大承载力端承摩擦桩承载性状试验研究

2019-12-06任毅龙武李和乐

西安建筑科技大学学报（自然科学版） 2019年5期

郅彬，任毅龙，周宁，武李和乐

(1.西安科技大学建筑与土木工程学院，陕西西安 710054；2.宁夏世丰实业有限公司，宁夏银川 750000)

桩基在受荷条件下与桩周土体产生摩擦接触并相互作用，桩侧摩阻力与桩端摩阻力共同承担上部荷载，可有效的控制地基沉降变形，提高基础承载力.特别是随着超高层建筑的广泛普及利用，工程常建设在软土地区，土层承载力不高，沉降变形过大或者土质无法承担建筑物施加的过大荷载时，桩基能够支撑于较硬的持力层，具有高承载力和刚度，发挥其良好的作用.目前国内对桩基的采用已经较为普遍，也取得丰硕的研究成果.我国20世纪70年代利用桩身内部安装测量元件来测土层和桩身轴力分析桩基荷载传递的机理.近年来，王腾[1]建立了荷载传递函数模型，利用函数法求出荷载-沉降的解析解；曹卫平[2]改进了桩土荷载传递模型；钟闻华[3]通过超长端承摩擦桩对比分析侧阻沿桩身长度发挥与规范值的区别；李永辉[4]对超长灌注桩后压浆处理后计算出桩侧摩阻力的大小.唐俊巍[5]结合现场试验研究了桩侧摩阻力在桩端土部分发挥状况.以上成果使桩基理论研究得到丰富的同时对实际工程产生巨大影响，加快了现代城市建设步伐.然而目前尚缺乏针对端承摩擦桩的专项研究，特别是在高应力条件下的性能发挥，同时结合实际工程的案例也较少.譬如：高应力作用下端承摩擦桩的极限承载力到底可以达到多少；高应力条件下端承摩擦桩的端阻与侧阻如何发挥作用，且二者的承担比例如何；场地的土层对桩基侧阻的发挥有何影响；大承载力端承摩擦桩摩阻力的桩身最佳发挥范围是多少？上述问题目前尚未得到解决.然而随着超高层建筑的普及，特别是高应力条件下，既有理论已无法满足现阶段的工程实践，探究大承载力端承摩擦桩在高应力作用下承载机制成为解决实际工程问题的重要途径之一.本文依托银川市某超高层项目静载荷试验(工程为该地区第一高建筑且具备最大的应力作用)，探究大承载力端承摩擦桩在该地区最高应力条件下其极限承载能力的同时深入研究高应力下桩体的承载机制及变形性状.该项研究在当地具有一定代表意义，所得结论可为日后工程生产或课题研究提供借鉴.

1 静载荷试验

1.1 工程地质概况

1.2 试验概述

试验采用锚桩梁反力装置，依据工况选取3根试桩进行静载荷试验，编号分别为S1，S2，S3.采用强度等级为C50的混凝土制备试桩，直径为1.048 m，S1桩单桩长45.38 m；S2桩单桩长45.06 m；S3桩单桩长44.78 m.桩端持力层控制在细砂层.试验选用慢速维持加载法，待测试桩周围均布4根锚桩，锚桩提供反力，加荷设备选用油压千斤顶，观测设备为精确度0.01 mm的大量程百表.根据设计计算，每根试桩预加载值32 500 kN.首级加载5 000 kN，后每级加荷2 500 kN至32 500 kN.加载装置如图1所示，现场试验如图2.

图1 静载荷试验加载装置图Fig.1 Static load test loading device

图2 现场试验图Fig.2 Field test chart

1.3 试验方法

进行静载荷试验同时于桩身方向每1米设置一个量测断面，各断面上均布3个振弦式钢筋应力计，呈120°分布，如图3.

图3 应力计分布图Fig.3 Stress meter distribution map

(1)加载：0 kN开始，第二级加载5 000 kN，后每级加荷2 500 kN至32 500 kN.每级加载后每隔约15 min测读一次沉降数据，1 h后隔30 min再读一次.(沉降相对稳定条件：每1小时桩顶沉降量不超过0.1 mm且连续出现2次)

(2)卸荷：每级卸荷值取加载时分级荷载量的2倍.每级卸荷维持1 h同时分别按间隔15 min测读一次残余沉降，2次之后每隔30分钟读数一次，即可卸下一级.

