苏州地区组合后注浆钻孔桩承载特性试验分析

郑 彬，顾德昌，周春全

（1.苏州工业园区建设工程质量检测咨询服务有限公司，江苏 苏州 215024；2.江苏省建筑工程质量检测中心有限公司苏州工业园区分公司，江苏 苏州 215024）

0 引言

在超高层建筑、大跨径桥梁和高速铁路等基础工程中，后注浆技术因其工艺简练、成本低廉与加固效果可靠，已被广泛应用。随着工程应用的逐步推广，后注浆技术的适用对象也逐渐从中小直径、中短桩发展到大直径、超长桩。然而，大直径桩因研究手段受限，完整的现场实测数据偏少，造成对大直径后注浆桩的竖向应力传递及阻力发挥特性缺乏系统的研究，使其分析研究滞后于工程实践［1］。

同时，在桩基工程设计过程中，工程地质勘察报告、工程地质剖面图和基桩所处土层的岩土物理力学性能指标值是非常重要的设计依据。但在实际工作中，受限于地质勘察资料的准确度以及工程场地具体情况等因素，仅依靠常规的工程试桩静载报告提供的信息进行施工图设计，有时会无法全面掌握桩基所处地下各土层的实际力学特性［2］。

基于以上原因，在进行工程试桩单桩竖向静载试验的同时，进行桩身应力追踪测试，能够提供更直观、详细的土层物理力学参数，从而实现对桩基的优化设计。

本文对苏州地区某超高层建筑的大直径组合后注浆钻孔灌注桩工程试桩进行桩身应力测试，通过分析实测数据，得到该工程抗压试桩、抗拔试桩的桩身轴力、桩端阻力、桩身侧摩阻力的分布情况及发挥趋势，并与地质勘察报告的土层力学数据对比，验证桩基所处地下各土层的实际桩端阻力、桩身侧摩阻力情况。

1 桩身应力测试试验过程、目的简述

某超高层建筑的工程试桩采用双套管，用于隔离桩顶设计标高以上无效段的桩侧与土体的接触，以达到直接测试有效桩长范围内的桩基承载力的目的。通过在试桩桩深范围内埋设振弦式钢筋计，测试并计算得到试桩桩身轴力、桩侧各土层分层摩阻力和桩端阻力。

该项目工程试桩共有 4 根，分别为 2 根抗压试桩和 2 根抗拔试桩。根据设计要求，加载均未达到破坏状态，加载至设计要求的最大荷载终止试验。试桩设计参数见如表1 所示。

表1 试桩基本设计参数

由于抗压试桩和抗拔试桩所处的孔位相近，所处的土层分层及厚度也类似，因此抗压试桩和抗拔试桩的钢筋应力计安装层位一致，共 5 个断面，具体如表2 所示。

图1 现场检测图

表2 钢筋应力计安装层位 m

2 抗压桩承载特性试验数据分析

2.1 桩身轴力传递特性分析

在不同分级桩顶抗压荷载作用下，各测试断面的桩身轴力值如表3 所示。桩身轴力沿入土深度的分布情况如图2 所示。

图2 抗压试桩桩身轴力分布图

表3 最大荷载下抗压试桩桩身轴力实测值 kN

从图2 可以看出，桩顶位置的轴向压应力最大。无效段设置双层护筒隔离桩周土，因此桩顶轴向压应力占桩顶荷载 100 %。桩端部的轴向压应力最小，从第 1 级到第 11 级荷载，桩端部轴向压应力占桩顶荷载的比例从 1.30 %、3.20 % 上升到 8.60 %、9.70 %。对于相同的入土深度，轴向压应力随桩顶荷载的增加而增大，增大的幅度随入土深度的加大而逐渐减小。

2.2 桩端阻力分析

桩端阻力与桩身所处土层的性质、长径比、休止期、桩端进入持力层深度等多种因素有关，各种因素又不是单一作用，而是相互影响，较为复杂。其中桩身所处土层的性质和桩端进入持力层的深度是较为重要的因素［3］。

