临海地区大直径深长钻孔灌注桩承载性状试验研究

李文勇，高 頔，胡新元

（中交第一航务工程勘察设计院有限公司，天津 300222）

引言

目前大直径深长钻孔灌注桩在我国已被广泛使用，但针对该类桩荷载传递机制的研究还不深入，迄今仍无相应的承载力计算方法。现行规范中关于大直径深长钻孔灌注桩的设计理论并非以其承载变形机制为基础，只简单按经验加以修正，并未考虑到大小直径桩承载性能的差异，在理论上没有定性、定量的研究。另外，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[1-4]。大直径深长灌注桩有着特有的承载形状，且其影响因素繁多复杂，目前尚无系统研究，而愈来愈多的工程实践迫切需要对其承载机理进一步研究，从而更好的指导工程实践，降低工程费用。

本文基于山东省某地区储气罐区试桩工程进行的现场载荷试验数据，对该类型桩桩侧土层在竖向荷载作用下的荷载传递机理进行了初步分析，得出一些有益的结论。

1 试验概况

1.1 概况

山东省某地区储气罐区试桩工程，共布置试桩4根，单桩竖向静载试验3根，分别为V1、V2、V3，单桩水平静载试验1根。试桩桩径1.4 m，桩长L依次为78.7 m、78.5 m、81.70 m，长径比L/d≥50，属典型的大直径深长桩。V1桩成孔方式为冲击+旋挖，V2、V3为冲击+反循环，其他成桩工艺均相同。试桩终孔条件为桩长大于75 m且桩端持力层位于强风化大理岩层。V2桩同时进行了桩身内力测试。在静载试验前后，对试桩进行了声波透射检测，结果显示桩身均完整。

根据地质报告揭示，试桩深度范围内主要地层依次为：①回填层，稍密～中密状，粒径20～130 mm为主，以风化岩屑和粘性土填充，层厚约20.5 m；②粉质粘土及粗砾砂交互层，粉质粘土呈可塑～硬塑状，层厚约4.1 m，粗粒砂呈中密状，层厚约1.0 m；③粗砾砂，密实状，N=45.9，层厚约22.0 m；④粘土，硬塑状，N=20.3，层厚约1.5 m；⑤粗砾砂，密实状，N=47.0，层厚约17.2 m；⑥强风化大理岩，密实状，N＞50，芯样大多已风化呈砂土状。

1.2 加载装置及试验方法

静载试验按照设计要求最大加载量为20 000 kN，反力装置采用堆载块及钢梁，采用慢速维持荷载法。桩顶下沉量由位移传感器测得。试验过程严格按照相关规范进行。

桩身内力测试采用振弦式应力计。应力计于相邻土层分界处埋设，焊接于钢筋笼主筋内侧，每个断面按轴心对称布置4个。标定面选择在距桩顶1 m处布置。安放钢筋笼时，各组传感器的电缆沿钢筋笼主筋内侧引至钢筋笼顶部下方1.5 m处的侧面引出，并在混凝土浇筑完成后加以保护。试验时，将应力计测试线连接于集线箱，并用频率测试仪读取频率值，然后通过标定公式求取其应力值。

2 试验结果分析

2.1 荷载-沉降规律分析

据图1各试桩Q-S曲线可知，各桩荷载-沉降曲线均呈现缓变型，荷载特征点不明显，而各桩的最终桩顶沉降量却差异明显。各桩最大沉降量依次为20.95 mm、87.98 mm、53.06 mm，回弹量依次为10.22 mm、15.79 mm、15.16 mm。V2桩回弹率仅有17.9 %，表明桩土体系已基本进入塑性工作状态。V2、V3桩在荷载超过12 000 kN后，单级荷载下的沉降量呈逐渐扩大趋势。另外，各试桩试验加载时间分别为28 h、61.5 h、43 h，其用时基本与沉降量成正相关。

图1 各试桩Q-S 曲线

三根试桩的相互间距仅为8 m，且地层情况基本一致，出现如此较大的差异，除V3桩较V2桩多进入强风化岩3.2 m，增加了一定量的桩侧阻力而减小了桩端沉降和试验用时，主要归因于成桩方式。V1桩成孔方式为冲击+旋挖，历时3天；V2、V3桩为冲击+反循环，历时分别为8天、11天。旋挖钻进过程中，孔壁不易产生泥皮，且孔壁一直受钻斗的刮擦，在孔壁上形成较明显的螺旋线，有助于增加桩的摩擦力。而反循环钻进方式在使用泥浆保证孔壁的稳定性的同时，也增大了桩周泥皮的厚度，导致剪切滑裂面将由紧贴桩身的硬壳层转变为泥皮内，从而降低了桩侧阻力。综合考虑上部结构对沉降的敏感程度，以及土层的不均匀性，V2桩由于发生了上部结构不适宜继续承载的较大变形，桩土体系进入了破坏状态，因此其极限承载力未能满足设计要求。

2.2 桩身内力计算及荷载传递

本试验采用振弦式钢筋应力计作为传感器，通过频率计实测得到各级荷载下的频率值计算钢筋应力，以钢筋与混凝土应变协调一致为原则，根据材料力学弹性变形公式，计算出桩身轴力，通过桩身轴力根据静力平衡原理和应力应变关系导出桩侧摩阻力和桩身各测试断面的沉降。V2桩各断面在分级荷载作用下桩身轴力如图2。