(3)沿S1，S2，S3桩身布设45个断面的钢筋应力计(各断面间隔1 m)，进行桩周土阻力试验，利用频率计测量初始频率值.于分级加载后桩体稳定状态下读出相应钢筋应力计频率值.

2 试验结果与分析

2.1 大承载力端承摩擦桩荷载-沉降曲线分析

静载荷试验结果绘制Q-S曲线如图4所示.

图4 静载荷试验Q-S曲线 Fig.4 Q-S curve of under static load test

由图4可知，当初期荷载较小的时候，S1桩曲线基本呈线性增大，曲线趋势较为稳定；在桩顶荷载从30 000 kN达到32 500 kN时，出现了明显的拐点特征，沉降发生突变，最大沉降量达到61.67 mm,桩体发生破坏，对应极限承载力值取30 000 kN.

S2，S3桩前期荷载量较小时，各级加载量下的曲线趋势保持平稳，随着荷载的不断增大，曲线逐渐呈下滑趋势，但总体依旧无明显变化，需借助S-lgt图分析.

图5(a)中S2桩加载至32 500 kN时，曲线尾部出现弯曲，考虑到试验设计最大加载量为32 500 kN，故S2桩的极限承载力取上一级加载值，即30 000 kN；图(b)中S3桩加载曲线保持平稳无明显变化，依据《建筑桩基技术规范》[6]判定S3桩的最大加载量作为极限承载力为32 500 kN.整理静载荷实验数据，依据规范确定该地区45 m大承载力端承摩擦桩极限承载力为30 000 kN.

图5 S-lgt曲线图Fig.5 S-lgt graph

2.2 桩身轴力分析

利用各断面处钢筋应力计的实测应变值计算得到各级荷载情况下各量测断面的桩身轴力如图6.

(1)由图6可知，前期加载时轴力值沿桩身浮动不大，视为相对线性状，桩侧摩阻力未完全发挥作用.随荷载值不断增大，轴力分布图后面阶段呈现曲线状，桩侧摩阻力开始逐渐发挥至极限.同时加载量增大，S1、S2、S3桩端存在轴力，表明桩体侧阻充分发挥同时端阻承担上部剩余荷载，符合端承型摩擦桩特点.

(2)3根试桩轴力曲线沿桩身方向减弱趋势相同，桩身中下部为侧阻最佳发挥段[7]，由轴力图可知，各轴力曲线由上至下逐渐衰减，深度在25～35 m处，约桩身2/3段范围衰减速率最大，即桩侧摩阻力发挥性最佳，处于峰值范围，即最佳发挥段.这是由于桩身与桩周土体作用，荷载较小时侧摩阻力发挥不明显，随着荷载的增大，侧摩阻力发挥至极限，且中下部土层相较于上部土层性质不同，摩擦阻力更大，桩身中下部在大荷载下侧摩阻力发挥更明显，对应轴力递减越剧烈.

(3)上部荷载达7 500～10 000 kN间开始产生桩端总阻力.由图6可得，荷载达5 000 kN时S1、S2、S3桩40 m处轴力为0；7 500 kN时3根桩42 m处轴力为0，说明前期上部荷载全部由侧阻承担，无传递到桩端，端阻不发挥.

图6 桩身轴力随桩长变化图Fig.6 Pile body axial force with pile depth variation

2.3 桩侧摩阻力分析

桩侧摩阻力由桩体轴力值推算得出，计算式如下[8]：

(1)

式中:Pij为第i量测断面在j级荷载加载量下的桩身轴力值/kN;A为第i量测断面与第i+1断面间桩身面积大小/ mm2.

选取加载量为10 000 kN、20 000 kN、30 000 kN的数据计算得到S1、S2、S3桩体侧摩阻力沿桩身长度分布，如图7.

图7 桩侧摩阻力沿桩身分布图Fig.7 Pile side friction resistance along the pile distribution map

分析桩侧摩阻力分布规律，可得到以下结论：

(1)各级荷载下大承载力摩擦桩侧阻沿桩身长度发挥曲线呈抛物线状.桩顶荷载不断增大，导致桩身压缩变形，桩身与土体发生相对位移产生剪切力即侧摩阻力.桩侧摩阻力随上部荷载增大而增加，逐渐至完全发挥作用，当其达到一定极限时侧阻保持平稳后最终出现衰减，侧阻沿桩身长度作用曲线近似于抛物线状.

