砂巖厚填土區灌注樁成孔質量和承載特性試驗研究

崔偉，李結全

（1.安徽省建筑科學研究設計院，安徽 合肥 230031；2.綠色建筑與裝配式建造安徽省重點實驗室，安徽 合肥 230031；3.廣西瑞宇建筑科技有限公司，廣西 南寧 530031）

0 前言

目前關于樁身內力與土的性質、土層分布及埋深之間關系的認識與理解主要是從大量預制打入樁的工程實際經驗與試樁測試資料中總結得到的。預制打入樁是人們最早采用的樁型，不僅在工程中應用最廣泛，且對其研究也較為透徹[1]，而人們對沖（鉆）孔灌注樁的樁身內力試驗資料較為缺乏，使得在設計該類樁型時不得不沿用在打入樁中獲得的某些經驗關系，實際上沖（鉆）孔樁的樁側摩阻力的發揮以及荷載傳遞特性受施工和場地條件的影響較大[2]，填土場地一般成分復雜、粒徑差異大，成孔質量較難控制，樁徑變異大，以往認為孔壁形狀凹凸不平的樁比孔壁形狀平直、光滑的樁具有更高的承載力[3]，而關于其對樁身內力及荷載傳遞性狀的影響卻很少提及，本文以廣西欽州港大型煉油項目裝置區樁基試驗工程為背景，對其靜載試驗結果進行了分析，尤其是選擇了強夯處理的砂巖厚填土場區內采用后壓漿處理的沖孔灌注嵌巖樁，討論了孔徑變化對于強夯處理的砂巖厚填土區沖孔灌注樁的極限承載力及樁土荷載傳遞性狀的影響規律。

1 工程地質概況

某工程場地的2根靜載試驗樁(1#、2#)的樁徑均為0.8 m，樁長12.0m，主筋為12Φ18 mm的沖孔灌注樁，樁身混凝土C25，并在樁端附近采用后壓漿。兩根樁穿越土層狀況相同，其所處場地原為低矮丘陵，屬海蝕丘陵地貌，經挖填平整后，場地開闊平坦。根據勘察揭露，場地各地基土層分布及物理力學性質指標見表1。

地基土物理力學性質指標平均值匯總表 表1

對于場地中的①素填土與②粉質粘土層，采用重錘夯實法進行處理。通過對1#與2#樁的樁身內力試驗，進行砂巖厚填土場地后壓漿灌注樁的樁土荷載傳遞性狀的研究。

根據各試樁所處實際的土層情況及樁身荷載傳遞機理，在每根樁所處土層的分界點附近及各土層中均適量布置鋼筋應力量測斷面，為保證測試結果的可靠性，每個量測斷面對稱布置兩個鋼筋應力測點，如圖1所示，本試驗的2根試樁均分別布置了5個截面10個振弦式鋼筋應力計。

圖1 1#與2#樁所處地層示意及應力計布置圖

2 試驗方案

①在樁基成孔之后，吊放鋼筋籠之前，進行成孔質量檢測，包括孔徑、孔斜、孔深及孔底沉渣測量4個部分。

②在靜載荷試驗之前，將振弦式頻率測定儀與各鋼筋應力計的電纜連接上并讀初讀數。

③靜載荷試驗加載按分級進行，采用逐級等量加載，各樁的樁身內力測試與之同步，在靜載試驗的每級試驗荷載作用下，每隔一定時間采集樁身應力數據一次。

④以此類推，直至樁的位移量達到相對穩定，即完成該級荷載作用下樁身應力的測試，本試驗在每級荷載作用下每個應力計測讀4次，其中有1次是施加下一級荷載之前測讀。

⑤試驗按以上步驟依次進行，直至試樁達到極限破壞。

3 試驗及計算結果

3.1 試驗結果

本次試驗采用慢速維持荷載法，加載采用壓重平臺反力裝置，用2只500型千斤頂并聯加載，自動加載與觀測系統測讀每級樁頂沉降，加載增量為1200kN。壓漿后樁的破壞型式一般為緩變型破壞[4]，本次靜載試驗荷載—沉降關系曲線如圖2所示，兩樁的Q～s曲線也均呈緩變型下降。因此可按照規范分別取40mm對應荷載值3516 kN與4400kN作為1#樁與2#樁的單樁豎向抗壓極限承載力值，同樣的地層條件卻出現了2#樁極限承載力比1#樁高25%。本文后面將分析出現這種差異的原因。

圖2 荷載沉降關系圖

樁徑測試結果如圖3所示，從圖3可以看出，除了由于技術原因，樁頂2m附近的孔徑未測得外，2根試驗樁的樁徑隨深度呈不規則變化，樁土截面很不規整，2根樁均出現了擴徑的現象，2#樁在中部2次出現了縮頸現象，2根樁在樁端3m附近均出現較大規模的擴徑。這主要由于厚達9.3m的砂頁巖填土巖性雜亂，顆粒大小懸殊，呈松散狀態，泥漿護壁效果不理想，成孔質量較難控制，從而在成孔過程中產生塌孔，甚至產生擴徑或縮頸的現象，這對樁土荷載傳遞性狀影響很大。

