大直径钻孔灌注桩受力性状试验分析

杨文浩

（上海虹口建设工程质量检测有限公司，上海 200434）

0 引 言

钻孔灌注桩是目前上海地区应用较为广泛的一种桩型，由于其具备较多优势，如无噪声、无振动，对环境影响相对较小，桩径大小可根据设计要求进行调整，在特殊条件下亦可做到变截面等优势。

钻孔灌注桩技术在 20 世纪 50 年代起源于德国，70 年代引入我国后，发展相当迅速，但在工程实践中，钻孔灌注桩的工程质量事故也相对多于打入桩，且施工速度要低于打入桩，但是由于钻孔灌注桩对于地质条件适应性要优于打入桩，因此，一些特大型工程，为了满足承载力及施工条件的要求，一般首选钻孔灌注桩。在今后的工程应用中，钻孔灌注桩的发展方向必然是大直径、变截面、高承载力的趋势，而为了控制基础沉降量，埋置深度也会因地制宜地选择埋置深度深，土性好的地层，因此，对于大长细比、大直径钻孔灌注桩桩土关系及桩身内力的探索日趋重要。

1 现场试验

1.1 工程概况

本工程拟建场地位于上海市虹口区，建设内容包括 2 栋 33 层超高办公塔楼、一栋 7 层商业裙房、1 个 4 层地下室及公建配套设施等。塔楼基础采用钻孔灌注桩，设计桩径Φ850 mm，试桩设计桩长 75.35 m，桩身混凝土强度等级为水下 C40，桩端持力层位于 ⑨ 层粉砂中，设计工程桩桩顶承载力 13 000 kN，预估试桩桩顶最大加载量为 14 600 kN；商业裙房基础采用钻孔灌注桩，试桩设计桩径 Φ800 mm，设计桩长 68 m，桩身混凝土等级为水下 C40，持力层位于 ⑧2层砂质粉土与粉质黏土互层中，设计工程桩桩顶承载力 10 300 kN，预估试桩桩顶最大加载量 9 300 kN。钻孔灌注桩施工工艺均采用反循环泥浆护壁成孔方式，钻孔灌注桩在满足间歇期后，进行桩端后注浆，试桩详细信息如表1 所示。

表1 试桩相关参数一览表

1.2 工程地质情况

拟建场地属于滨海平原地貌类型，场地地基土在勘察深度范围内均为第四系松散沉积物，主要由饱和黏性土、粉性土和砂土组成。拟建场地揭示土层 9 层，共 16 个亚层，②、④、⑤ 层土为 Q4 沉积物，⑦、⑧、⑨ 层土为 Q 3 沉积物。根据场地土层分布情况，拟建场区属于滨海平原区。典型土层的物理力学性质指标如表2 所示，典型工程地质剖面图如图1 所示。

1.3 试验简介

本次试验按照 DGJ 08－218－2003《建筑基桩检测技术规程》有关规定进行，静载荷试验采用 4 根Φ850 mm 的锚桩提供反力，由 6 台 320 t 千斤顶并联加载，桩顶沉降量由精电子位移传感器测读，位移测量平面位于桩顶以下 2 倍 D 的位置，试验根据设计要求承载力分十级加载，每次加载增量为 1 430 kN，第一级荷载取 2 倍的加载值，采用慢速维持荷载法［1］加载，一直加载至工程桩桩顶位置轴力为 13 000 kN 为止。

为确保工程桩桩顶位置加载量为 13 000 kN，每根试桩均在钢筋笼上安装钢筋应力计，应力计安装位置均考虑安装在土层分界处，且钢筋应力计的间隔≤7 m，每个断面安装 3 个应力计，在试桩桩顶下 0.5 m 处安装 4 个应力计，作为标定面，并在相对应的工程桩桩顶位置安装 3 个应力计，测读对应工程桩桩顶位置的轴力，钢筋应力计埋设位置如图2 所示。

