无锡大直径超长钻孔灌注桩承载性状试验研究

张瑞坤 石名磊 倪富健 王 晋

(东南大学交通学院，南京 210096)

无锡大直径超长钻孔灌注桩承载性状试验研究

张瑞坤 石名磊 倪富健 王 晋

(东南大学交通学院，南京 210096)

基于无锡地铁高架桥试桩工程中4根大直径超长钻孔灌注桩的现场静荷载试验和桩身应力测试试验，结合同一地区12根同类型桩的试验成果，研究了无锡地区大直径超长钻孔灌注桩竖向荷载下的侧、端阻力发挥特点和荷载传递规律.研究表明:不同的大直径超长钻孔灌注桩施工工艺会造成桩底沉渣厚度差异，宏观表现为Q-s曲线形态呈陡降型或缓变型.大直径超长钻孔灌注桩单桩受竖向荷载，侧摩阻力从上到下逐步发挥，侧、端阻力非同步发挥且相互影响.不同埋深条件下，物理性质相同土层提供的侧摩阻力实测极限值与规范推荐值差异较大，说明侧摩阻力深度效应显著，且浅层黏土易发生软化效应.发挥侧摩阻力极限值所需桩土相对位移为4～7 mm.该结论可指导该地区同类工程的设计和施工.

大直径超长钻孔灌注桩;荷载传递;静载试验;桩侧阻力;桩端阻力

桩筏基础是长江三角洲深厚软土地区兴建的高层建筑和大型桥梁工程的首选基础类型，而大直径超长泥浆护壁钻孔灌注桩［1-7］以其诸多技术优势作为首选桩型，受到工程界的青睐，与其相关的研究亦受到学术界的关注.现行规范中［8］关于大直径超长钻孔灌注桩的设计理论并非以其承载变形机制为基础，仍然沿用中小直径桩的理论，按照经验加以修正，简单考虑或未考虑桩长、桩径等因素差异对桩基承载性能的影响.目前学术界依旧缺乏针对该类型桩承载性状的系统研究，部分学者从零星的现场静载荷试验资料或从理论分析的角度阐述大直径超长钻孔灌注桩的承载性状，并认为地基土土体特性、桩体特性、施工工艺等因素显著影响着该特殊桩型的荷载传递机制.本文以无锡地区16根大直径超长钻孔灌注桩的单桩静载荷试验资料为依据，分析无锡地区竖向荷载作用下大直径超长钻孔灌注桩在分层土中的荷载传递特性，为无锡地区大直径超长钻孔灌注桩的设计提供参考依据，并进一步完善大直径超长钻孔灌注桩的荷载传递机制的研究.

1 大直径超长钻孔灌注桩静载试验

1.1 工程概况

无锡市交通轨道1号线高架段全长7.157 km，拟建场地位于太湖冲湖积平原区.场址沉积物较厚，在试桩深度范围内未遇基岩，桩周介质以黏性土为主.分布地层层理性明显，全线无变异特性.为便于分析，笔者将原工程地质报告中划分的土层重新进行了整合，使土层划分相对简化，突出主要土层特征.简化整合后土层的主要物理力学性质见表1.在无锡地铁1号线高架桥承台F和承台C两个典型场址中，各设2组试桩进行锚桩法静载荷试验.试桩桩径D=120 cm，F承台桩长L=55.0 m.C承台桩长L=50 m，长径比L/D＞40.桩端进入粉质黏土持力层深度超过20 m，远远超过临界深度.4根试桩单桩特征值为4.0 MN，设计最大加载值为14.4 MN.根据土层分层情况，分设9个断面，各测试截面平行对称布置4个钢筋计，传感器埋设深度见图1.现场试验见图2.

表1 主要土层工程性质指标汇总

图1 试桩工程地质剖面与测试元件埋设示意图(单位:m)

图2 现场静载荷试验图片

1.2 试桩成果

荷载沉降(Q-s)曲线可从宏观上反映桩受荷后的荷载传递性状、桩-土相互作用规律及桩受荷破坏模式.上述4根试桩Q-s曲线见图3，图中曲线未出现明显陡降点.对应桩顶最大荷载为14.4 MN(F8，F9，C22 桩)和 12.0 MN(C21)时，桩顶最大位移分别为15.49，17.52，16.14 和9.21 mm.卸载后，各试桩最大回弹量分别为 10.33，9.37，10.93和6.31 mm，回弹率分别为 53%，67%，68%和69%，回弹量和回弹率较大，说明桩土体系处于弹性范围内.

