大直径钻孔灌注桩试验方法和桩身荷载传递分析

杨海宾 崔 勉 谷志超

(河北建设勘察研究院有限公司，河北 石家庄 050031)



大直径钻孔灌注桩试验方法和桩身荷载传递分析

杨海宾 崔 勉 谷志超

(河北建设勘察研究院有限公司，河北 石家庄 050031)

结合石家庄市某试桩工程，采用混合式反力装置，对大直径钻孔灌注桩进行了桩身应力观测，并对桩身荷载传递过程进行了分析，为类似大直径钻孔灌注桩的设计和研究提供参考。

钻孔灌注桩，载荷试验，混合式反力装置，应力

近年来，随着我国建设规模的不断扩大，桩的设计尺寸越来越大。对于大直径桩载荷试验，受困于各种原因，真正能做到桩基破坏阶段的试验很少，加载量在2倍设计荷载时，桩顶沉降往往还很小。由于试验资料的缺乏，现阶段对大直径桩的荷载传递作用机理的研究还不够完善。本文基于石家庄市某试桩工程，对直径2 m的钻孔灌注桩进行了静载荷试验及桩身应力测试。试验反力采用混合式反力装置，最大提供反力42 000 kN。试验表明，大直径灌注桩Q—s曲线呈缓变型，不存在类似小直径桩桩端刺入性沉降，而只存在压缩性沉降，桩承载力是按照变形控制的。在工作荷载下，桩顶沉降主要是桩身压缩量，且主要是桩身摩阻承载，桩端阻力没有充分发挥。在极限荷载下，桩端位移较大，端阻力的发挥是滞后于侧阻力的，且桩端阻和侧阻存在相互作用。

1 工程概况和混合式反力装置

该试桩场地位于石家庄市市区内，采用φ2 000 mm钻孔灌注桩，桩端及桩侧注浆，试桩分为2组，每组数量均为3根，1组有效桩长25 m，2组有效桩长22 m。试桩1预估极限承载力27 500 kN，试桩2预估极限承载力28 000 kN；试桩1最大加载量33 000 kN，试桩2最大加载量42 000 kN。设计桩顶标高较场地自然地坪低约20 m。由于场地地处闹市区繁华地带，不具备大范围开挖条件，试验加载需在地面完成，为最大限度模拟设计工程桩工况，加载和观测选定在桩顶设计标高位置，选用荷载箱(即并联组合千斤顶，以下同)加荷方式，将荷载箱内置在桩体内相当于桩顶设计标高位置，将沉降观测的桩顶基准面由设计桩顶标高位置引出至自然地面标高位置。上部无效桩身可提供部分反力，不足部分用锚桩提供，这种反力提供方式称之为混合反力形式。混合式反力装置提供的反力能力保证了本次试桩最终加载量分别超过预估加载量的11%～45%，满足了试验要求，是一种较好的提供反力的装置。

2 桩身应力观测计算方法

桩身应力观测采用频率式钢筋计，按照2 m分层布置，第一层作为标定断面布置在设计桩顶标高1 m处，钢筋计的焊接采用一端帮焊、一端铰接。

桩身轴力计算。

桩侧摩阻计算。

桩顶竖向荷载作用下各观测截面间桩侧摩阻，可按下式计算：

其中，fj,z(i,i-1)为第j级荷载作用下，桩身第i至i-1段侧摩阻；d为桩身第i至i-1段桩身平均直径；zi,zi-1均为深度，m；Tj,z(i),Tj,z(i-1)分别为距离桩顶i,i-1深度时第j级荷载作用下桩的轴力。

桩身分段沉降计算。

1)桩身分段压缩量可按下式计算：

其中，Δsk,0,j为第j级荷载作用下，桩身第k即i至i-1之间的截面压缩量，mm；zi,zi-1均为自桩顶起算桩身深度坐标；Ecsi,Ecs(i-1)分别为对应轴力Tj,z(i),Tj,z(i-1)的桩身等效弹性模量，kPa。

2)桩身总压缩量可按下式计算：

其中，sj,0为第j级荷载作用下桩身总压缩量，mm；n为桩的分段数，自标定断面以下的第一个观测断面起算。

其他符号意义同前。

3)桩底沉降量可按下式计算：

sj,b=sj-sj,0。

其中，sj,b为第j级荷载作用下桩底总沉降量，mm；sj为第j级荷载作用下桩顶总沉降量，mm。

其他符号意义同前。

4)桩身任一观测断面沉降量可按下式计算：

其中，sj,i为第j级荷载作用下桩身第i截面的总沉降量，m；sj,0,i→n为第j级荷载作用下桩身自i至n截面的总压缩量，m。

3 试验数据分析

3.1 载荷试验Q—s曲线分析

大直径灌注桩载荷试验典型Q—s曲线如图1所示。可以看出，大直径灌注桩载荷试验Q—s曲线呈缓变状态，整个加载过程中并未出现明显的拐点，这与小直径桩Q—s曲线一般会出现陡降段明显不同。这说明大直径桩桩端土不存在类似小直径桩桩端刺入性沉降，而只存在压缩性沉降，其破坏模式表现为桩端压缩性变形过大，是以变形为控制条件的。对于大直径桩，随着桩顶荷载的增加，桩底以下土体产生竖向和侧向压缩，由此排除的土体积足以容纳桩端的下沉体积，而不会导致土体形成通向桩端平面以上的连续剪切滑动面。这种以压缩机理起主导作用渐进破坏使荷载—沉降曲线呈缓变型，无明显特征点，因此，极限承载力的确定一般应为位移控制。

