风化软岩地区嵌岩桩承载力自平衡试验研究

张明礼,孙学先,郭 楠,薛 珂

(1.中国科学院寒区旱区环境与工程研究所冻土工程国家重点实验室,兰州 730000； 2.兰州交通大学 , 兰州 730070)

风化软岩地区嵌岩桩承载力自平衡试验研究

张明礼1,孙学先2,郭 楠2,薛 珂1

(1.中国科学院寒区旱区环境与工程研究所冻土工程国家重点实验室,兰州 730000； 2.兰州交通大学 , 兰州 730070)

为研究风化软岩段桩基侧摩阻力承载特性和桩基安全性,采用自平衡试桩法对某工程水稳性较差的风化软岩段3根试桩进行测试分析。结果表明：自平衡法试桩荷载箱上部桩与传统静载法试桩的桩身受力方向相反,前者比后者端阻力发挥更充分；在2倍设计荷载作用下桩顶等效竖向位移较小,桩身侧摩阻力、端阻力大部分未充分发挥,实测桩侧摩阻力可能比勘察提供的侧摩阻力值大；按照经验法和简化法得到的3根试桩的计算安全系数差别较小,均大于2.2,验证了试桩的安全性和自平衡方法的可靠性。

桥梁基础；侧摩阻力；荷载传递；桩身轴力；自平衡试桩法；静载法

桥梁基础设计是桥梁安全的根本，岩土层侧摩阻力的取值决定桩长的计算结果，进而影响桩基设计的安全性、经济性及合理性[1]。基桩荷载试验是确定单桩承载力、提供合理设计参数以及检验桩基质量最直观、最可靠的方法。常见荷载试验方法有传统静载试桩法、静动试桩法、自平衡试桩法等。传统静载试桩法采用与工程实际受力状态相似的试验方法对桩身进行加载，通过加载确定单桩的竖向抗压承载力。但静载试验的装置一直停留在压重平台和锚桩反力架之类的形式上，试验工作费时、费力、试验费用较高[2]；静动试桩法兼有静荷载试验和高应变动测的特点，通过特殊的装置将动测中的冲击力变为缓慢荷载，原理简单、费用低、历时短、方便灵活，费用仅为传统静荷载试验的1/4～1/2，但由于动测的影响导致静阻力的估计偏高，增加了过高估计静承载力的可能性[3]。自平衡试桩法(国外称之为“O-cell pile testing method”)利用桩土体系自身获得平衡，避免了大量堆载的不便，节省了时间和经费，而且可以同时测得桩身摩阻力与桩端阻力与上下位移的关系曲线[4-5]。

自平衡试桩法通过安置于桩身自平衡点附近的荷载箱进行加载，测定上部桩侧阻力和下部桩侧阻力和桩端阻力，达到评估基桩承载力的目的。该方法最早于1969年由日本学者Nakayama和Fujiseki提出，1989年该技术由美国J. Osterberg教授开发并首次应用于工程实践，该法又称为Osterberg试桩法[6]。1993年清华大学李广信教授首先将Osterberg试桩法介绍到国内，采用该方法结合大型渗水力土工模型试验，进行了“桩底受托桩”、“桩顶受压桩”、“桩顶受拉桩”侧阻力发挥机理差异的试验研究，并建立了从Osterberg法试验结果推导抗压桩及抗拔桩承载力的关系式，认为自平衡法不仅可以确定桩的承载力，还十分有利于对桩土相互作用机理等课题进行高水平研究[7]。史佩栋教授自1996年以来相继做了自平衡法的推广介绍和分析[8-10]。东南大学龚维明教授等致力于自平衡法的理论研究及推广应用[11]，于1997年9月和2000年3月先后申请了桩承载力测定装置及桩承载力测定用荷载箱两项实用新型专利，并起草和编制了《基桩静载试验-自平衡法》(JT/T738—2009)[12]行业标准，目前已在公路桥梁领域得到广泛应用。

