高回填地基自支护变径旋挖桩竖向承载性状现场试验研究

刘习前，张 瑜*，刘启胤，黄 平，赵亚强，梁 勇，雷 强，杨 强，丁选明

（1.重庆建工住宅建设有限公司，重庆 400015；2.重庆大学 土木工程学院，重庆 400045）

0 引 言

近年来，重庆作为新一线城市，其城市化进程飞速发展，常规建筑用地尤为紧张，选择高回填场地作为建筑物地基的案例越来越多。这些场地通常回填埋深较大，原始形态为冲沟；填筑方式多为抛填，压实度低；回填物大多是生活垃圾及山体爆破后的碎石，结构松散，颗粒级配较差[1-4]。

针对类似复杂地基，工程研究人员开展了多种类型桩体的承载力特性、荷载传递机制及施工工艺的试验研究[5-6]。李成芳等[7]研究分析了重庆市高填方地基的工程特性，并结合具体工程案例，针对性的提出了旋挖成孔灌注工艺，介绍了工艺的施工方法及其特点，对其技术难题提出了解决措施，并讨论了该工艺下旋挖桩的成桩效果及其优势。但同时提出该工艺还在起步阶段，仍存在不少亟待解决的问题。随后，赵伟等[8]从深圳沿海地区复杂地层下旋挖桩的工程应用实例出发，介绍了该地区复杂地层桩基旋挖钻孔施工难题，详细阐述了旋挖钻孔施工的关键技术，验证了钻孔工艺及其参数的合理性，为旋挖桩施工提供了较成熟的技术方案。此外，工程研究人员针对复杂地基，还提出了一种承载特性优势显著的桩体，即变径桩，并对其受力机制进行了研究[9-12]。易耀林等[13]针对多层软弱地基提出了变径搅拌桩加固工艺，结合现场试验介绍了变径搅拌桩的施工及质量检测方法，并对该桩体开展了单桩载荷试验，研究了变径搅拌桩的单桩承载力特性，阐明了该类型桩体相较于常规搅拌桩在承载力方面的优越性，并进一步确定了变径搅拌桩的单桩极限承载力计算方法。方焘等[14]开展了室内大型模型试验，对大直径变截面单桩的竖向承载性能和破坏模式与机制进行了研究分析，从而得出了桩体变截面对其承载力影响因素，并对变截面桩的承载力计算方法进行了改进。

旋挖钻孔工艺与变径桩技术各有其独特的优势，针对高回填等复杂地基可以考虑在实际工程中同时应用。但对于变径旋挖桩的研究相对较少，其承载力特性、荷载传递机理及桩身内力分布等尚未明确，需要进一步进行研究分析。

目前分段变径自支护旋挖桩施工技术已在重庆两江新区金科照母山项目B5-1/05地块二标段得到了应用，本文进一步依托重庆市巴南地区某现场建筑高回填地基，开展自支护变径旋挖桩单桩竖向抗压静载试验和桩身内力测试，分析了高回填地基下自支护变径旋挖桩的单桩竖向承载力特性与荷载传递机理，获得了其桩身轴力及侧摩阻力的分布规律，为高回填地基变径旋挖桩的应用提供参考依据。

1 现场试验概况

1.1 工程概况

试验场地位于重庆市巴南区鱼洞高职城大道附近，原始地貌为构造剥蚀丘陵，内分布有素填土层、粉质土层，下伏基岩。场地内素填土层厚度变化较大，结构松散，均匀性差；粉质黏土层厚度变化大，局部区域存在少量泥岩碎屑，均匀性较差。场区下伏基岩主要为砂岩及泥岩，变异系数较小，变异性较低，岩体较完整，均匀性较好。场地岩土层具体物理力学参数如表1和表2所示。

表1 场地土层物理力学参数Table 1 Physical and mechanical parameters of soil layers

表2 场地基岩岩体参数Table 2 Parameters of bedrocks

1.2 试验桩基

试验桩基采用机械旋挖成孔桩，每5 m变径，试验桩长度为 10 m，0～5 m 直径为 1.2 m，5～10 m直径为0.8 m，试验桩均为端承摩擦桩，桩身混凝土强度等级为C30。桩体内部安置有混凝土应变计，应变计安装位置以及桩体整体示意图如图 1所示。

