大口径超深孔桩基轴向静荷载试验研究

王建军 ，彭振斌，刘睦峰，李奋强

(1. 中南大学 地球科学与信息物理学院，湖南 长沙，410083；2. 湖南省煤田地质局，湖南 长沙，410014)

随着桩基技术的发展，灌注桩的桩径、桩长不断地向超大、超深方向发展。同时，对公路桥梁大型桩基础单桩承载力设计要求也越来越高，桩基础承载力的确定方法也不断更新，迄今为止，所采用的方法主要有静荷载试验法、动测法、静动法、声波透射法以及自平衡法。这些方法已在工程实践中得到应用，并取得了一定的成果[1-8]。某主桥为主跨480 m的双塔组合梁斜拉桥，桥址需穿过淤泥层35.27 m，黏土、砾砂及圆砾互叠层88.11 m，在孔深143 m处嵌入弱风化凝灰岩3.72 m；试桩是直径为2.5～2.8 m的变截面钻孔灌注桩。对这种大直径超深孔嵌岩桩进行轴向静荷载试验，在国内大口径桩基础施工领域尚属首次。在此，本文作者结合试验结果，对桩顶位移、桩身轴力和桩侧摩阻力的变化规律进行探讨。

1 试验设计

1.1 试桩荷载箱的设置

荷载箱埋设原则上是保证上段桩周摩阻力达到极限时，下段桩周摩阻力及桩底反力同时达到极限。试验采用自平衡法测试方案，结合室内模拟试验结果，将荷载箱设置在距桩端3.5 m处[9-11]。

1.2 测试设备

1.2.1 加载设备

加载采用专用的荷载箱进行自平衡法试验，荷载箱位移方向与桩身轴线夹角≤5°，测试方法如图1所示(其中，p为轴力)。

1.2.2 荷载与位移的量测原理

采用联接荷载箱的压力表测定油压，根据荷载箱率定曲线换算荷载。在荷载箱上、下顶面及桩身顶面分别设置位移棒，在位移棒外设置护筒。位移棒顶端高出桩顶，并采用电子位移计测量位移棒的位移，测定荷载箱上、下顶面及桩身位移。电子位移计基座置于基准梁上，位移探头设置于位移棒顶端。固定位移计和支承位移计的基准梁采用一端固定一端自由的方式，试桩与基准桩之间的中心距离大于或等于 3D(D为桩径)且不小于 4.0 m。

1.3 钢筋计的布置

桩身受荷后的轴力采用振弦式钢筋计测量，钢筋计布设位置与各土层分布关系见表1。其布设原则为：(1) 岩土层分界面埋设测试元件，桩身均匀布置3个；(2) 对主要控制土层适当加密。

图1 自平衡测试示意图Fig.1 diagram of self-balancing test

表1 钢筋计布设位置Table 1 Reinforcement meter location

1.4 试验步骤

(1) 试验加载方式。试验采用慢速维持荷载法即逐级加载，每级荷载达到相对稳定后方可进行下一级加载，直至试桩被破坏为止，然后分级卸载至0 N。

(2) 加载分级及位移观测。每级加载为预估极限荷载的1/10～1/15。第1级可按分级荷载的2倍施加。每级加载后在1 h内按5，15，30，45和60 min测读，以后每隔30 min测读1次。

(3) 位移相对稳定标准。每级荷载施加后，若每30 min的位移不超过0.1 mm，即可认为达到相对稳定，可进行下一级加载。

(4) 终止加载条件。当出现下列情况之一时，即可终止加载：

① 已达到极限加载值。

② 总位移大于或等于 40 mm，在本级荷载作用下桩的位移为前一级荷载作用下位移的5倍。

③ 总位移大于或等于 40 mm，在本级荷载作用下桩的位移大于前一级荷载作用下位移的2倍，且经24 h尚未相对稳定。

④ 累计上拔量超过100 mm。

(5) 卸载与卸载位移观测。卸载分级为加载分级的2倍。每级卸载后每隔15 min读1次残余沉降，读2次后隔30 min再读1次，即可卸下一级荷载，全部卸载后隔3～4 h再读1次。

2 测试结果及分析

2.1 桩顶位移测试结果

每级试验荷载下荷载(Q)-位移(s)测试结果见表2，变化规律见图2和图3。从图2和图3可见：当荷载加至25 MN后，荷载箱以上的位移随荷载的增加呈递增趋势(曲线1和3)，而荷载箱以下的位移则呈递减趋势(曲线2)；当荷载超过56 MN时，曲线的变化规律趋缓。表明荷载在25 MN内对该类桩型的桩顶位移几乎没有影响，桩身侧摩阻力足于抵抗上部荷载。