以往多在土层中进行自平衡测试，缺少基岩中，特别是强风化和中风化基岩中自平衡测试相关经验和数据，本文以某桥梁桩基自平衡试验为基础，采用单荷载箱技术测定基桩承载力、侧摩阻力、桩端阻力分布，得出在中风化基岩中自平衡试桩的承载特性并对桩基安全性做出评估。

1 试桩概况

试桩为位于丘陵山岗地区的某桥梁桩基，局部位于坳沟边缘，沿线第四纪地层厚度变化较大，岩土性质、空间分布变化频繁。基岩岩性在空间上变化较大，多以水稳性较差的间夹泥质砂岩或砂质泥岩、泥岩为主。选取3根基桩进行自平衡试验，评估基桩安全性和侧摩阻力发挥程度，确定合理的侧摩阻力取值。

1.1 场地工程地质条件

桩周土层分布见图1，根据野外钻探、原位测试和室内试验数据得到场地各土层容重、弹性模量、极限摩阻力、内摩擦角、黏聚力等物理力学参数，见表1，场地地下水位于地面以下1.5～2.5 m。

各岩土层评价如下。③-1b1-2层粉质黏土：为次生下蜀土，可塑，中压缩性，强度较高，透水性微弱；③-2b2-3层粉质黏土：软塑，中压缩性，强度较低，透水性微弱；③-3b2层粉质黏土:为次生下蜀土，可塑，中压缩性，强度一般，透水性微弱；⑤e层残积土：非均质，中低压缩性，中高强度；K2p-2强风化泥质砂岩岩：非均质，属于极软岩，遇水易软化崩解；K2p-3中风化砂质泥岩、泥岩：岩石的水稳定性不好，泥岩、砂质泥岩遇水明显软化、崩解，单轴抗压强度在0.89～98.4 MPa，泥岩及砂质泥岩裂隙极为发育，破碎～极破碎，强度低，RQD值多在0.50以下。

1.2 试桩参数

3根试桩为桩径d=1.0 m，桩长分别为17.0、21.5、20.5 m，桩端嵌入中风化岩层深度分别为3.0、5.0、4.0 m，荷载箱底部位于桩底设计高程上2.0 m处(表2)。从桩顶至桩底穿过的岩土层为粉质黏土③-1b2、③-2b2-3、③-3b2、残积土⑤e、强风化岩K2p-2和中风化岩K2p-3。

1.3 试桩加载装置与加载分级

每根试桩采用高压油泵和0.4级精密压力表进行加压，压力表最大加压值为60 MPa，其压力表由计量部门标定。基准梁采用6 m的I20型钢，基准梁一端固定在基准桩上，另一端简支于基准桩上，基准桩采用100 mm×100 mm角钢打入土中不少于1 m。试桩时通过埋设于桩身的钢筋计、位移传感器、频率仪等，获得荷载箱顶向上位移、荷载箱底向下位移、加载值等技术参数。

加载采用慢速维持荷载法，加载步骤和方法参照文献[12]。3根试桩设计荷载为3 500 kN，加载到2倍设计荷载的下一级荷载停止加载，即试验最大加载值为2×3 850 kN。第一级加载值为700 kN，随后采用逐级等量加载，加载值为350 kN，加载至2×3 850 kN时停止加载，待变形稳定后开始卸载，每级卸载量为700 kN，采用5级逐级等量卸载(表3)。

2 试验结果及分析

进行加载试验时，要保证混凝土强度达到设计强度的70%或按该强度算得的桩身承载力大于单向最大加载值的1.5倍[10]，试验人员在地面通过输压管对荷载箱内腔施加油压，对桩身产生向上和向下相等的压力。随着油压的逐渐增加，荷载箱的顶盖和底盖被推开，荷载箱与桩身将同时向上、向下发生一定位移，这种桩土相对位移调动桩土侧阻力、桩端阻力的发挥。

