大直径深长钻孔灌注桩竖向承载力特性试验研究

王忠福，刘汉东，贾金禄，黄志全，姜 彤

（1.华北水利水电学院 岩土工程与水工结构研究所，郑州 450011；2.华北水利水电学院 岩土力学与结构工程重点实验室，郑州 450011；3.建设部综合勘察设计研究院有限公司，北京 100007）

1 引 言

桩基础是一种历史较长而又被广泛应用的深基础型式，能较好地适应复杂地质条件以及各种荷载情况，特别是在软弱地基上采用得较多。钻孔灌注桩由于其施工简便、承载能力高、变形小等优点在基础工程中应用非常广泛，随着施工技术的不断改进和提高，钻孔灌注桩出现了桩端后注浆、三岔双向挤扩支盘及挤扩支盘等工艺，目前国内外很多学者对该类灌注桩的承载力性状及荷载传递机制进行了研究，获得了一些有益的成果[1－12]。本文从唐山LNG储罐区现场试桩静载试验中，选取9根抗压桩（其中后注浆工艺3根、三岔双向挤扩支盘工艺3根、挤扩支盘工艺3根）详细地阐述了其受力性状，对比分析了3种不同施工工艺大直径深长钻孔灌注桩承载性能的差异。由于大直径深长钻孔灌注桩的承载力很高，极难获得完整的现场静载荷试验资料，本次现场试验试桩全部破坏，获得的完整试验资料对深入研究大直径深长钻孔灌注桩荷载传递机制具有重要的参考价值。

2 工程概况及现场试验

2.1 工程概况

唐山LNG项目接收站位于渤海湾北岸的唐山曹妃甸，北距唐山市约 80 km，东北距京唐港约61 km，西距天津新港约70 km。接收站工程主要由工艺系统、辅助生产系统和公用工程系统组成，包括8座储存容积为16 ×104m3的LNG全包容储罐及其配套的接收、储存、加压和气化输出设施，以及相关的建构筑物等。试桩工程位于接收站罐区场地内，试验分3个区：①Pa区采用桩底注浆工艺，桩端压浆压力为 1.8～2.0 MPa，水泥浆配合比为1:0.6，单桩压浆量为2000 kg；②Pb区采用三岔双向挤扩支盘工艺，设置支盘 2个，支盘半径为2.4 m，承力岔1个；③Pc区采用挤扩支盘工艺，设置3个支盘，支盘半径为2.4 m。试桩所在位置地质剖面图见图 1所示，各土层物理力学参数见表1。

图1 试桩区域地层岩性图Fig.1 Test pile regional stratum and lithology

表1 各土层物理力学参数Table1 Physico-mechanical parameters of soils

2.2 加载装置及试验方法

试验加载装置采用堆重平台反力装置，在桩顶部安装承压板及6台FQS500（500 t）千斤顶，组装试验反力架。反力梁由4根主梁和4根次梁组成。基准梁具有一定的刚度，梁的一端固定在基准桩上，另一端简支于基准桩上，依靠堆载反力系统通过千斤顶加静荷载至桩体破坏，试验加载如图2所示。

桩身应变采用XP99C振弦式应变计测量，测量误差不大于0.1%Fs（Fs为满量程范围内误差），分辨率优于0.01 mm。应变计埋设于相邻两土层分界处。桩顶沉降测定平面在桩顶200 mm以下的位置，测点固定于桩身上。试桩在2009年8月10日之前完成施工，在9月15日之后开始试桩测试，试验加卸载方法按照参考文献[13]《建筑基桩检测技术规范》规定的慢速维持荷载法执行。

图2 静载荷加载试验装置Fig.2 Static load test device

2.3 桩体质量检测

为确定试桩的桩体质量，对现场9根试桩进行了低应变及超声波检测，检测结果见表2。

表2 低应变及超声波检测结果Table2 Low strain and ultrasonic test results

从表2检测结果可以看出，Pb03和Pc05试桩桩底存在沉渣，Pc05试桩在6.6 m处存在缺陷，所以试桩完整性等级为Ⅱ等，其他试桩等级均为Ⅰ等。

3 现场静载荷试验结果分析

3种不同工艺9根试桩最大加载值为22000 kN，最小为12000 kN，桩顶沉降量在68～85 mm之间。除Pc-05试桩外，其他试桩荷载-沉降曲线均没有出现明显转折型。根据《建筑基桩检测技术规范》4.3.8中规定，当加载至桩顶总沉降量到60～80 mm时，可以终止加载。由于桩顶沉降量过大，所以采用容许沉降量作为确定极限承载力的控制指标，本次试验取沉降量S=60 mm时的荷载为极限承载力。