图2显示在各级桩顶荷载作用下，随着桩土相对位移的产生，土侧阻力不断被激发，各测试断面的轴力逐渐增加，桩身轴力随深度逐渐减小，并且每层土受其土性、埋深等因素影响，其发挥程度并不一致，表现出一定的异步性，即侧阻先于端阻，上部土阻力先于下部土阻力。而轴力分布曲线段的陡缓反映出该层土阻力的大小，曲线越陡意味着上下连续两个截面的轴力越相近，即桩侧土阻力越小。从图中可以看出，每层土随着荷载的增大，分段轴线都变得越来越缓，即桩侧土阻力渐次发挥，并逐渐增加。可以看到，强风化岩曲线段的加载过程中斜率变化最大，说明该土层的侧阻力得以充分发挥。桩端荷载也在逐渐增大，但在最大桩顶荷载作用下，桩端荷载承担比例也仅为9.4 %，表现出了明显的摩擦型桩的特征。

图2 各级荷载下桩身轴力

图3 桩侧土阻力分布

如图3所示，在最大荷载作用下桩侧土阻力与地质勘察提供的建议值存在一定的差异，这既与桩侧泥皮厚度有关，同时也与在成孔过程中，因施工工艺不同孔壁产生松弛效应有关，即与土的灵敏度有关，灵敏度越高的土层其侧阻降低越大。前述提到，V2桩采用了冲击+反循环工艺，其成孔耗时8天，这无疑会放大松弛效应，特别是对于无粘聚性的砂土和碎石类土有着不可忽视的影响。因此仅根据土层的物理力学特征确定桩侧土阻力有一定不足，对于深长桩即使物理力学性质相近，由于土层埋深不同，其侧阻也会表现出很大的差异。

2.3 桩侧阻力与桩土相对位移变化的关系

桩侧阻力的发挥需要桩土间产生一定的相对位移，且随着相对位移的增加，桩侧土阻力逐步发挥直至达到极限。另外，侧阻力的发挥与桩径、施工工艺、土层性质及分布位置有关。据图4可知，桩土相对位移与侧阻力的关系呈现几个特点：1）除强风化岩外，其余各土层在桩土相对位移小于5～10 mm时，即侧阻力早期增长较快，而当桩土相对位移继续增加时，侧阻力增加幅度明显趋缓，显示桩侧土阻力已接近极限值；2）嵌岩段强风化岩的侧阻在荷载较小时近乎为零，而当桩土之间一旦产生相对位移，侧阻力的增幅远较上部土层要快，在桩土相对位移达到10 mm后，增幅开始逐步回落，但仍有一定的增长空间。

图4 桩土相对位移与侧阻力关系曲线

2.4 桩身压缩与桩端位移关系

随着桩顶荷载的增加，桩顶变形逐渐增大，该部分变形包含桩身压缩和桩土相对位移两部分。桩土相对位移又包含桩侧桩土相对位移和桩端位移。从图5可以看出，在荷载小于10 000 kN时，桩顶变形主要由桩身压缩引起。加载后期，桩身压缩变形呈一直线，表征在荷载作用下，桩身仍处于弹性变形阶段。在荷载大于12 000 kN后，桩端位移量快速增加，曲线走势与桩顶变形基本同步。这主要是增加的荷载已传递到桩端，导致了桩端位移的快速增加。

图5 桩身压缩量和桩端位移关系曲线

2.5 桩端阻力随桩顶荷载、桩端位移的变化

桩端阻力的大小、承担比例能反映出大直径深长桩的承载性状。图6显示，在荷载小于10 000 kN时，桩端阻力几乎为零，而后随着荷载增加，桩端承载力快速增大，但与桩顶荷载相比而言，其荷载承担比仅为9.4 %。由此可见，桩顶荷载主要是由桩侧土阻力来承担，而桩端占比较小，呈现出明显的摩擦型桩的性状。

图6 各级荷载下桩端阻力变化

图7 桩端位移与端阻力发挥值关系曲线

图7显示，在上部荷载作用下，桩端阻力和桩端位移基本呈线性关系，忽略桩底沉渣的影响，可知桩端土处于弹性变形阶段，端阻力的发挥尚有很大空间。图6、图7说明：对大直径深长桩桩端主要起控制沉降作用，而非承担上部荷载，因此在设计时对此类桩也可采用后注浆等其它工艺改善桩端土性质从而优化设计方案。

3 结语

1）对于深长泥浆护壁钻孔灌注桩，其荷载传递与摩擦型桩相似，即侧阻优于端阻发挥，端阻分担较小。

2）不同的施工工艺对大直径深长桩的承载性状有着较大的影响，要选择对桩侧土体应力释放影响小和产生泥皮厚度薄的施工工艺，从而保证桩身承载力不降低。

3）对大直径深长桩，嵌岩桩端的承载作用较小，若施工过程中控制好泥皮厚度，桩顶沉降符合要求的前提下，在桩端嵌入强风化岩一定深度即可，或改用后压浆等其他工艺也可达到设计要求。