要是由樁側土阻力來承擔，而樁端占比較小，呈現出明顯的摩擦型樁的性狀。

圖6 各級荷載下樁端阻力變化

圖7 樁端位移與端阻力發揮值關系曲線

圖7顯示，在上部荷載作用下，樁端阻力和樁端位移基本呈線性關系，忽略樁底沉渣的影響，可知樁端土處于彈性變形階段，端阻力的發揮尚有很大空間。圖6、圖7說明：對大直徑深長樁樁端主要起控制沉降作用，而非承擔上部荷載，因此在設計時對此類樁也可采用后注漿等其它工藝改善樁端土性質從而優化設計方案。

3 結語

1）對于深長泥漿護壁鉆孔灌注樁，其荷載傳遞與摩擦型樁相似，即側阻優于端阻發揮，端阻分擔較小。

2）不同的施工工藝對大直徑深長樁的承載性狀有著較大的影響，要選擇對樁側土體應力釋放影響小和產生泥皮厚度薄的施工工藝，從而保證樁身承載力不降低。

3）對大直徑深長樁，嵌巖樁端的承載作用較小，若施工過程中控制好泥皮厚度，樁頂沉降符合要求的前提下，在樁端嵌入強風化巖一定深度即可，或改用后壓漿等其他工藝也可達到設計要求。