本项目中，不同的分级荷载作用下，桩端阻力占相应桩顶压力的比例如表4 所示。

表4 各级桩顶荷载下抗压试桩端阻力/桩顶压力的发展趋势

从表4 可以看出，随着桩顶压力的增加，桩端阻力/桩顶压力的比例逐渐增加，从一开始的 1.24 %、3.20 % 上升到 8.64 %、9.69 %，也就是说，当桩顶压力达到本次测试最大值时，桩端阻力发挥的比例也达到最大到约 10 %。桩端阻力占比较小，因此属于摩擦桩。

通过分析抗压桩桩端阻力的实测数据可见，在桩顶最大荷载作用下，端阻力为 1 806.1 kPa 和 2 025.1 kPa。对比工程地质勘察报告，⑩1粉质黏土夹粉土层的极限端阻力为 700 kPa，后注浆端阻力增强系数为 2.2。本试桩工程采用后注浆工艺，因此，根据工程地质勘察报告对应的极限端阻力为 1 540 kPa。但实测端阻力比地勘报告的极限端阻力要大，两根桩的桩端阻力约为工程地质勘察报告给出极限值的 117 % 和 132 %，结果可为大直径组合后注浆钻孔灌注桩的竖向承载特性分析提供依据，并为该地区后续桩基设计提供更加充足的试验分析。

2.3 桩侧摩阻力分析

抗压试桩在不同的桩顶荷载压力下，沿不同入土深度，桩身侧摩阻力分布情况如图3 所示。

抗压试桩侧摩阻力发挥趋势如图4 所示。

图4 抗压试桩侧摩阻力发挥图

由图3 和图4 所示，侧摩阻力的发挥和桩顶压力有一定的关系，施加的桩顶荷载越大，则桩身侧摩阻力越大。其中，对于 KYSZ1，断面 2-3 的侧摩阻力发挥的最好，在相同的桩顶荷载压力下侧摩阻力最大，其次是断面 3-4；对于 KYSZ2，在桩顶荷载施加的前半段，断面 2-3 的侧摩阻力发挥的较好，到了桩顶荷载施加的后半段，断面 3-4 的侧摩阻力被激发，超越断面 2-3，成为侧摩阻力最大的断面。

由此可见，对于该地区，断面 2-3 和 3-4 对抗压试桩的侧摩阻力发挥的意义较大。结合工程地质勘察报告，断面 2-3 对应的土层主要是是 ⑥1 粉质黏土、⑥2粉质黏土夹粉土。断面 3-4 对应的土层是⑦2 粘质粉土夹粉质黏土、⑦3 粉质黏土；断面 4-5，对应的土层是 ⑧1 粉质黏土、⑧2 粉质黏土夹粉土。

通过分析抗压桩桩侧阻力的实测数据可见，在桩顶最大荷载作用下，抗压桩侧摩阻力为 9 582.78 kN 和9 472.60 kN，占桩顶荷载总量的 91.26 % 和 90.21 %。根据地质勘察报告中给出的各层土桩侧极限摩阻力和后注浆端阻力增强系数，计算得出，组合后注浆抗压桩桩侧摩阻力极限值为 9 639.80 kN。实测抗压桩桩侧摩阻力最大值与地质勘察报告给出的极限值的比值为 0.99 和 0.94。

3 抗拔桩承载特性试验数据分析

3.1 桩身轴力传递特性分析

在不同分级桩顶抗拔荷载作用下，各测试断面的桩身轴向应力如表5 所示。桩身轴力沿入土深度的分布情况如图5 所示。

表5 抗拔试桩桩身轴力实测值 kN

从图5 可以看出，抗拔桩桩身轴力分布情况与抗压试桩基本一致。因无效段设置双层护筒隔离桩周土，因此桩顶轴向应力占桩顶荷载 100 %。桩端部的轴向应力最小，从第 1 级到第 8 级荷载，桩端部轴向应力占桩顶荷载的比例从 0.29 % 分别上升到 0.40 %、0.52 %，与抗压试桩桩端应力相比，占比较小，这是由于抗压桩桩端部承受一定程度的端阻力所致。在相同的入土深度，轴向应力随桩顶荷载的增加而增大，增大的幅度随入土深度的加大而逐渐减小。

