昆明古滇池湖积层与冲积层工程桩荷载传递特性研究

陈云涛，蔡瑞刚

(1.昆明钢铁控股有限公司，云南 昆明 650051；2.建研地基基础工程有限责任公司，北京 100071)

0 引言

昆明城区所处的原始地貌基本属于古滇池湖积盆地，一般地基土浅表层局部为第四系全新世人工活动层不等厚的素填土，浅部为第四系全新统坡洪积形成的黏性土及砂类土，中部为第四系全新统湖积形成的砾石土(粉砂、圆砾)，下部为第四系坡残积形成的黏性土，下伏基岩为上寒武统陡坡寺组泥质粉砂岩及龙王庙组白云岩等[1]。软硬土层交替出现，其持力层及下卧层有较好的承载潜能及抗变形能力，可以满足小高层建筑地基强度及变形要求，但由于圆砾层中无规律地分布有厚薄不均的软弱黏土夹层，使地基均匀性受到了影响，且可能会导致不均匀沉降。因此本地区的高层建筑，为了规避风险，大多采用桩基础型式[2-11]。

钻孔灌注桩的荷载传递形状、侧摩阻力和端阻力的发挥特性不仅受到上部结构特性和水文地质条件的影响，还因区域地质条件的差异和复杂的土体力学性质而表现出不同形状，因此研究工程桩受力后其荷载在第四系古滇池湖积层中传递性状，有助于深入了解该地区土层与工程桩相互作用关系，为该地区建筑基础设计提供科学依据[12-17]。以昆明市某标志性超高层建筑为例，通过采用静载加压和桩身应力测试方法[18-20]，以获取桩端承载力及桩侧摩阻力，进行分析研究。

1 项目概况

1.1 工程简述

项目位于昆明市南市区。场地高程介于1888.63～1891.21 m之间，建筑物高度为218 m，地上50层，地下3层，建筑面积约17万 m2，基桩采用钻孔灌注桩。试验桩根据建筑物所在位置，选择具代表性的主楼桩3颗(SZ1、SZ2、SZ1-3)，裙楼3颗(SZ2-1、SZ2-2、SZ2-3)进行试验，具体见图1。主楼3颗桩桩长均为62.5 m，持力层为第⑧层黏土，桩径800 mm，设计单桩抗压竖向承载力特征值6800 kN；裙楼及地下车库桩长42.4 m，持力层为第⑥2层粉土层，桩径800 mm，设计单桩抗压竖向承载力特征值4550 kN。

图1 试验桩平面布置示意图

1.2 工程地质条件

场地原始地貌位于古滇池湖积盆地中部，由上至下出露地层见表1。

表1 古滇池湖积盆地中部出露地层Table 1 The outcrop strata at the central part of ancient Dianchi Lake in the lacustrine basin

1.3 土的物理力学指标及桩基参数

土的物理力学指标及桩基参数见表2。

表2 土层物理力学指标及桩基参数Table 2 Physical and mechanical indexes of soil layer and pile foundation parameters

2 研究方法

工程采用静载加压+桩身应力测试方法，以获取桩端承载力和桩侧摩阻力。

2.1 静载加压采用单桩竖向抗压静载试验(慢速维持荷载法)

1)逐级加载，每一级加载达到相对稳定后加下一级荷载，达到最大加载量后分级卸载到零。每级加载为最大加载量的10%，第一次加载可为最大加载量的20%。

2)沉降观测，每1h内的桩顶沉降量不超过0.1 mm，并连续出现2次认为达到稳定可加下一级荷载。

3)终止加载，当达到设计要求荷载或者某级桩顶沉降量大于前一级沉量的5倍以上时，可终止加载。

2.2 桩身应力测试

进行竖向抗压静载试验时必须同步测试桩体应力分布。根据每棵试桩所处的不同地层层位和桩长对应埋设竖向应力元件，本次采用的应力元件为振弦式(频率)钢筋应力计。SZ1埋设11层，SZ2埋设9层，SZ1-3埋设11层，SZ2-1埋设9层，SZ2-2埋设10层，SZ2-3埋设10层。桩头、设计桩顶、桩底每层设4个元件，其他层面每层3个。各试桩元件埋设数量、布设位置及地质剖面图见图2。