图1 桩体示意图Fig.1 Test piles

1.3 试验设备

采用静载试验，试验过程中加荷、监测以及数据采集所用到的主要大型设备概况如表3所示。

表3 主要设备概况Table 3 Main equipment

1.4 试验过程

试验桩侧预先浇筑锚桩，用于固定反力梁，提供荷载反力，采用慢速维持荷载法，静载试验采用液压千斤顶加荷，荷载反力由锚桩提供。桩体沉降由4只对称电子百分表测量，测表支架点安置在不受扰动影响的位置。试验桩加载按《建筑基桩检测技术规范》（JGJ 106—2014）[15]的标准进行。试验前在试压表面用粗砂找平，其厚度不超过20 mm。放上承压板，安装设备并加载。每级加载量为设计单桩承载力特征值2倍的1/10，第一级按2倍分级荷载加载。每级荷载施加后第 5、15、30、45、60 min观测1次读数，以后每30 min测读1次。当每1 h的沉降不超过0.1 mm，并连续出现2次（由1.5 h内连续3次观测值计算），认为已达到相对稳定，可加下一级荷载。卸载时，每级荷载维持1 h，按第15、30、60 min测读桩顶沉降量后，即可卸下一级荷载。卸载至0后，测量桩顶残余沉降量，维持时间为3 h，测读时间为第15、30 min，以后每隔30 min测读1次，图2为试验现场测试图。

图2 现场试验测试图Fig.2 Picture of field load system layout

2 试验结果与分析

2.1 荷载-位移曲线分析

图3所示为试验桩沉降变化规律。试验桩的荷载-位移曲线在荷载为0到4 800 kN时呈缓慢线性发展，近似为直线段。在荷载为4 800 kN时出现了第一个陡降段，在荷载为6 000 kN时出现了第二个陡降段，在4 800 kN到7 200 kN之间为曲线段。当荷载达到6 000 kN之后，呈急剧下滑态势，近似为斜直线变形段。曲线整体未呈线性发展，出现了陡降段，表现出了轻微的极限破坏特征。当荷载从6 000 kN上升到7 200 kN时，桩身的侧阻力已达极限，同时桩端阻力开始发挥作用。此后，增加的荷载几乎全由端阻力承担，短时间内端阻力超过了桩端岩土的极限承载力，桩端岩土迅速被压实，桩顶位移较之前显著增大，使得荷载-位移曲线急剧下滑。当加载至12 000 kN时，桩体内钢筋断裂，终止加载，取前一级10 800 kN作为极限荷载，所对应的沉降量为3.67 mm，由此可得出试桩1的承载力特征值为5 400 kN。荷载加载至12 000 kN时，试桩1的累计沉降量为4.72 mm，卸载后残余沉降量为2.49 mm，最大回弹量为2.23 mm，回弹率仅为47.2%，说明桩端岩土（如沉渣）产生了较大的塑性压缩变形不能回弹。图3（b）所示为桩顶沉降随时间的变化规律，结果表明，当荷载未超过7 200 kN时，对应的s-lgt曲线（s即为桩体沉降）整体上来讲还是较为平缓，当荷载超过7 200 kN时，沉降随时间增长有较为明显的增大。