2.2 桩身轴力测试值与计算值的对比分析

2.2.1 桩身轴力及桩周岩土阻力计算模型

将同一断面有效测点的应变取平均值，并按下式计算该断面处桩身轴力：

式中：Qi为桩身第 i断面处轴力(kN)；为第i断面处应变平均值； Ei为第 i断面处桩身材料弹性模量(kPa)； Ai为第i断面处桩身截面面积(m2)。

表2 位移测试结果Table 2 Tested displacement

图2 全过程的荷载试验荷载-位移(即Q-s曲线)Fig.2 Load test Q-s curves in full process

图3 不包含卸载部分时荷载试验荷载-位移(即Q-s曲线)Fig.3 Load test Q-s curves for unloading part

按每级试验荷载下桩身不同断面处的轴力制成表格，并绘制轴力分布图。再由荷载箱最大或极限荷载下对应的各断面轴力计算桩侧土的分层摩阻力和端阻力。

对荷载箱以上桩段：

对荷载箱以下桩段：

式中：qsi为桩第i断面与第i+1断面间侧摩阻力(kPa)；Qp为桩的端阻力(kN)；i为桩检测断面顺序号，自桩顶往下从小到大排列；u为桩身周长(m)；li为第 i断面与第 i+1断面之间的桩长(m)；Qn为桩端的轴力(kN)。

试验中荷载设置12,18, 24, 30, 36, 42, 48, 54和56 MN共9个级别。分别计算每级试验荷载下桩身在不同断面处的桩身轴力及桩侧土的分层摩阻力和端阻力。计算时，扣除荷载箱以上桩段的自身重力。荷载箱以上桩段桩侧土的分层摩阻力按实测值和换算值分别给出，换算值为实测值/上拔系数，上拔系数取0.7。

2.2.2 桩身轴力变化规律分析

每级试验荷载下桩身不同断面处的桩身轴力分布规律如图4所示。由图4可见：随着深度的增加，桩身轴力呈递增变化趋势；在0～-50 m层位内其变化的梯度近似一致；当超过-50 m后，其梯度变化在不同荷载级别表现出不同的差异性。但通过对其轴力增量变化进行计算，发现其增量变化不一定随荷载的增加而增加。试验结果表明：上部荷载的传递有一部分被桩侧摩阻力所逸散，桩顶荷载不一定全部传递作用在桩身底端。

图4 不同荷载级别下桩身轴力分布图Fig.4 Distribution of axial force under different loads

2.3 桩侧、桩端阻力与桩土相对位移拟合分析

为了分析桩侧岩土体的摩阻力是否充分发挥，对桩土相对位移进行拟合分析。采用双曲线拟合函数模型[12-13]：

式中：τ为土层侧摩阻力；a和b为拟合系数；s为桩土位移。

表3所示为根据实测结果得到的各土层侧摩阻力与桩土位移进行拟合的系数a和b及相关系数R。拟合的桩身断面摩阻力变化规律如图5所示。由图5可见：在含粉质黏土砾砂层摩阻力(即在深度-60 m附近表现最突出。

表3 各土层双曲线拟合参数a和b计算结果Table 3 Calculation results of hyperbolic fitting parameters a and b

根据试验结果反演计算出各级荷载下岩层侧阻发挥系数c2，计算结果见表 4。计算时，岩石饱和单轴抗压强度标准值frk按设计值25 MPa取值。

图5 桩身断面摩阻力分布图Fig.5 Distribution of skin friction pile section

表4 试桩主要设计参数反演结果Table 4 Main design parameters of test pile inverse results

3 结论

(1) 荷载箱最大试验荷载为56 MN，对应的荷载箱位置上位移为 153.29 mm，荷载箱位置下位移为-34.46 mm，桩顶位移为130.94 mm。

(2) 荷载在25 MN内对该类桩型桩顶位移的影响很小，桩身侧摩阻力足于抵抗上部荷载；含粉质黏土砾砂层摩阻力表现最为突出。

(3) 桩侧各土层实测时间-位移曲线与拟合曲线在加载后期均趋缓，说明桩侧摩阻力基本达到极限。

(4) 根据试验结果，对各级荷载下岩层侧摩阻发挥系数c2进行了反算。由于试桩成桩时，未对弱风化凝灰岩取样进行单轴抗压强度试验，因此，岩层侧摩阻发挥系数c2反算值仅供参考。

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