砂土中单桩承载试验研究

曹建忠，罗元喜

（江苏省地质矿产局第二地质大队，江苏常州213000）

砂土中单桩承载试验研究

曹建忠*，罗元喜

（江苏省地质矿产局第二地质大队，江苏常州213000）

根据具体工程对砂性土中桩的垂直和水平承载特性进行了试验研究。试验采用桩长为47m，地基土层主要为砂土。垂直承载试验结果表明，Q-s曲线可分为弹性阶段、弹塑性阶段和整体破坏3个阶段，单桩极限承载力为4200kN，砂土层对桩身轴力的影响大，上部粉质粘土对轴力的影响较小。水平荷载-位移曲线近似呈双曲线型，地基土水平抗力系数的比例系数m值为11.2。

砂土；桩；承载试验

1　概述

国内外学者对不同荷载下单桩的承载特性做了大量的工作，其中，G.G.Meyerhof等［1-2］通过室内模型试验研究了均质砂土、均质粘土及分层土中偏心倾斜荷载作用下刚性短桩的承载特性，并将柔性长桩等代为刚性短桩计算单桩的承载力［3］。文献［4］中对桩周土体为单一砂性土和粘性土条件下的超长桩承载机理进行了研究，研究结果表明，典型的砂性土的侧阻力与桩身位移的关系曲线与粘性土的明显不一样。但对绝大多数超长桩工程来说，土体为单一土层的状况几乎很少见，目前针对砂性土地基中超长桩的研究较少。

我国长江中下游（特别是江苏省境内）沿岸地表以下约10m深度范围为杂填土或软粘土，力学性质差，承载力低，下部分布的土层为厚度60～100m的砂性土层。对于一些荷载比较大的工程，天然地基无法满足承载力要求，一般采用桩基，因此，桩基持力层必然为砂性土层且桩身大部分位于砂性土层当中。

单桩竖向承载力确定的常用方法主要包括：原型试验法、静力学计算法、原位测试法、经验公式法；单桩沉降计算方法主要包括［4-9］：荷载传递法、弹性理论法、剪切位移法、有限单元法以及其它简化方法，每种方法都有其相应的假定［10］，适用于一定的工程情况。但对计算结果的准确与否则要通过试验来检验。本文结合具体工程，通过试验研究砂性土地基中的基桩的承载特征。

2　试验条件及试验方法

2.1试验条件

常州地区某工程由于天然地基无法满足建（构）筑物对沉降的要求，拟采用桩基，根据勘察资料，所涉及地层主要由第四系全新统—上更新统冲积、湖积成因的粘性土层、粉土层、砂性土层及粘性土、粉土、砂性土的夹层，地基各土层主要岩土设计参数值详见表1。

试桩桩径为Ø800mm，桩长47m，桩身上部约4m位于粉质粘土层中，其余均位于粉土、粉砂和粉细砂层中，以12粉细砂为桩端持力层，进入深度约2.0m，故桩身荷载主要由砂性土层承担。混凝土强度等级C35，预估单桩竖向抗压极限承载力6300kN。试验最大加载量预定为8400kN。

2.2试验方法

试验严格按照《建筑基桩检测技术规范》（JGJ106-2003）中的要求执行。

（1）加载系统：采用8锚桩反力系统，锚桩重复使用。试验采用12000kN等级钢梁，2台千斤顶并联加压，试验设备最大加载能力达到10000kN。反力架装置示意图见图1。

（2）采用全自动观测系统，自动加压、稳压、读数、记录并控制稳定标准。

（3）加、卸荷载等级：采用慢速维持荷载法加荷，按规定总加载量的1/10分级。

（4）沉降观测：每级加载后，每隔5、10、15min时各测读一次，以后每隔15min读一次，累计满一小时后每隔半小时测读一次。

（5）沉降相对稳定标准：在每级荷载作用下，桩的沉降量连续2次在每小时内小于0.1mm时可视为稳定。

表1　地基土层组主要岩土设计参数值表

图1　基桩竖向抗压荷载试验装置

（6）终止加载条件：当出现下列情况之一时，即可终止加载：

①某级荷载作用下，桩顶沉降量大于前一级荷载作用下沉降量的5倍；

②△sn+1/△sn≥2，且经24h尚未达到稳定；

③已达到设计要求的最大加载量；

④达到锚桩的最大抗拔力。

（7）卸载观测：每级卸载量为加载量的2倍。卸载后每隔15min测读一次，读两次后隔半小时再读一次，即卸下一级荷载，全部卸完后，隔3～4h再测读一次。

3　试验结果

3.1单桩垂直静载试验

通过试验得出试桩Q-s（垂直荷载-沉降）曲线见图2、3。

从Q-s曲线特征看，在4200kN荷载作用下，累计沉降量仅为17.90mm，变形梯度比ΔS4200/ΔS3500=5.08，但从低应变曲线看，该桩桩身无明显缺陷，为合格桩，因此，该桩桩底可能存在沉渣，造成Q-s曲线沉降突增。根据规定，该类型桩荷载试验仍可继续加载，在4200～5600kN荷载作用下，各级的观测时间很长且每沉降量越来越大，在7000kN加载过程中，沉降量很快突破110mm，故终止试验。