图3 试验桩沉降变化规律Fig.3 Settlement of the test pile

2.2 桩身轴力分析

桩身轴力测试基于以下假定：桩体在非变径段均为等截面桩，桩径不变，认为桩体材料均呈线弹性，并按下式计算各断面处的桩身轴力：

式中：Qi为桩身第i断面处轴力；为第i断面处应变平均值；Ei为第i断面处桩身材料弹性模量；Ai为第i断面处桩身截面面积。

图4所示为桩身轴力沿深度分布规律。试验桩在深度0～4.75 m范围内，轴力曲线大致呈直线分布，沿深度衰减较小，轴力与施加的荷载差别不大。在深度4.75～5.25 m范围内，桩身轴力有了明显的衰减，而试桩直径在深度为5 m处由1.2 m减小至0.8 m，由此可见在变截面处，桩体轴力有较为明显的改变，这可能是由于变截面处，桩体截面面积较小部位的土体一部分已经开始发挥端阻力的作用，从而较大的降低了桩体轴力。在5.25～7 m深度范围内，轴力也有一定程度的衰减，但衰减幅度较小。在 7～8.5 m 深度范围内，桩身轴力有了明显的衰减，尤其靠近桩端处，说明较深处侧摩阻力有了较为充分的发挥，也体现了端承摩擦桩所具有的特点。且从试验桩的轴力分布图可以看出，在 7～8.5 m深度范围内，随着荷载的增大，轴力曲线衰减幅度越大，说明侧摩阻力发挥的强度与桩体沉降之间存在着正比例的关系，桩体沉降越大，侧摩阻力被调动的越充分，所承担荷载的比例也不断增大。

图4 桩身轴力分布规律Fig.4 Distribution of axial force along depth

从荷载传递特点中可以发现，桩侧摩阻力和桩端阻力的作用存在先后顺序，不同阶段两者发挥作用的比例也不同。

2.3 桩身侧摩阻力分析

桩侧土的分层侧阻力应按下列公式计算：

式中：qsi为桩第i断面与i+1断面间侧阻力；i为桩检测断面顺序号，i=1，2，……，n，并自桩顶以下从小到大排列；u为桩身周长；li为第i断面与第i+1断面之间的桩长。

桩身第i断面处的钢筋应力应按下式计算：

式中：σsi为桩身第i断面处的钢筋应力；Es为钢筋弹性模量；εsi为桩身第i断面处的钢筋应变。

图5所示为各级荷载下桩侧摩阻力随深度分布规律。试验桩1在0～3 m深度范围内侧阻力近似为0，在3～4.75 m以及5.25～7 m范围内侧摩阻力也较小，说明该范围内侧阻力还远远未发挥。而在变截面处以及靠近桩端部位桩侧摩阻力较大。靠近变截面处桩侧摩阻力较大的原因可能是变截面土体端阻力的原因，而靠近桩端处桩侧摩阻力较大是由于试验桩为嵌岩桩，达到一定深度后，桩侧岩石阻力发挥了较大作用，因此桩侧摩阻力较大。

图5所示的桩侧摩阻力变化进一步证实了这一最佳深度范围的存在。并且这个最佳深度和土层性质、桩体截面积影响因素有关。试桩在 0～4.75 m处由于土层软弱、地应力水平低，即使有较大的桩-土相对位移，侧摩阻力依然较低；而在靠近桩端处，由于较大的桩侧岩石阻力，侧摩阻力随荷载等级迅速增加。

图5 桩身侧摩阻力分布规律Fig.5 Distribution of side resistance along depth

3 结 论

基于现场试验开展了高回填地基下变径旋挖桩的静载试验及桩身内力测试，获得了桩体沉降、桩身轴力及侧摩阻力的现场实测数据，为今后进一步深入研究变径旋挖桩的承载特性及荷载传递机理提供了重要的工程参考。主要结论有：

（1）对比短变径桩，相同荷载下长变径桩的沉降较小，但荷载达到一定程度时，长变直径桩内部钢筋先发生断裂，混凝土发生破裂，达到桩体极限承载力。当荷载超过极限承载力特征值一定范围时，随着时间的增加，可以观察到位移存在有明显的下降区段。

（2）在桩体变截面处，桩体轴力有较大明显的改变，这可能是由于变截面处桩体截面面积较小部位的土体一部分已经开始发挥端阻力的作用，从而较大的降低了桩体轴力。

（3）桩侧阻力发挥的程度与桩体沉降之间存在着正比例的关系，桩体沉降越大，侧阻力被调动的越充分，所承担荷载的比例也不断增加；在桩体变截面位置，桩体侧摩阻力较大，这可能由于变截面处土体端阻力发挥了较大的作用，被作为桩体侧摩阻力的一部分。

（4）桩侧阻力存在最佳发挥区段，并且这个最佳深度和土层性质、桩体截面积影响因素有关。因此在桩基设计中一味地增加桩长，并不是满足承载力的最佳方案。