2.1 自平衡测试Q-s曲线

按照表3所示荷载加(卸)载级，每级加(卸)载后第1 h内在5、10、15、30、45、60 min测读位移，以后每隔30 min读1次，达到稳定后进行下一级加(卸)载。按照荷载分级得到3根试桩上段、下段桩Q-s曲线(图2)。试桩最大加载值2×3 850 kN时，3根试桩荷载箱底向下位移、荷载箱顶向上位移量分别为：-6.07 mm和4.97 mm、-5.36 mm和5.06 mm、-6.20 mm和4.94 mm，位移量均较小，荷载箱底向下位移、荷载箱顶向上位移两条曲线均呈缓变型，说明3根试桩在2×3 850 kN荷载作用下没有达到极限状态，但已满足桩基检测的要求。

2.2 桩身轴力

各个试桩在土层分界处布置钢筋计，布点间距不大于3.0 m，根据钢筋应变和钢筋与混凝土弹性模量比换算出桩身轴力(图3)。随着荷载的增加桩身同一截面轴力及桩端阻力也逐渐增加，在不同级荷载作用下桩身轴力曲线相似、轴力增加幅度相近；在同一级荷载作用下，桩身轴力自荷载箱位置向桩顶、桩底递减，桩顶处趋近于零。当加载到2×3 850 kN时，3根试桩桩端阻力分别为2 214、2 635、2 620 kN，占竖向总荷载比例达到近30%，明显比传统静载试验条件下端阻力发挥程度要高。

由于传统静载法试桩和自平衡法试桩加载位置不同，静载法试桩荷载作用于桩顶，距桩端距离较大，自平衡法试桩荷载箱作用于桩身自平衡点附近，加载位置距离桩端较近，自平衡法桩端岩土层更容易产生变形，端阻力更容易发挥作用。且随着竖向荷载和竖向位移的增大端阻力逐渐发挥作用，但是由于荷载箱上、下段桩身位移较小，在距离桩端2.0 m处加载，3根试桩端阻力均未充分发挥。

2.3 桩侧摩阻力

由相邻两应力计之间轴力差与桩侧面积比值得到桩侧摩阻(图4)。桩侧摩阻力由荷载箱位置分别向上向下发挥作用，特别是荷载箱上部侧摩阻力为负值(向下)，与传统静载试验方向相反。随着荷载的增加桩周各岩土层侧摩阻力都呈现增加趋势，增加幅度略有不同，在加载位置附近侧摩阻力增加幅度较大。靠近桩顶位置，侧摩阻力发挥程度最低。

试桩1，当加载到2×3 850 kN时，桩身向上位移使得土层对桩身的负摩阻力已经接近于勘察提供的正摩阻力极限值。而在实际工程中，由于岩土层的成层构造，正摩阻力比负摩阻力大，这一点在土层中尤为显著。在荷载箱附近，土层负摩阻力反而比勘察提供的摩阻力大，一方面反映了由于上覆土层厚度的增加，桩周岩土层处在三向受压状态下，其侧摩阻力有所提高，另一方面说明勘察提供的侧摩阻力过于保守。这一点在岩层中也有体现：荷载箱附近的K2p-2强风化岩和K2p-3中风化岩负摩阻力值均比勘察提供的正极限值大。

与试桩1相比，3根试桩桩径相同，在相同荷载级2×3 850 kN下，由于试桩2和试桩3桩长较长，向上的正摩阻力和向下的负摩阻力均小于勘察提供的极限值，各岩土层侧摩阻力均未充分发挥，距离荷载箱越远侧摩阻力发挥程度越低。试桩2和试桩3设计明显比试桩1保守，本区段其他桩基设计时可以将侧摩阻力值适当提高进行设计，达到安全、经济的效果。

3 单桩竖向极限承载力确定

3.1 经验法

按照文献[12]的经验法，根据实测加载值计算试桩极限承载力公式

其中，Pu为试桩抗压极限承载力；Qu为荷载箱上部桩的极限加载值；QL为荷载箱下部桩的极限加载值；W为荷载箱上部桩有效自重；K为荷载箱上部桩侧阻力修正系数，对于黏土、粉土，K=0.8，砂土，K=0.7，岩石，K=1.0，若上部有不同类型的土层时取加权平均值，由此得到的单桩竖向承载力极限值。