测量应力时均在加载至稳定时，采用标定过的频率计测读应变计的读数。

2 试验数据处理

2.1 桩身钢筋混凝土应力-应变关系［2］

根据较多研究表明，钢筋混凝土的轴向应力和应变并非线性，因此，采用有试验实测各级荷载下标定断面的轴向应变编制对应的应力计算表，经回归分析表明，二次方程就可以精确到表达应力应变之间的非线性关系，方程为：

式中：a0、a1、a2为系数；ε为某一荷载下的应变。

表2 典型土层的物理力学性质指标一览表

图1 典型工程地质剖面图（单位：m）

2.2 桩身轴力计算［3］

根据钢筋应力计的实测数据可计算得到某一级荷载作用下i断面钢筋轴力：

式中：K为标定系数，kN/Hz2；Fi为某一荷载级荷载下i断面钢弦振动频率，Hz；F0为钢弦初始振动频率，Hz；B为计算修正值，kN，由仪器标定书提供。

根据预埋钢筋计实测的应变数值，以下列式（3）计算各测量界面的轴力。

式中：Qij为第i截面在第j级荷载下的轴力，kN；A为桩身平均截面积；εij为第i截面在第j级荷载下的轴向应变。

图2 钢筋应力计的埋设位置图

2.3 桩侧平均摩阻力

在试验中，钢筋计被有意识地安装在土层分界位置，因此根据上述的轴力计算值，各土层的平均摩阻力可按式（4）计算。

式中：u为桩身周长，m；Li为第i断面和第i+1断面之间的桩长，m。

2.4 桩端承载力系数

由桩端轴力除以桩端横截面积即可得到桩端承载力系数，如式（5）所示。

式中：Qn为桩端轴向力，kN；A0为桩端面积，m2。

3 静载 Q-s曲线（见图3、图4）

从上述 2 根试桩的Q-s曲线可以看出，当加载到 17 160 kN 时，在相应工程桩桩顶达到 13 000 kN 轴力的条件下，整条Q-s曲线呈现出缓变形的趋势，未出现明显的向下弯折的拐点，桩周地基土和桩身材料均未达到极限状态，在每一级荷载作用下，地基土压缩变形后，均能达到稳定的标准，试桩的Q-s曲线反应了桩身受力和荷载传递特征的宏观表现。

图3 试桩 SA1 Q-s 曲线

图4 试桩 SA3 Q-s 曲线

试桩的桩顶沉降量主要包括桩身压缩量和桩端沉降量，根据试验结果显示，2 根试桩在 17 160 kN 的压力作用下（见表3），桩身和土体共沉降 31.93 mm 和 41.68 mm，而在卸载阶段，桩身材料回弹量在 22.02 mm、27.79 mm左右，土体最终压缩量为 9.91 mm、13.89 mm。

表3 试桩理论和实测极限承载力对比

4 桩身轴力

图5 试桩 SA 1 桩身轴力分布图

图6 试桩 SA 3 桩身轴力分布图

各试桩实测轴力分布如图5、6 所示，根据轴力分布图并结合地质资料，场地浅层分布厚层的软黏性土，其在轴力分布图上的表现形式为在各级荷载作用下，斜率较大，其夹角基本成 90°，而中下部地层相对较好，在每级荷载作用下，桩身轴力图中表现为斜率随着压力的增加而减小，说明该范围内的土层在桩身受压过程中为桩侧提供了较多的侧摩阻力。而桩端附近地基土在每级荷载作用下，其轴力斜率稍有变换，但没有中上部地层所反映的那么明显，其主要因素还是由于上部传递下来的轴力较小，无法使桩周地基土发挥其作用，因此该范围内桩身轴力图没有上部区段明显。