圖3 各樁孔徑變化圖

3.2 計算結果

樁身軸力由布設于各斷面的鋼筋應力計的振動頻率按式(1)換算獲得。2試樁的軸力Nz分布如圖4所示。

圖4 各試樁樁身軸力隨深度變化圖

由圖4可以看出，2根試驗樁在荷載較小時，軸力總體上隨深度呈減小趨勢，在樁頂荷載小于1200kN時，2樁樁頂1m附近軸力衰減非?？欤⑶宜p速率隨荷載增大而增大，1#樁的1.0m～6.3m深度處的軸力幾乎未衰減，而在6.3m～8.2m深度的軸力出現了衰減，而8.2m以下的軸力幾乎未變，結合圖3的1#樁的孔徑圖，除了樁頂2m附近未測出，在1.0m～6.3m深度，孔徑隨深度呈逐漸增大的“正八字形”，這種孔徑變化極不利于樁側摩阻力的發揮，所以此段軸力未衰減，相反地，1#樁在6.3m～8.2m深度的孔徑隨深度呈逐漸減小的“倒八字形”，這種孔徑變化有利于樁身荷載向樁周土中傳遞，所以此段軸力在荷載較小時軸力就開始衰減；隨著荷載增大至1600kN以后，樁頂附近1m軸力衰減更加迅速，而1.0m～6.3m樁段也開始了軸力的輕微衰減，6.3m～8.2m樁段的軸力衰減依然很明顯，而在8.2 m以下樁段，卻出現了軸力增加現象，而且軸力增大速率隨著荷載的增大而增大，這主要是由此段出現了負摩阻力造成的。再看2#樁的2.0～4.0m段，雖然樁徑較為垂直規整，但是其下段是擴徑段，從2#樁的軸力圖可以看出，在荷載較小時其下段擴徑段的軸力衰減是先于上部的樁徑規整段發生的，這就說明，下段擴徑段的阻力(包括擴徑端阻力與摩阻力)是先于上部樁徑規整段的摩阻力發揮作用的。

相鄰兩斷面間樁側摩阻力由公式（2）計算而得。

圖5 各試樁樁側摩阻力分布圖

從圖5可以看出，2樁樁周土的側阻均呈不對稱雙峰態[5]，且荷載越大，這種形態越明顯，峰值意味著較大的樁側土阻力，而谷值則說明土層的側阻作用較小。第一個較大的峰值出現在樁頂1 m附近，1#樁的這個峰值在加載到3600 kN時達到最大為530 kN，加載至4000 kN時，減小到450 kN，而2#樁的這個峰值一直加載到4400 kN時為800 kN，仍未達到極限，遠遠大于1#樁的此段側摩阻力，這也是2#樁的極限承載力高于1#樁20%的一個重要原因，造成這種摩阻力差異的原因可能是2#樁在灌注混凝土時樁頂附近出現了比1#大得多的樁徑擴大段，而且地表附近強夯處理效果較好，從而擴大段下斜面承擔阻力的能力比1#樁要強得多。第二個較小的峰值兩根樁不是出現在同一個位置，1#樁出現在8.2 m處，而2#樁出現在6.3 m處，造成這種差異的原因是1#樁在8.2 m處為擴徑端的下斜面，而在2#樁6.3 m處就已經是擴徑端的下斜面，而這種擴徑端的下斜面非常利于廣義的樁側摩阻力的發揮。值得注意的是，在2根樁的樁端0.8 m附近，出現了－10kPa～－60kPa的負摩阻力，并且隨著荷載增大而增大，這是由于上層厚回填土呈松散欠固結狀態，雖經過強夯處理，但對較深處處理效果有限，加之上部正好為擴徑段下斜面，下斜面對土體產生的壓力與自身重力共同作用，使得土體產生壓縮與沉降，而樁下部支承于堅硬的砂巖上，樁的位移小于土體的沉降，從而產生負摩阻力[6]，并隨著荷載加大，上部擴徑段下斜面對土體壓力越大，造成負摩阻力也隨之增大。