3.1 荷载-沉降规律分析

静荷载试验荷载-沉降曲线的线型是桩身材料、桩周土破坏机制和破坏模式的宏观反映。图3给出了 3种不同工艺灌注桩的荷载-沉降关系曲线图。从图中可以看到，3种不同工艺荷载-沉降曲线变化规律基本相同，荷载-沉降曲线上没有明显的拐点，属于缓降型。当荷载较小时，荷载-沉降曲线基本表现为线性关系，随着荷载的增大，沉降增速也逐渐增大，曲线逐渐变为非线性。

图3 荷载-沉降沉降曲线Fig.3 Load settlement curves

各试桩的最大沉降量及荷载值见表 3。从表中可以看出，9根试桩中最大沉降量为87.55 mm，最大回弹率为15.10%，最大回弹量为12.86 mm，回弹量和回弹率都很小，说明桩土体系已超出弹性工作范围，进入破坏状态。

整个罐区要求单桩承载力特征值不小于8100 kN，从载荷试验结果上看，3种不同工艺的钻孔灌注桩承载力均能满足要求，桩底后注浆工艺试桩承载力大于三岔双向挤扩工艺和挤扩支盘工艺试桩承载力。

3.2 桩身轴力计算及传递特征分析

桩身的应变测量通过预先埋置在桩身内的钢筋应力计，可实测到各钢筋应力计在每级荷载作用下的频率值，并由此计算出所产生的应力值。由所测的i断面钢筋应力可以求得该断面应变值，具体计算过程如下。

假设桩身材料呈线弹性，桩身各断面的钢筋轴力计算公式为

式中：K为标定系数（kN/Hz2）； Fi为某一级荷载作用下i断面钢弦振动频率（Hz）；F0为钢弦初始振动频率（Hz）；B为计算修正值。由所测的i断面钢筋应力可以求得该断面应变值为

式中：Es为钢筋弹性模量（kPa）；As为钢筋断面横截面积（m2）。

计算假定桩身混凝土和钢筋变形协调，则测试i断面桩身轴力值为

式中：Ec、Ac分别为混凝土的弹性模量（kPa）、截面积（m2）。

由于试验数据较多，同种工艺试桩的曲线相似，限于篇幅，这里只列出 Pa-04、Pb-04、Pc-04试桩的轴力曲线图。各测试截面在各级荷载作用下土层界面处的轴力如图4所示。由于现有测试水平的限制，在承力岔（支盘）位置的侧摩阻力无法获得，所以在承力岔（支盘）位置的力简化为支撑力。

从图4(a)中可以看出，当加载至22000 kN时，桩端承载力值仅为1037 kN，桩端承载力仅占4.7%，桩侧摩阻力几乎承担了全部的桩顶荷载，所以Pa-04试桩属于摩擦桩。

图4 各级荷载下桩身轴力分布图Fig.4 Axial force distribution of pile shaft at all load levels

图5为Pb-04、Pc-04试桩承力岔（支盘力）随桩顶荷载变化曲线图。从图中可以看出，承力岔（支盘力）的荷载随桩顶荷载的增大而呈近线性增大，上盘受力先于下盘受力，且上盘受力大于下盘。Pb-04试桩最大加载值18000 kN，桩端和3个承力岔共承担了4877 kN，占总荷载的27%，属端承摩擦桩；Pc-04试桩最大加载值为16000 kN，桩端和3个支盘共承担了4114 kN，占总荷载的25.7%，属端承摩擦桩。

图5 承力岔、支盘力随桩顶荷载变化图Fig.5 Bearing fork and branch forces change with loads on pile top

3.3 桩侧阻力随深度变化关系

试桩相邻两个测试断面间的桩轴力变化值等于两断面间的桩侧摩阻力发挥值，侧摩阻力Qsi计算公式如下：

式中：U为桩身周长；li为第i层土厚度；Qi-1、Qi分别为第i个土层上、下分界面处实测轴力。

桩顶荷载在传递过程中，上部和下部土层侧摩阻力的发挥是一个异步的过程。上部土层的侧摩阻力先于下部土层发挥作用，各土层侧阻力的增速不同，其峰值有逐渐下移的趋势；随着荷载增大，上部土层的侧摩阻力逐渐趋于稳定，而下部土层的侧摩阻力逐渐发挥。不同的土层中，平均侧摩阻力发挥有所差别。各级荷载下3根试桩侧阻力随深度分布曲线如图6所示。从图中可以看出，3种不同工艺的试桩桩侧摩阻力变化规律基本相似。

3种不同工艺试桩各土层在极限荷载作用下实测侧摩阻力与勘察报告推荐的极限值对比表如表 4所示。从表中可以看出，实测值与勘察报告推荐值有较大差异，不同土层侧阻发挥程度有所差别，发挥程度由上至下递减，3根试桩侧摩阻力发挥程度Pb-04＞Pc-04＞Pa-04，整体上实测值大于勘察报告推荐值。分析原因主要是影响钻孔灌注桩成桩的因素多且复杂，存在很多不确定性，这使桩侧阻力实测值与设计值相差甚远。