图3 无锡地铁试桩Q-s曲线

根据桩身应力测试试验，试桩在4.0 MN以及14.4 MN荷载作用下桩侧摩阻力沿桩身深度分布情况见图4.对应工作荷载为4.0 MN时，各试桩桩侧摩阻力呈三角形分布;各试桩在最大加载值时，桩侧摩阻力呈中间大、两头小的“腰鼓状”分布，桩身上部(1/4桩长)侧阻力小于工作状态荷载下的应力水平.

图4 桩侧摩阻力随深度分布曲线

根据试验得到的各土层的最大侧摩阻力值、极限荷载下侧摩阻力值与规范推荐极限值见表2.依据规范 JGJ 94—2008［8］，除土层1，3，4 的侧摩阻力推荐值为68 kPa，其余土层推荐值相近，均为40 kPa左右.而实测的下部土层提供的侧摩阻力明显大于上部土层.究其原因，一方面是下部土层较上部土层更为坚硬密实，具有较大的侧摩擦系数;另一方面，深层土对桩侧面产生较大正压力，桩土侧摩阻力较大.表2中侧摩阻力最大值与极限荷载下(14.4 MN)测得值对比揭示，浅层土1，2在极限荷载下侧摩阻力值小于最大值，其余土层最大值与极限荷载下极值相同，分析其原因是上部土层在极限荷载下有剪切破坏的趋势，使得桩侧阻力产生了一定程度的软化效应.

表2 极限荷载下实测桩侧阻力与规范推荐值对比

根据试桩的应力测试结果，桩端荷载分担比即端阻比a随桩顶荷载作用水平的变化见图5.桩端端阻比a随桩顶荷载作用水平增加而增加，呈明显正相关性.4组试桩达到对应最大加载值时，端阻比a约占单桩桩顶总荷载的10%或以下，见表3.

图5 桩端端阻比与桩顶荷载关系

表3 无锡地铁试桩成果

2 大直径超长灌注桩承载性状分析

除上述无锡地铁试桩工程外，课题组近15年来依托锡澄高速公路的2处试桩工程、锡宜高速公路的京杭运河特大桥、锡澄运河特大桥和宜兴互通试桩工程以及无锡市内环江海快速路的试桩工程，通过对12根大直径超长钻孔灌注桩的现场试验，研究了该类型桩的承载性状.各试桩概况见表4.上述场址整合后的土层划分、土类定名、埋藏深度以及物理力学性质见文献［9］.各场址中主要土层的分布、物理力学指标与表1中相近.江阴试桩141墩和锡澄运河特大桥试桩工程的工程地质与其余4处试桩场址略有不同，地表覆盖有一层厚15～20 m的高含水率、高孔隙比的亚黏土.该层土的主要物理力学指标见表5.

表4 无锡地区其余试桩概况

表5 表层亚黏土物理力学指标

2.1 荷载-沉降规律

泥浆护壁钻孔灌注桩受制于现有施工工艺，不可避免地会出现桩底沉渣.桩底沉渣强度低、压缩性大，较厚的桩底沉渣必然导致Q-s曲线呈陡降型，或称之为沉降突然增长型，使得各桩在受力特征上属“摩擦桩”［10］.图6为上述6处场址中各试桩的单桩静载荷试验结果曲线.各试桩的Q-s曲线形态除无锡江海快速试桩外，均为陡降型.其原因是施工中采用的潜水钻进和正循环清孔方式，不可能完全清除干净桩底沉渣，由此推测出上述场址桩端存在较厚的沉渣.而采用排渣能力较强的反循环清孔方式的江海快速试桩和无锡地铁试桩，桩底沉渣厚度较小，Q-s曲线形态呈缓变型.各试桩场址的Q-s曲线在加载的前期，斜率基本相同，而后半段离散性变大，同样说明施工差异性会造成不同的桩端沉渣厚度，并对桩的承载性能产生影响.

图6 试桩Q-s曲线

2.2 桩侧摩阻力分布特性

无锡试桩对应桩顶荷载为Pu/4，Pu/2，Pu，其中Pu为单桩极限荷载.桩侧摩阻力沿深度分布见图7.可看出，桩侧摩阻力分布随荷载水平的变化发生显著改变，其基本特征是:桩顶荷载水平相对较低，桩顶荷载主要由上部土层的侧摩阻力承担，中下部土层的侧摩阻力发挥相对较小.随着荷载水平的增加，上部土层侧摩阻力得以充分发挥，而中部土层的侧摩阻力也部分地参与承担荷载;当桩顶荷载达到单桩极限承载力时，上部土层侧摩阻力在加载的后半程，不再增长或表现出软化现象.而中部土层的侧摩阻力基本发挥出其极限承载力.即使达到单桩承载力的临界状态，下部土层侧摩阻力仍未达到其极限状态.但是，这一部分摩阻力继续发挥所需的桩顶沉降早已超过了单桩的破坏准则.综上所述，加载过程中，黏性土中大直径超长钻孔灌注桩的侧摩阻力发挥规律是:上部土层侧摩阻力最先发挥，接着是中部侧摩阻力逐步发挥;下部土层摩阻力即使是在单桩承载力的临界状态，也未必能充分发挥.显然，桩侧下部土层的侧摩阻力发挥与桩结构特征和边界条件有关.