4 分析與討論

4.1 各層地基土側阻力變化情況

圖6為兩樁各層地基土側阻力隨樁頂荷載的變化曲線。

圖6 各層地基土側阻力隨樁頂荷載的變化曲線

從圖6可以得出幾點規律：①0.0～-1.0 m砂巖填土層地基土在單樁達到極限承載力之前一直發揮著較大的側阻力，1#樁在達到極限承載力時，此段地基土側阻力也達極值為530kPa，2#樁此段地基土一直未達極值，最高達863kPa，需要說明的是，這里的側阻力應為擴徑段端阻力與樁側摩阻力之和，因此遠大于規范中填土的極限側阻力值；②中部-1.0～-8.2m的砂巖填土層地基土側阻力隨樁頂荷載的增加均表現為單調遞增的特征，即側阻力隨樁頂荷載的增加而不斷增大，在最大樁頂荷載作用下也還沒有達到明顯的峰值；③1#樁的-6.3～-8.2m砂巖填土側阻力先于上部-1.0～-6.3m土側阻力的發揮，由于此側阻力值一直未達峰值，因此其上部-1.0～-6.3m土層側阻力未達到充分發揮，所以圖中的此段側阻力值自始至終都高于-1.0～-6.3m土側阻力值，造成這種現象的原因主要是-6.3～-8.2m處為樁擴徑段的下斜面，有利于側阻力的發揮，而其上部-1.0～-6.3m處為樁擴徑段的上斜面，不利于側阻力的發揮，同樣2#樁的-6.3～-8.2m處也為擴徑段的下斜面，因此此段樁側阻力先于上部發揮，當樁頂荷載達1200kN時，此段樁側阻力達峰值，當樁頂荷載繼續增大時，此段樁側阻力降低轉化為殘余側阻力，而其上部的-4.3～-6.3m處樁側摩阻力開始發揮作用，其值由44kPa增加到98kPa；④2樁樁端0.8m嵌入全風化砂巖，但是兩樁在-8.2～-11.5m處的側阻力自始至終發揮均不理想，1#樁的側阻力始終為負值，最大負阻力值達到-63.9kPa，2#樁最大側阻力35.1kPa,最大負阻力為-16.7kPa,由于樁徑曲線變化較大，樁頂荷載主要由樁在砂巖填土層中的側阻力承擔，因此傳遞到嵌砂巖段荷載較小，加之2樁位于嵌巖段的樁徑成“正八字形”，不利于側阻力的發揮，故2樁此段側阻力自始至終發揮較小，而2樁樁徑曲線變化趨勢不同，也造成了兩樁此段側阻力值的差異。

4.2 樁頂荷載的分擔

圖7表示兩試樁樁頂荷載的分擔比例。

圖7 各試樁樁頂荷載的分擔比例

樁頂荷載主要由樁端阻力與樁側摩阻力共同分擔，由于場地上層為厚達9.3m的砂巖厚填土層，設計樁基礎時以砂巖層作為持力層，樁頂荷載主要依靠樁端端承力來分擔，但是從圖7可以看出，1#樁樁頂荷載達到極限承載力之前，樁端阻力只達到樁頂荷載的25%～38%，達到極限承載力3516kN時，僅為38%；而2#樁樁頂荷載達到極限承載力之前，樁端阻力只達到樁頂荷載的10%～20%，達到極限承載力4400kN時，僅為20%。可見對于強夯處理的砂巖厚填土區的嵌巖樁，由于其孔徑變化較大，樁側阻力的貢獻相當可觀，使得樁側阻力占樁頂荷載的比例一般大于60%，并且對于相同場地的樁徑變化不同的樁，其樁頂荷載的分擔也有較大差異。可見，沖孔嵌巖灌注樁和鉆孔嵌巖灌注樁一樣，可按端承摩擦樁進行設計[7]。

5 結語

本文通過對砂巖厚填土區的2根豎向抗壓試驗樁樁身內力試驗，分析了在樁端附近采用后壓漿處理的沖孔嵌砂巖灌注樁在豎向荷載作用下的工作性狀，獲得以下結論：

①沿海砂巖厚填土強夯場地內回填土層成分復雜、粒徑差異大，沖孔灌注樁采用泥漿護壁效果不理想，易造成樁孔形態多變，建議加強成孔質量控制；

②砂巖厚填土區后壓漿沖孔嵌巖灌注樁靜載試驗Q-s曲線特征為緩變型，其極限承載力的確定以位移控制；

③樁徑多變使得樁身軸力與樁側摩阻力分布不規則，下部擴徑處端阻力先于上部規整樁段側摩阻力發揮，相同地層條件的單樁極限承載力差距能達到25%，建議在進行工程樁設計中引起足夠重視；

④砂巖厚回填土呈欠固結狀態，在上部擴徑端下斜面的壓力與自身重力共同作用下，土體產生壓縮與沉降，而樁下部支承于堅硬的砂巖上，樁的位移小于土體的沉降，從而在樁端附近產生負阻力，因此在進行此類嵌巖樁設計時，應充分考慮樁端負阻力的影響；

⑤從樁頂荷載的分擔看出，強夯處理砂巖厚填土場地嵌砂巖樁在達到極限承載力時，樁側阻力占樁頂荷載的比例一般大于60%，而樁端阻力占樁頂荷載的比例一般小于40%，樁側阻力的貢獻相當可觀，在以后工程設計中應充分考慮。