3.2 桩侧摩阻力分析

抗拔试桩在不同的桩顶上拔荷载作用下，沿不同入土深度，绘制抗拔试桩侧阻力沿入土深度的变化，桩身侧摩阻力分布情况如图6 所示。

图6 抗拔试桩侧摩阻力分布图

抗拔试桩桩身侧摩阻力发挥趋势如图7 所示。

图7 抗拔试桩侧摩阻力发挥趋势

由图6 和图7 所示，抗拔试桩侧摩阻力和抗压试桩的发挥规律基本一致。侧摩阻力的发挥和桩顶上拔荷载有一定的关系，施加的桩顶荷载越大，则桩身侧摩阻力越大。对于 KBSZ1 和 KBSZ2，断面 2-3 的侧摩阻力发挥的最好，在相同的桩顶荷载压力下，侧摩阻力最大，其对应的土层主要是是 ⑥1 粉质黏土、⑥2 粉质黏土夹粉土。

不同的是，对于 KBSZ1，随着桩顶施加的上拔荷载增加，断面 4-5 的侧摩阻力上涨较快，在桩顶荷载较大时，已经超越断面 3-4。由此可见，对于该地区的抗拔试桩，断面 2-3 对侧摩阻力的发挥意义最大。

通过分析抗拔桩桩侧阻力的实测数据可见，在桩顶最大荷载作用下，抗拔桩侧摩阻力为 4 915.59 kN 和4 896.51 kN，占桩顶荷载总量的 94.53 % 和 94.16 %，根据地质勘察报告中给出的各层土桩侧极限摩阻力、后注浆端阻力增强系数和抗拔系数，计算得出，抗压桩桩侧摩阻力极限值为 6 747.86 kN。实测抗压桩桩侧摩阻力最大值与地质勘察报告给出的极限值的比值均为 0.73。由于抗压桩和抗拔桩的荷载传递机理有所不同，桩侧摩阻力的特点也有所差异，造成差异的原因也很多［4-6］，以上结果可为后续设计提供依据。

4 结语

本文分别对抗压和抗拔试桩进行受力状态下桩身应力的测试，分析苏州地区大直径组合后注浆钻孔灌注桩的竖向承载特性，得出以下结论。

1）抗压桩和抗拔桩的桩身轴力发挥规律基本一致。桩顶位置的轴力最大，桩端位置的轴力最小。抗压试桩从第 1 级到第 11 级荷载，桩端部轴向压应力占桩顶荷载的比例从 1.30 % 和 3.20 % 分别上升到 8.60 % 和 9.70 %。抗拔试桩从第 1 级到第 8 级荷载，桩端部轴向应力占桩顶荷载的比例从 0.29 % 分别上升到 0.40 % 和 0.52 %，在相同的入土深度，轴向应力随桩顶荷载的增加而增大，增大的幅度随入土深度的加大而逐渐减小。

2）抗压桩和抗拔桩的桩身侧摩阻力发挥规律基本一致。侧摩阻力的发挥和桩顶荷载有一定的关系，施加的桩顶荷载越大，桩身侧摩阻力越大。在桩顶最大荷载作用下，抗压桩侧摩阻力和抗拔桩侧摩阻力分别约占桩顶荷载总量的 91 %、94 %。断面 2-3 和 3-4 对该地区的抗压试桩的侧摩阻力发挥的意义较大，对于该地区的抗拔试桩，断面 2-3 对侧摩阻力的发挥意义最大。

3）对于抗压试桩，随着桩顶压力的增加，桩端阻力/桩顶压力的比例逐渐增加，当桩顶压力达到最大值测试时，桩端阻力发挥的比例也最大，达到约 10 %。桩端阻力占比较小，因此属于摩擦桩。

4）对比实测数据与地质勘察报告数据，抗压桩实测端阻力比地质勘查报告给出的极限端阻力要大，约为工程地质勘察报告给出极限值的 131 %，结果可为设计后续的工程桩设计提供依据。

5）在桩顶最大荷载作用下，实测抗压桩桩侧摩阻力最大值和实测抗拔桩桩侧摩阻力，与地质勘察报告给出的极限计算值的比值分别为 0.94 和 0.73，可为后续设计提供依据。