图7 桩侧摩阻力随深度分布曲线

桩侧摩阻力分布(发挥)与荷载水平、桩周土层的性质直接相关，尤其是桩侧摩阻力的大小.然而桩端边界条件对其亦有一定的影响，尤其是桩底沉渣层厚度对桩侧摩阻力的发挥和临界位移有显著影响，即桩底沉渣愈厚，桩身中下部侧摩阻力愈低，临界位移增加［11-12］.因此，尽管桩下部土层性质一般相对较好，但在单桩极限状态时，桩底沉渣层的存在使得该部分桩侧摩阻力的发挥一般明显低于桩身中部(或中部偏下部分)，即桩端边界对桩侧摩阻力产生影响.

桩侧摩阻力的分布与深度相关性表现为:该趋势从桩顶至桩身中下部随深度呈非线性增长;当桩端边界条件对桩侧摩阻力折减作用占优时，该趋势不再显著.无锡现场实测结果表明，黏性土中大直径超长钻孔灌注桩的桩侧摩阻力一般在桩身中部或偏下的区域达到最大.

2.3 桩侧摩阻力与桩-土位移关系

图8 桩侧摩阻力与桩土相对位移关系曲线

侧摩阻力的发挥与桩-土的相对位移有着直接关系，且土性不同，桩周土充分发挥其阻力所需的桩-土位移也不同.因此，研究桩周土侧摩阻力的发挥与桩-土相对位移之间的关系对于研究桩基承载机制非常重要.无锡地铁试桩工程测得的各土层侧摩阻力与桩土相对位移关系曲线如图8所示.由图可知，无锡地区各土层侧阻力达到最大位移时桩土相对位移较小，只有4～7 mm.而且浅层土(图8中传感器编号1，2对应的土层)的侧摩阻力峰值未位于最大位移处，说明浅层土均不同程度地发生桩土相对滑移，出现侧阻软化现象.而其他土层的侧阻从上而下由接近峰值逐渐变为随位移增长侧阻变大，间接反映了荷载传递的过程.

2.4 桩端承载力的发挥特性

无锡地区各场址的试桩端阻比a在最大加载状态下的值见表3和表6.表中数据揭示了该地区钻孔灌注桩即使在极限荷载下桩端端阻比依然较小，这说明桩端阻力远未完全发挥，绝大部分桩顶荷载由侧阻来承担，其承载特征为典型摩擦桩类型，需要一定的桩土相对位移促使桩端阻力进一步发挥.从表6中可看出，对于不同的试桩场址和不同的试桩，桩端承载力的离散性相对较大，且规律性很差.显然这与大直径钻孔灌注桩的施工工艺密切相关，不同施工技术和工艺可以带来显著不同的系统误差.例如潜水钻进成孔时，沉渣控制技术不如正循环技术，而正循环技术的清孔质量又明显不如反循环.除系统误差外，成孔的个体差异性亦难以控制.同一技术，不同个体施工，其结果差异性大，甚至同一个体，钻不同的孔，也存在差异性.因此，大直径钻孔灌注桩成孔中，沉渣控制技术相对不够完善，离散性相对较大，这给预测单桩的桩端持力层承载力带来了困难.因此，成孔质量的不确定性，使得对黏性土中桩端持力层“承载力发挥”(并不是持力层土的极限承载力的概念)的预测变得十分困难.

表6 无锡地区悬浮长桩试桩结果

桩端分担总荷载的比例与桩的长径比相关.众所周知，桩基础功能在于将上部荷载传递给地基土.长桩作为一种细长的传力构件，桩侧接触面荷载传递明显占优，桩端截面相对桩侧接触总面积很小.如设桩端截面积为Ab，桩侧总面积As，等截面桩的桩端截面积与桩侧总接触面积之比可定义为