(2)桩侧摩阻力先发挥作用至极限后端阻承担上部荷载.从图7中得3根试桩侧摩阻力达极限后递减，是由后期桩端阻力发挥辅助支撑作用，桩土间相对位移达最大值后逐渐减小，符合端承型摩擦桩特性.

(3)由图7的变化曲线更明显的观测出桩体侧摩阻力发挥趋势，在桩身长度范围约25～35 m为曲线最凸出部位，即侧摩阻力最佳发挥段，验证上文轴力分析所得结论，即桩身2/3段.

(4)对应图7中一定深度范围内曲线斜率不同，即不同土层摩阻力发挥程度相异.桩侧摩阻力与土层属性具有相关性，土层与桩身接触摩擦属性[9]不同导致各土层侧摩阻力发挥具有较大的差异，存在摩阻力数值变化.

(5)根据试验得到的桩身侧摩阻力，划分地层并计算出最大荷载作用下各土层范围内摩阻力平均值即为该土层极限侧摩阻力值：②粉质粘土101.5 kPa，③粉砂103.9 kPa，④细粉砂138.3 kPa，⑤粉土146.3 kPa，⑥细砂205.4 kPa，⑧粉粘210.1 kPa，⑨细砂211.8 kPa，⑩粉粘200.4 kPa.

(6)该地区土层侧摩阻力提高倍数.

表1 土层侧摩阻力值

通过对桩侧摩阻力沿桩身长度变化的数据采取无量纲化处理，即实测土层桩侧摩阻力与规范土层建议侧摩阻力值之比，可认为是土层侧摩阻力较规范值提高倍数[3].由表1可得极限侧摩阻力较规范均表现为提高，约1.41～2.57倍，平均值2.10.桩侧摩阻力沿桩身长度变化曲线近似数理统计[10]中正态分布曲线，故将其假定为正态分布.

进一步也可认为各土层侧摩阻力提高倍数也符合正态分布，为得到提高数的可信程度，估计出一个真实可靠范围，即置信区间.采用t分布法，根据置信区间计算式(2)：

(2)

2.4 桩端总阻力分析

通过轴力图可计算得桩端总阻力.

(1)分析得到桩端总阻力与沉降关系曲线如图8.

图8 桩端阻力随沉降变化曲线Fig.8 Pile end resistance with settlement curve

3根试桩初始产生桩顶位移时，桩端阻力均为0即端阻未发挥作用，说明桩侧摩阻力先发挥，承担全部上部荷载，端阻后发挥，且端阻随桩顶位移增加而明显增大.S1桩顶沉降达6.4 mm时端阻作用，图8中S1桩端阻力发挥最为迅速，桩端持力层明显发挥承载作用，桩顶沉降达29 mm后产生突变即荷载超过桩身极限承载力后桩体破环，端阻发挥到极限，其值为8 640 kN；S2，S3试桩桩端阻力随桩顶位移增大发挥较为缓慢，仍为桩侧摩阻力承担大部分上部荷载，端阻占总承载力少部.

(2)顶部荷载与端阻增量关系见图9.

图9 端阻增量随顶部荷载变化曲线Fig.9 End resistance increment with top load curve

端阻作用随顶部荷载增加而增大.3根试桩端阻增量在顶部加荷7 500 kN前都为0，端阻无作用.之后产生变化，初期3根试桩增量曲线斜率几乎相同且增幅不大，说明在上部荷载较小时桩侧摩阻力发挥主要承载作用，桩底土层的阻力对承载机制影响不大.随着荷载的增大，三曲线随之增幅，可以明显看出S1桩端阻增幅迅速，一直保持增长趋势，端阻发挥作用明显；S2桩端阻增值曲线在荷载达12 500～22 500 kN间保持平稳，随后出现陡升，可认为是端阻充分发挥；S3桩曲线先逐步上升后保持平稳，在荷载为25 000 kN时出现陡升，端阻作用明显.

(3)依据上述极限承载力结果，得到3根试桩达到极限承载力时，桩端阻力与桩侧阻力承载发挥比.由表2可知，S1桩达到极限承载力时桩侧摩阻力发挥71%，端阻发挥29%；S2桩侧阻发挥73%，端阻发挥占比27%[11]；S3桩达承载力特征值时，侧摩阻力与端阻分别发挥77%和23%.由此表明，3根试桩均符合端承型摩擦桩特性，在达极限承载力时，平均由桩侧摩阻力承担74%的上部荷载同时端阻力发挥作用，承担剩余荷载8 080 kN，比重约为26%.