5 桩侧阻力发挥性状分析

拟建场地虽然位于古河道切割区，但场地内地层分布情况较为稳定，2 个试桩桩侧土层仅在深部地层有些差异，SA1 孔深部缺 ⑧1-1层，而 SA3 孔则在深部缺失 ⑧2层，其余地层基本一致。从 2 根试桩的桩身轴力分布图可看出，在桩顶施加压力后，压力沿桩身轴线方向向下传递，且受到土阻力的影响，压力逐渐减小，随着荷载的增加，上部土层在超过其可提供的摩阻力时，并传递至桩端由桩端地基土承担最后的压力。该过程是个异步过程。

表4 试桩在最大加载量下桩侧阻力与桩端阻力一览表

根据表4 试桩在最大加载量下桩侧阻力与桩端阻力一览表可以看出，整个试桩在受力过程中，桩身上部在整个桩身侧阻力中发挥极小部分，仅占 15 % 左右，其余部分则由桩身中下部承担，这与场地的地质发育情况基本一致，根据本场地的地质报告揭示，场地 20 m 以浅分布厚层的 ④ 层、⑤1层软弱黏性土，其强度低，土性软弱，上述土层的摩阻力极易发挥到峰值，且从桩身轴力分布图中可以发现，在压力达到 7 150 kN 后，其轴线斜率不再减小，可以说明在此压力作用下，上述土层已达到其最大承载力，在其后的加载过程中，剩余的桩侧阻力主要由中下部土层承担。

而场地中下部发育的厚层 ⑤2层粉性土，其土性较好，可提供承载力较高，在整个受力过程中，SA1 桩显示其占比高达 56.26 %，而 SA3 桩也达到 39.6 %，而下部 ⑦ 层粉性土层，土性好，可提供的侧阻力较高，SA1 桩显示其占比为 13.26 %，而 SA3 桩为 17.68 %，上述 2 层地基土为整个桩侧提供了过半的侧摩阻力。在桩身轴力分布图中上述 2 层土的主要表现在其斜率一直随着压力的增加而减小。

6 桩端阻力发挥性状分析

本项目试桩桩长 75.35 m，桩径 Φ850 mm，长细比为 88.6 %，从试桩桩侧阻力与桩端阻力一览表可以发现，桩端阻力在整个受力体系中仅占 3.38 %～8.47 %，其余均由侧阻力承担，为典型的摩擦型桩，而且该试桩的长细比较大，根据参考资料［5］的研究发现，随着长径比L/D增加，桩端承力存在减小的规律。因此，本工程试桩虽然在 17 160 kN 的压力作用下，传递到桩端的压力还是有限的。

另外本项目选择压缩性较小的砂性土作为桩基持力层，且通过桩端后注浆工艺，使其有效地控制了桩端沉降量，在试验最大力作用下，其桩土沉降为 31.93 mm 和 41.68 mm，而卸载后扣除桩身回弹，土体最终压缩量仅为 9.91 mm、13.89 mm，而根据本项目岩土工程勘察报告显示，试算沉降量为 30 mm 左右，试验结果说明桩端后注浆工艺不仅可以提高承载力，亦可有效控制桩的沉降量。

7 结 论

通过研究埋有钢筋应力计的钻孔灌注桩的静载荷试验得出如下结论。

1）试桩的实际承载力都比按静力经验公式计算所得结果要高，钻孔灌注桩经后注浆处理后，实测值比按静力经验公式的计算值至少提高 65 %。

2）钻孔灌注桩桩侧土阻力发挥规律：桩侧土层自上部发挥其摩阻力，随着荷载向下传递，下部土层的摩阻力滞后于上部土层，并逐渐发挥出来，桩侧土阻力的发挥是个异步的过程。

3）上海地区钻孔灌注桩的长细比普遍较大，随着上部荷载水平的提高，端阻才逐渐发挥，但其所占的比例在整个受力体系中相对较小，且端阻力随长径比 L/D 的增加而逐渐减小。

4）采用桩端后注浆工艺，可以有效地控制桩身沉降量。