由上述试桩结果可知，荷载与沉降关系呈非线性，Q-s曲线分为弹性阶段、弹塑性阶段和整体破坏3个阶段：

（1）弹性阶段（oa段）：桩顶荷载小于比例极限，该阶段土体变形表现为弹性变形，Q-s曲线呈线性关系。

（2）弹塑性变形阶段（ab段）：曲线呈非线性关系，曲线斜率逐渐增大，土体在荷载增量相同沉降越来越大，土体中局部开始出现塑性变形，但该阶段s-lgt曲线变化平缓，表明土体沉降比较稳定。

（3）整体破坏阶段（bc段）：土体出现整体破坏，即使荷载不再增加，沉降量仍急剧增加，s-lgt曲线向下水平和垂直。

图2　试桩垂直荷载-沉降关系曲线

图3　桩顶沉降-时间关系曲线

图4　桩身轴力分布曲线

桩身轴力（图4）沿深度变化趋势基本一致，在15m深度处有明显的拐点，表明15m深度以下的粉细砂层侧摩阻力对桩身轴力影响较大，15m以上地层，特别是上部粉质粘土和对轴力影响较小。

3.2单桩水平静载试验

水平加载分级：根据提供的极限承载力预估值，取预估水平极限承载力的1/10作为每级荷载的加载增量。每级荷载施加后，恒载4min测读水平位移，然后卸载至零，停2min测读残余水平位移，至此完成一个加卸载循环，如此循环5次，完成一级荷载试验的位移观测。测量位移的时间应严格准确，试验不得中途停歇。当桩身折断或水平位移超过40mm时终止。

根据试验结果，钻孔灌注桩桩在270～300kN荷载作用下水平位移超过40mm，故终止试验。根据试验数据绘制H（水平力）-△Y0（桩顶位移梯度）曲线见图5。

图5　桩顶水平位移-水平荷载关系曲线

水平荷载-位移曲线近似呈双曲线型，根据《建筑基桩检测技术规范》提供的方法，试桩的水平临界荷载为150kN。单桩水平承载力特征值为120kN。根据有关规范，地基土水平抗力系数的比例系数m的确定：

式中：m——地基土水平抗力系数的比例系数，MN/m4；

H——作用于地面的水平力，kN；

Y0——水平力作用点的水平位移，m；

EI——桩身抗弯刚度，kN·m2；

γy——桩顶水平位移系数；

b0——桩身计算宽度，m；根据上述公式，计算得m值为11.2。

4　结论

通过自行设计的加载装置，对实际工程中桩顶预先施加竖向和水平荷载情况下单桩承载特性进行了试验研究，结论如下：

（1）桩顶竖向荷载-沉降关系表明，Q-s曲线可分为弹性阶段、弹塑性阶段和整体破坏3个阶段。

（2）砂土层对桩身轴力的影响大，上部粉质粘土对轴力的影响较小。

（3）水平荷载-位移曲线近似呈双曲线型，根据试验结果，地基土水平抗力系数的比例系数m值为11.2。

［1］MEYERHOF G.G.，SASTRYVV R.N..Bearing Capacity of Rigid Piles Under Eccentric and Inclined Loads［J］.Canadian Geotechnical Journal，1985，22（3）：267-276.

［2］ MEYERHOF G.G.，YALCIN A.S..Pile Capacity for Eccentric Inclined Load in Clay［J］.Canadian Geotechnical Journal，1984，21（3）：389-396.

［3］YALCIN A.S.，MEYERHOF G.G..Bearing Capacity of Flexible Piles Under Eccentric and Inclined Loads in Layered Soil［J］. Canadian Geotechnical Journal，1991，28（6）：909-917.

［4］蒋建平.大直径灌注桩竖向承载性状［M］.上海.上海交通大学出版社.2007.

［5］ Poulos.H.G.Pile Behavior-theory and Application.Rankine Lecture.Geotechnique［M］.1989.39（3）.

［6］Reese，L.C，and O'Neill.M.W.Drilled Shafts Construction Procedures and Design Methods［M］.Rep.1988.No.FHWA-HI-88-42.U.S.

［7］ Randolph，M.F，and Wroth，C.P.Analysis of Deformation of VerticallyLoadedPiles［M］.J.Geotech.Engrg.Div. ASCE.1978.104（12）.

［8］ Michael W.O'Neill.Side Resisitance in Piles and Drilled Shafts［M］.Journal of Geotechnical and Geoenvironment Engineering.2001.

［9］赵明华，李微哲，单远铭，等.地基中倾斜荷载桩改进有限杆单元法研究［J］.工程力学，2008，25（5）：79-84.

［10］杨征宇.输电塔基础斜桩非线性p-y曲线［J］.河海大学学报：自然科学版，2010，38（1）：104-108.

U443

A

1004-5716（2016）03-0005-04

2014-03-19

曹建忠（1966-），男（汉族），江苏常州人，高级工程师，注册安全工程师，现从事岩土工程勘察，边坡、基坑等岩土、地质工程的设计、施工、监测工作。