3.2 简化法

一般的静载试验加载方向为竖直向下，桩身位移也是竖直向下，加载位置在桩顶，而自平衡法加载位置却位于桩身中下部，加载方向同时有向上与向下两个方向。测试的结果包括向上、向下两个方向的Q-S曲线，这与传统静载测试法只有向下的一个Q-S曲线显然有很大区别。因此，要将自平衡法测试获得的荷载箱底向下位移、荷载箱顶向上位移两条曲线转化为与常规静载试验等效一条Q-S曲线。

目前将自平衡法结果转换为传统静载试验结果的方法有等位移法[13]、简化法[14]、解析转换法[15]、数值计算法[16]等。选用简化法进行等效转换时假设试桩加载过程中桩身始终在弹性工作阶段工作，荷载箱位于试桩的平衡点，即荷载箱将桩身分为上段、下段的极限承载力基本相等(放置荷载箱前预先估算)；自平衡试验中下段桩与静载试验中等效受压桩下段位移相等；受压桩荷载箱上部桩身压缩量ΔS由荷载箱下段荷载引起的桩身压缩量ΔSL和上端荷载及侧摩阻力共同作用下桩身压缩量ΔS2之和组成。即

桩顶等效荷载为

其中，Lu为荷载箱以上桩长；EP为桩身压缩模量；AP为桩身截面积；W为荷载箱上部桩自重；SL为荷载箱底位移；Qu是荷载箱顶向上位移等于荷载箱底向下位移时的加载值；QL为荷载箱底加载值。桩顶等效位移S=ΔS+SL，计算上段桩弹性压缩变形量ΔS2侧摩阻力采用平均值。

按照简化法[14]将自平衡试验结果等效转换为传统静载试验Q-S曲线，3根试桩Q-S曲线均为缓变型(图5)。试桩1，荷载箱加载到2×3 850 kN时，等效竖向位移-9.83 mm，等效桩顶荷载为7 967 kN，Q-S曲线未出现明显拐点，桩顶位移也远未达到40 mm，说明桩基容许承载力大于7 967 kN；同理，试桩2，等效竖向位移-10.19 mm，容许承载力大于7 814 kN；试桩3，等效竖向位移-10.90 mm，容许承载力大于8 113 kN。

3.3 单桩竖向极限承载力

按照经验法和简化法计算得到的3根试桩的极限承载力见表4，两种方法计算得到的极限承载力和安全系数差异在5%以内，安全系数不小于2.20，满足工程精度要求。3根试桩桩顶设计荷载为3 500 kN，加载到2×3 850 kN时已满足试桩要求，并未真正加载到极限状态，而实际侧摩阻力有可能比勘察提供的侧摩阻力大，即按照现场钻孔勘察提供的侧摩阻力和岩石强度设计桩基具有较大的富余量，本区间其他桩基设计可按照勘察资料提供的地质资料进行设计，安全性能够得到保障。

4 结论

(1)自平衡法试桩上部桩与传统静载法试桩的桩身受力特性差别较大，自平衡桩侧摩阻力由荷载箱顶向上发挥，传统静载法桩侧摩阻力由桩顶向下发挥，前者比后者端阻力发挥更充分。

(2)实测砂质泥岩、泥岩侧摩阻力发挥值出现了比地质勘探提供的标准值要大的情况，加载到2倍设计荷载时，桩身上段和下段均未达到承载力极限状态，桩顶位移较小，3根试桩极限承载能力满足设计荷载的要求，并且有较大的富余。以该风化基岩段为持力层的嵌岩桩能够满足工程需求，勘察提供的侧摩阻力值偏于保守，后续工程设计时可适当提高侧摩阻力设计值，达到安全、经济的目标。

(3)按照经验法和简化法计算得到的试桩的极限承载力差异较小，满足工程精度要求，能够保证工程的安全性。

(4)由于平衡法荷载箱放置在弯矩作用很小的桩身下部，能够依靠桩土体系自身形成平衡体系，不需要压重平台，不需要锚桩反力架，占用很小的场地，可直接测出桩侧阻力和桩端阻力等优点。自平衡试桩法在大跨度桥梁、高耸建筑，特别是山区、港口、海上复杂地质区桩基检测领域有很强推广价值。

[1] 邱柏初.多沙河流跨河桥梁桥墩基础设计研究[J].铁道标准设计，2012(8):56-59.