图2 SZ1、SZ2、SZ1-3、SZ2-1、SZ2-2、SZ2-3元件埋设位置示意图Fig.2 Schematic diagram of embedding position of SZ1，SZ2，SZ1-3，SZ2-1，SZ2-2，SZ2-3 components

2.3 承载力值

根据项目设计单位对本次试桩特征值及试桩终值的要求，即主楼SZ1、SZ2、SZ1-3的试验承载力特征值为6800 kN，终值为13600 kN；裙楼SZ2-1、SZ2-2、SZ2-3的特征值为4550 kN；试验终值为9100 kN。试验按设计要求加载到终止，未做到破坏。

3 观测结果及成果分析

3.1 轴向压力分布及变化特征

1)轴向应力计算公式：

Pij=Aηfij

式中：A为桩体平均横截面积，Pij、fij分别为第i截面在第j级荷载下的轴向压力及频率，η为参数。

2)试桩轴向压力及桩端阻力试验数据见表3～表9。

表3 SZ1轴向压力数据

表4 SZ2轴向压力数据Table 4 Axial pressure data of SZ2 component

表5 SZ1-3轴向压力数据Table 5 Axial pressure data of SZ1-3 component

表6 SZ2-1轴向压力数据Table 6 Axial pressure data of SZ2-1 component

表7 SZ2-2轴向压力数据Table 7 Axial pressure data of SZ2-2 component

表8 SZ2-3轴向压力数据Table 8 Axial pressure data of SZ2-3 component

表9 桩端阻力测试结果Table 9 Test result of resistance at pile end

3)试验结果表明，桩顶区域的轴向压力最大，约为桩顶压力的63%以上；桩底轴向压力最小，约为桩顶压力的1%，见图3。各层在不同桩顶荷载下，轴向压力沿深度方向的分布及变化特征见图4。

图3 桩顶压力与桩端阻力比例关系特征Fig.3 The curve diagram of proportional relationship between pile top pressure and pile end resistance

图4 SZ1、SZ2、SZ1-3在不同桩顶压力下轴向压力沿深度方向分布及变化特征Fig.4 Distribution and variation curve of axial pressure along depth of SZ1，SZ2，SZ1-3 components under different pile top pressures

3.2 桩周侧摩阻力分布及变化特征

1)桩周侧摩阻力计算公式：

τij=(Pij+Pi+1，j)/ΔSj

式中：ΔSj为桩体i截面至j截面的桩周侧面积，Pij、Pi+1，j分别为第i和i+1截面在第j级荷载下的轴向压力。

2)侧摩阻力试验数据见表10～表15。

表10 SZ1侧摩阻力数据Table 10 Side friction resistance data of SZ1 component

表11 SZ2侧摩阻力数据Table 11 Side friction resistance data of SZ2 component

表12 SZ1-3侧摩阻力数据Table 12 Side friction resistance data of SZ1-3 component

表13 SZ2-1侧摩阻力数据Table 13 Side friction resistance data of SZ2-1 component

表14 SZ2-2侧摩阻力数据Table 14 Side friction resistance data of SZ2-2 component

表15 SZ2-3侧摩阻力数据Table 15 Side friction resistance data of SZ2-3 component

3)试验结果分析。试桩各段在不同桩顶压力下桩周侧摩阻力沿深度方向分布及变化特征见图5。

图5 SZ1、SZ2、SZ1-3、SZ2-1、SZ2-2、SZ2-3不同桩顶压力下桩周侧摩阻力沿深度方向分布及变化特征Fig.5 Distribution and variation curve of the lateral friction resistance along the depth direction of the pile under different pile top pressures for SZ1，SZ2，SZ1-3，SZ2-1，SZ2-2，SZ2-3 components