3.4 各级荷载下的桩-土相对位移

桩-土相对位移计算原理详见文献[14]。图7是各级荷载作用下各断面中心桩-土相对位移值，从图中可以看出，桩顶荷载较小时，桩身上部混凝土受力压缩，从而引起桩身上部桩-土产生相对位移。每级荷载作用下，桩-土相对位移最大值出现在桩顶位置。在荷载较小的情况下，3根试桩桩土相对位移随着深度的增加近似线性减少，随着荷载的增加，桩-土相对位移随着深度的增加呈非线性变化。

3.5 桩侧平均阻力与桩-土相对位移变化的关系

3根试桩平均侧摩阻力的发挥程度与桩-土相对位移有着很好的对应关系。从图8可以看出，当桩-土相对位移较小时，桩长范围内土层的平均侧摩阻力均随着桩-土相对位移的增大而增大，随着桩-土相对位移的逐渐增大，上部土层的平均侧摩阻力增速减小，渐渐达到峰值，说明极限侧摩阻力的发挥需要积累一定的相对位移量。

图6 不同深度下桩侧摩阻力随荷载变化规律Fig.6 Pile shaft resistance change with load variation under different depths

表4 勘察报告推荐值与实测侧摩阻力值对比表Table4 Comparison of survey report recommended values and the measured lateral friction values

图7 不同荷载下桩-土相对位移Fig.7 Pile-soil relative displacement under different loads

3种不同工艺的3根试桩都表现出侧摩阻力强化特性，桩侧摩阻力的发挥与初始地应力水平、桩-土相对位移量、施工因素及岩土特性等有关系。

3.6 桩端阻力随荷载及位移的变化

由于实测中最深的一个测量断面距桩端很近，因而可近似认为桩端阻力值与该测试断面的所测量的轴力值相等，桩端位移近似等于最靠近桩端的测试截面位移量，等于桩顶位移减去桩身自身的弹性压缩，即

式中：lj为第j段桩的长度（m）；εj为第j个截面的应变量；s0为桩顶位移量（mm）。

各级荷载下桩端阻力变化曲线如图9所示。由图可看出，前2级荷载下，3种不同工艺的3根试桩端阻力极小，当加载到8000 kN，Pb-04、Pc-04试桩端阻力上升幅度开始增大，但就桩顶荷载而言，桩端阻力值依然很小，说明桩端阻力远未完全发挥。

图10为3种不同工艺3根试桩端阻力与桩端位移变化关系图。

从图10中可看出，3根试桩桩端阻力随桩端位移增加的变化关系均表现为强化效应，随着桩端位移的增加，桩端阻力也在增加。

4 结 论

（1）3种不同工艺的大直径深长钻孔灌注桩试桩荷载-沉降曲线没有显著破坏点，后注浆工艺试桩荷载传递过程表现为摩擦桩的特性，桩侧阻力几乎承担全部荷载，而三岔双向挤扩支盘工艺和挤扩支盘工艺试桩荷载传递过程表现为端承摩擦桩的特性，桩端阻力占总荷载的20%～30%。桩端阻力充分发挥时，桩顶沉降量往往已超出规范要求。因此，在采用静载试验方法确定极限承载力时应采用桩顶沉降量作为控制指标。

图8 桩侧阻力与桩-土相对位移变化关系图Fig.8 Relationships between pile lateral friction and pile-soil relative displacement

图9 桩顶荷载与桩端阻力变化关系图Fig.9 Relationships between load on pile top and tip resistance

图10 桩端阻力与桩端位移变化关系Fig.10 Relationships between tip resistance and pile tip displacement

（2）整个试验罐区要求单桩承载力特征值不小于8100 kN，从载荷试验结果上看，3种不同工艺的钻孔灌注桩承载力均能满足要求。结合经济造价及施工工艺等方面，综合确定挤扩支盘工艺比较适合本工程。

（3）3种不同工艺试桩的轴力分布规律基本相似。每级荷载下，桩身轴力随着深度的增加而减少。当荷载较小时，桩身下部轴力为 0，随着荷载的增大，桩身下部逐渐产生轴力，端阻也开始逐渐发挥出来。桩端轴力所占桩顶荷载的比例随着荷载的增加逐渐增大。

（4）3种不同工艺大直径深长钻孔灌注桩的桩侧桩端阻力一般为非同步发挥且相互影响，同时各土层侧阻力的发挥亦不同步，上、下土层侧阻力先后发挥至极限。由于钻孔灌注桩成桩影响因素多且存在不确定性，土层的实测侧阻力与勘察报告推荐值间存在较大差异。

（5）3种不同工艺试桩的桩-土相对位移变化规律基本相似，桩-土相对位移最大值出现在桩顶位置，且随着深度的增加近似呈线性减少，同时桩-土相对位移随着荷载的增加也逐渐增加。平均侧摩阻力的发挥程度和桩-土相对位移有着很好的对应关系。随着桩-土相对位移的增加，3种不同工艺试桩平均侧摩阻力均表现出强化现象。

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