由式(1)可知，端侧面积之比λA随长径比L/D的增加而减小.长径比L/D＞25后，端侧面积比λA＜1%，当长径比大于40，在均匀土层中其端阻分担的荷载比例趋于0.考虑土层分布等对桩侧摩阻力和桩端阻力分配的影响，对于长径比L/D＞40，端侧面积比λA＜0.6%的无锡地区桩基，其端阻力不可忽略，但此类深长桩桩侧接触面是桩向土传递荷载最主要的途径.另外，当长径比增加时，桩的线刚度减小，桩身变柔，在极限荷载时桩身压缩量增加，且桩身压缩量占桩顶位移比例增加，桩端位移减小，而桩端阻力充分发挥所需要的位移大于桩侧阻所需要的位移，因此，长径比的增加削弱了极限状态下桩端阻力的发挥.桩长径比越大，传递到桩端的荷载越小，桩身下部侧阻力值相应降低.无锡地区16根大直径超长钻孔灌注桩试桩静荷载试验加载最大值对应的桩端阻力占总荷载的比例均不足15%，验证了上述结论.极限承载力状态对应的桩端端阻力受桩端持力层性质(极限端阻力和刚度)和长径比L/D的共同影响，应合理控制深长桩的长径比.

2.5 桩端承载力与桩土位移关系

各试桩桩端持力层的承载力随桩端位移的变化见图9.由图可看出，各试桩试验结果的离散性较大，且规律性很差.宜兴互通和锡澄运河试桩场址的桩端持力层性质相对较差，其桩端承载力发挥所需的位移也相对较大.

图9 静载试验中桩端承载力变化曲线

竖向荷载下，桩土荷载的传递过程可简单描述为:桩身位移和桩身荷载随深度递减，桩侧摩阻力自上而下逐步发挥.试桩试验结果揭示了大直径深长钻孔灌注桩具有桩侧阻力先于桩端阻力发挥，桩身上部摩阻力先于下部发挥的荷载传递特点.工作荷载下，桩身中上部的桩土荷载传递是钻孔灌注桩竖向承载的最主要途径，端阻与桩身中下部侧阻发挥水平较低，极限承载力安全储备良好.

3 结论

1)大直径超长泥浆护壁钻孔灌注桩受制于现有施工工艺，不可避免地会出现桩底沉渣.桩底沉渣强度低、压缩性大，桩底沉渣较厚必然导致Q-s曲线呈陡降型.沉渣控制好，则Q-s曲线呈缓变型.

2)大直径超长钻孔灌注桩的荷载传递规律与普通桩差异较大，其桩侧摩阻力从上到下逐步发挥，桩侧、桩端阻力非同步发挥且相互影响.极限荷载状态下，上部土层有剪切破坏趋势，上部土层的侧摩阻力产生软化效应.

3)在最大加载值时，试桩端阻比仅约10%，为典型端承摩擦桩;桩顶荷载为单桩承载力特征值时，端阻和桩身下段侧阻对承载力特征值的贡献率相对更小，为典型摩擦桩.

4)无锡地区的地层分布层理性明显，各黏性土层在极限状态下桩侧摩阻发挥的极限位移范围约为4～7 mm.本文基于16根试桩的试验结果，推荐了相关土层的侧摩阻力参数，可指导本地区同类工程的设计和施工.

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Experimental study of the bearing properties of large-diameter and super-long bored pile in Wuxi

Zhang Ruikun Shi Minglei Ni Fujian Wang Jin
(School of Transportation，Southeast University，Nanjing 210096，China)

The static load test and the pile stress test of four large-diameter and super-long bored piles in Wuxi Subway project were carried out.The characteristics of the pile's skin friction resistance，the tip resistance and the load transmission law were analyzed based on the test data together with the relevant test results from other 12 piles.The results show that the different bottom sediment thickness caused by different construction technologies lead to the steep drop or slow change of the

Q-scurve shape.The skin friction resistance of the large-diameter and super-long bored piles exerts gradually from top to bottom.The skin friction and tip resistance do not work simultaneously and have mutual influence on each other.There are significant differences in side friction resistance between the measured values and the recommended values，which indicates that the depth effect of side friction resistance and the softening effect of the shallow cohesive soil are both notable.The value of pile-soil displacement boundary under ultimate load is 4 to 7 mm.The conclusions are useful for other similar engineering practices.

large-diameter and super-long bored pile;load transmission;static load test;side friction of pile;tip resistance of pile

TU473

A

1001－0505(2012)06-1194-07

10.3969/j.issn.1001 －0505.2012.06.031

2012-05-18.

张瑞坤(1985—)，男，博士生;石名磊(联系人)，男，博士，教授，mingleish@163.com.

建设部研究开发资助项目(2008-K2-12).

张瑞坤，石名磊，倪富健，等.无锡大直径超长钻孔灌注桩承载性状试验研究［J］.东南大学学报:自然科学版，2012，42(6):1194-1200.［doi:10.3969/j.issn.1001 －0505.2012.06.031］