3.2 桩身应力分析

通过桩身应力观测，计算桩身轴力和摩阻，得出如下结论：

1)在极限承载力下，桩侧阻所占比例很大。最大达到94%，最小也达到87%。表1为其中3根试桩的桩端阻力和桩侧阻力值。在试桩加载过程中，桩顶荷载首先由桩侧阻力承担，桩端阻力非常小甚至为0，桩端无沉降。随着桩顶荷载的增加，桩侧阻力逐渐发挥，桩底阻力也开始承担部分荷载，桩端开始出现沉降。最后桩顶荷载增加至极限值时，桩侧阻力增长趋势变缓，桩端阻力增长趋势变陡，这时桩身变形过大，达到承载极限。加载过程中桩侧阻力和桩端阻力变化见图2。

表1 桩端阻力和桩侧阻力表

2)桩身实测最大摩阻和端阻见表2，并与勘察报告中给出的摩阻、端阻进行比较。

表2 与勘察报告中摩阻值的比较 kPa

实测桩周土层分层摩阻均比勘察报告中给出的相应土层的摩阻值大。试桩采用桩端桩侧注浆，实测含卵砾石中粗砂层摩阻值为勘察报告给出的1倍～4倍，粉质粘土层摩阻值为勘察报告给出的2倍～6倍，粗砂层摩阻值为勘察报告给出的1倍～6倍。桩侧注浆后，桩侧摩阻力增加明显。实测试桩1最大端阻力955 kPa，试桩2最大端阻力1 717 kPa。

实测端阻力明显偏小(平均值远不及勘察提供的3 000 kPa)，桩端没有产生足够承载力。大直径灌注桩，桩端注浆只能增加桩端平面以上桩侧摩阻，对桩端端阻增加效果不明显。试桩在最大加载力下，还能继续承载，但是沉降会不断增大，不满足设计关于变形的要求。正如前文所述，大直径桩承载力一般是按照变形控制的，如果不限制变形，则大直径桩承载力会很高。

3)摩阻和端阻相互作用。试桩1，2实测桩端阻和粗砂层的侧摩阻见表2，通过对比发现试桩2不仅仅实测端阻大于试桩1，而且试桩2的粗砂层侧摩阻同样大大超过试桩1的粗砂层。分析其原因，发现试桩1，2虽然桩端持力层相同，都是砂卵石层，但是试桩2在持力层之上是中粗砂层或粗砂层，而试桩1在持力层与粗砂层之间有一层粉质粘土层。证明灌注桩底部桩侧土层阻力大，对桩端土阻力有增强作用。如果桩底部桩侧土存在软弱层，不仅会降低桩端持力层的承载力，而且会降低桩侧软弱层之上土层的摩阻力。为了保证灌注桩的承载力，必须保证桩端进入坚硬土层一定深度。

3.3 桩身压缩分析

通过计算桩身压缩量，发现试桩桩身压缩量较小，范围在3.10 mm～6.15 mm之间，试桩承载力特征值对应的桩顶沉降为2.17 mm～5.60 mm，可见，在桩顶工作荷载下(承载力特征值)，桩顶沉降主要是桩身压缩量，桩在工作荷载下主要是桩身摩阻承载，桩端阻力没有充分发挥。

桩顶受荷载时，首先桩身产生压缩，桩土产生相对位移，桩顶荷载由桩周土摩阻承担。当桩身压缩量曲线与桩顶加载曲线产生分离时，表明桩身压缩范围传递到桩底，造成桩底应力和桩底位移出现明显的增大。

4 结语

以混合式反力装置对大直径灌注桩进行载荷试验，最大加载量达到了42 000 kN，满足了试验要求，是一种比较好的提供反力的装置。通过实验，发现大直径钻孔灌注桩桩身承载具有如下特征：

1)大直径灌注桩Q—s曲线呈缓变型，桩端不存在类似小直径桩桩端刺入性沉降，而只存在压缩性沉降，桩承载力是按照变形控制的。2)在极限承载力下，桩侧阻所占比例很大。在桩顶工作荷载下(承载力特征值)，桩顶沉降主要是桩身压缩量，荷载主要由桩身摩阻承载，桩端阻力没有充分发挥。在极限荷载下，大直径灌注桩桩侧极限阻力已几乎全部发挥，而桩端极限阻力还没有充分发挥。3)桩端阻的发挥是滞后于桩侧阻的。4)桩端注浆只能增加桩端平面以上桩侧摩阻，对桩端端阻增加效果不明显。5)摩阻和端阻存在相互作用，灌注桩底部桩侧土层阻力大，对桩端土阻力有增强作用。

[1] 郅正华.桩身弹性压缩量应用研究[Z].

[2] 刘福天，赵春风，吴 杰，等.常州地区大直径钻孔灌注桩承载形状及尺寸效应试验研究[J].岩石力学与工程学报，2010(7)：62-63.

[3] 曾文韬.后压浆钻孔灌注桩单桩承载力试验研究[J].湖南城市学院学报(自然科学版)，2011,20(2)：76-77.

Analysis on test method and pile load transfer of large diameter bored piles

Yang Haibin Cui Mian Gu Zhichao

(HebeiConstructionSurveyResearchInstituteLimitedCompany,Shijiazhuang050031,China)

Combining with a test pile engineering in Shijiazhuang, this paper adopted the hybrid counter force device, made pile body stress observation to large diameter bored piles, and analyzed the pile load transfer process, provided reference for the design and research of similar large diameter bored piles.

bored pile, load test, hybrid counter force device, stress

1009-6825(2016)13-0087-02

2016-02-23

杨海宾(1982- )，男，硕士，工程师

TU473.13

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