3.3 工程桩桩周摩阻力分析

根据图5分析得出如下结论：

1)对于主楼桩而言，桩身上部(桩埋深在0～20m范围，大致属A-B-C段)所处地层为①层人工填土、②层黏土、③层淤泥质黏土、④1黏土、④圆砾。在各级桩顶压力下，该区段各地层摩阻力得到充分发挥。主楼桩在13600 kN最大桩顶压力下，A-B-C段侧摩阻力平均值为120 kPa；对于裙楼而言，桩身上部(桩埋深在0～12m范围，大致属A-B-C段)所处地层为①层人工填土、②层黏土、③层淤泥质黏土、④1黏土。在各级桩顶压力下该区段各地层摩阻力得到充分发挥。主楼桩在9100 kN最大桩顶压力下，A-B-C段侧摩阻力平均值为45 kPa；无论是主楼桩还是裙楼桩，桩身上部形成较大摩阻力一定程度上还反映了该区段土体较大的塑性变形。

2)对于主楼桩而言，桩身中部(桩埋深在20～40 m范围，大致属C-D-E-F段)所处地层为⑤黏土、⑥2层粉土、⑥圆砾、⑥2粉土。在各级桩顶压力下，该区段各地层摩阻力得到发挥一般。主楼桩在13600 kN最大桩顶压力下，C-D-E-F段侧摩阻力平均值为52 kPa；对于裙楼而言，桩身中部(桩埋深在12～26m范围，大致属C-D-E-F-G段)所处地层为④圆砾、⑤黏土、⑥2层粉土、⑥圆砾、⑥2粉土。在各级桩顶压力下，该区段各地层摩阻力发挥一般。裙楼桩在9100 kN最大桩顶压力下，C-D-E-F-G段侧摩阻力平均值为48 kPa。

3)对于主楼桩而言，桩身下部(桩埋深在40～60 m范围，大致属F-G-H-I-J-K段)所处地层大约为⑥2粉土、⑦1圆砾、⑦层黏土、⑦2层粉土、⑧层黏土。在各级桩顶压力下，该区段各地层摩阻力得到发挥一般。主楼桩在13600 kN最大桩顶压力下，G-H-I-J-K段侧摩阻力平均值为43 kPa；对于裙楼而言，桩身下部(桩埋深在26～40 m范围，大致属G-H-I-J段)所处地层为⑥2层粉土、⑥圆砾、⑥2粉土、⑥3粉砂。在各级桩顶压力下，该区段各地层摩阻力发挥较好。裙楼桩在9100 kN最大桩顶压力下，C-D-E-F-G段侧摩阻力平均值为70 kPa。

3.4 桩端承载力分析

桩端阻力随着桩顶压力的增加而缓慢增长，在试验全过程中，桩端阻力始终维持在桩顶压力的1%±，就发挥承载力作用而言，桩周侧摩阻力起到主要作用，充分体现出摩擦桩的荷载传递形状。由于试桩要作为工程桩使用，未做到极限荷载值，按照设计测算做到13600 kN、9100 kN终止，试验并未测试出桩的极限承载力值，桩端阻力发挥可能远远没有完成。

4 结论

1)单桩轴向压力在桩顶呈现最大，一般为顶压力的60%～80%，随着深度增加，轴向压力近似直线下降，到达桩底时轴向压力最小，最小值接近桩顶压力的1%。同一深度条件下，单桩轴向压力随桩顶压力的增加而增加，增加的幅度随深度的加大而减小，同一桩顶压力条件下，轴向压力随深度的增加而减小，衰减的速度随桩顶压力和深度的增加有加快的趋势。

2)两种桩长的单桩竖向静载试验表现出摩擦桩的明显特征，桩周侧摩阻力的分布总体上反映了地基的力学性能，物理力学指标高的(岩)土层侧摩阻力特征值较大。同时也体现出地基土侧摩阻力发挥过程的特点，沿桩身随着深度增加，一定埋深、一定层位的土层侧摩阻力发挥较好，表现为近桩顶的土层摩阻力发挥充分，近桩底的土层随着极限荷载的临近可逐步有一定发挥，但桩身中部的土层一般很难提供出该类土层具有的极限侧摩阻力。因此，在昆明地区古滇池湖积层、冲积层中，桩周侧摩阻力的分布不但总体上反映地基土的力学性能，即物理力学指标高的土层侧摩阻力特征值较大，而且揭示了各地层由于埋深及与相邻地基土层的力学性能的差异导致了在不同桩顶压力下，各土层侧摩阻力发挥状况各不相同，即使考虑地基土物理力学性能差异及试验的最大荷载，埋深靠近桩顶的土层容易完全发挥。