[2] 史佩栋，虞兴福，曹建民，等.自平衡试桩法在国内外的应用及存在的问题[J].建筑施工，2007，29(8):573-576．

[3] 李增选，张莹.静动试桩法及其应用[J].同济大学学报，2000，28(1):108-112．

[4] 李正祥.铁路桥梁工程单桩承载力测试的自平衡法[J].铁道标准设计，2010(6):63-66．

[5] 刘兰英.东营黄河大桥超长桩基静载试验[J].铁道标准设计，2009(S):97-99．

[6] 刘朝钢，方磊，黄锋，等.Osterberg测试法模型试验研究[J].工程地质学报，1966(6):369-374．

[7] 吴鹏，龚维明，梁书亭.桩基自平衡测试的可靠性分析[J].岩土工程学报，2005(5):545-548．

[8] 史佩栋.桩的静载荷试验新技术-自平衡试桩法[J].铁道建筑技术，1996(3):5-6．

[9] 史佩栋.关于Osterberg静载荷试桩法的进一步探讨[J].工业建筑，1998，28(2): 56-58．

[10]史佩栋.我国深基础工程技术发展现状与展望-21世纪头10年情况综述[J].岩土工程学报，2011，33(S2):1-14．

[11]龚维明，戴国亮.桩承载力自平衡测试技术及工程应用[M].北京: 中国建筑工业出版社，2006．

[12]JT/T 738—2009，基桩静载试验-自平衡法[S].北京：人民交通出版社，2009．

[13]鲍育明，刘亚文，李志成，等.自平衡法在桩基承载力检测中的应用[J].解放军理工大学学报：自然科学版，2003，4(3):49-52.

[14]龚维明，蒋永生，翟晋.桩承载力自平衡测试法[J].岩土工程学报，2000，22(5):532-536.

[15]聂如松，冷伍明，魏巍.自平衡试桩法一种等效转换方法[J].岩土工程学报，2011，33(S2):188-191.

[16]郑英杰，张克绪，张尔其，等.由o-cell试桩结果确定整桩的性能[J]. 岩土工程学报，2008，30(9):1416-1422．

O-cellExperimentalStudyonBearingCapacityofRock-socketedPilesinWeatheredSoftRockRegion

ZHANG Ming-li1, SUN Xue-xian2, GUO Nan2, XUE Ke1

(1.State Key Laboratory of Frozen Soil Engineering, Cold and Arid Region Environmental and Engineering Research Institute,Chinese Academy of Sciences, Lanzhou 730000, China; 2.Lanzhou Jiaotong University, Lanzhou 730070, China)

To research the bearing behaviors of pile side friction in weathered soft rock region and the safety of pile foundation, three test piles of a certain project were tested and analyzed by using the O-cell pile testing method at the weathered soft rock region where the water stability is poor. The test results indicate: (a) The stress direction of the pile shaft above the load box by O-cell pile testing method is opposite to that by traditional static load test method; the pile tip resistance by the former method is even more effectively exerted than by the latter method. (b) Under the action of twice the design load, the equivalent vertical displacement at pile head is smaller; most of the pile side friction and tip resistance are not brought into full play; the actually-measured pile side friction may be bigger than that provided by survey department. (c) The safety coefficients of three test piles are all greater than 2.2; there is little difference between safety coefficients calculated respectively by empirical method and by simplified method; therefore, the safety of test piles and the reliability of O-cell pile testing method are verified.

bridge foundation; side friction; load transfer; pile shaft axial force; O-cell pile testing method; static load test method

2013-08-15；

：2013-09-26

国家重点基础研究发展计划项目(2012CB026106)，中科院“百人计划”项目(Y251561001)，国家电网公司科技项目(SGJSJS-2010-935-936)共同资助。

张明礼(1987—)，男，博士研究生，E-mail：mingli_0919@126.com。

1004-2954(2014)05-0039-06

TU473+1

：A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.05.010