砂岩厚填土区灌注桩成孔质量和承载特性试验研究

崔伟，李结全

（1.安徽省建筑科学研究设计院，安徽 合肥 230031；2.绿色建筑与装配式建造安徽省重点实验室，安徽 合肥 230031；3.广西瑞宇建筑科技有限公司，广西 南宁 530031）

0 前言

目前关于桩身内力与土的性质、土层分布及埋深之间关系的认识与理解主要是从大量预制打入桩的工程实际经验与试桩测试资料中总结得到的。预制打入桩是人们最早采用的桩型，不仅在工程中应用最广泛，且对其研究也较为透彻[1]，而人们对冲（钻）孔灌注桩的桩身内力试验资料较为缺乏，使得在设计该类桩型时不得不沿用在打入桩中获得的某些经验关系，实际上冲（钻）孔桩的桩侧摩阻力的发挥以及荷载传递特性受施工和场地条件的影响较大[2]，填土场地一般成分复杂、粒径差异大，成孔质量较难控制，桩径变异大，以往认为孔壁形状凹凸不平的桩比孔壁形状平直、光滑的桩具有更高的承载力[3]，而关于其对桩身内力及荷载传递性状的影响却很少提及，本文以广西钦州港大型炼油项目装置区桩基试验工程为背景，对其静载试验结果进行了分析，尤其是选择了强夯处理的砂岩厚填土场区内采用后压浆处理的冲孔灌注嵌岩桩，讨论了孔径变化对于强夯处理的砂岩厚填土区冲孔灌注桩的极限承载力及桩土荷载传递性状的影响规律。

1 工程地质概况

某工程场地的2根静载试验桩(1#、2#)的桩径均为0.8 m，桩长12.0m，主筋为12Φ18 mm的冲孔灌注桩，桩身混凝土C25，并在桩端附近采用后压浆。两根桩穿越土层状况相同，其所处场地原为低矮丘陵，属海蚀丘陵地貌，经挖填平整后，场地开阔平坦。根据勘察揭露，场地各地基土层分布及物理力学性质指标见表1。

地基土物理力学性质指标平均值汇总表 表1

对于场地中的①素填土与②粉质粘土层，采用重锤夯实法进行处理。通过对1#与2#桩的桩身内力试验，进行砂岩厚填土场地后压浆灌注桩的桩土荷载传递性状的研究。

根据各试桩所处实际的土层情况及桩身荷载传递机理，在每根桩所处土层的分界点附近及各土层中均适量布置钢筋应力量测断面，为保证测试结果的可靠性，每个量测断面对称布置两个钢筋应力测点，如图1所示，本试验的2根试桩均分别布置了5个截面10个振弦式钢筋应力计。

图1 1#与2#桩所处地层示意及应力计布置图

2 试验方案

①在桩基成孔之后，吊放钢筋笼之前，进行成孔质量检测，包括孔径、孔斜、孔深及孔底沉渣测量4个部分。

②在静载荷试验之前，将振弦式频率测定仪与各钢筋应力计的电缆连接上并读初读数。

③静载荷试验加载按分级进行，采用逐级等量加载，各桩的桩身内力测试与之同步，在静载试验的每级试验荷载作用下，每隔一定时间采集桩身应力数据一次。

④以此类推，直至桩的位移量达到相对稳定，即完成该级荷载作用下桩身应力的测试，本试验在每级荷载作用下每个应力计测读4次，其中有1次是施加下一级荷载之前测读。

⑤试验按以上步骤依次进行，直至试桩达到极限破坏。

3 试验及计算结果

3.1 试验结果

本次试验采用慢速维持荷载法，加载采用压重平台反力装置，用2只500型千斤顶并联加载，自动加载与观测系统测读每级桩顶沉降，加载增量为1200kN。压浆后桩的破坏型式一般为缓变型破坏[4]，本次静载试验荷载—沉降关系曲线如图2所示，两桩的Q～s曲线也均呈缓变型下降。因此可按照规范分别取40mm对应荷载值3516 kN与4400kN作为1#桩与2#桩的单桩竖向抗压极限承载力值，同样的地层条件却出现了2#桩极限承载力比1#桩高25%。本文后面将分析出现这种差异的原因。

图2 荷载沉降关系图

桩径测试结果如图3所示，从图3可以看出，除了由于技术原因，桩顶2m附近的孔径未测得外，2根试验桩的桩径随深度呈不规则变化，桩土截面很不规整，2根桩均出现了扩径的现象，2#桩在中部2次出现了缩颈现象，2根桩在桩端3m附近均出现较大规模的扩径。这主要由于厚达9.3m的砂页岩填土岩性杂乱，颗粒大小悬殊，呈松散状态，泥浆护壁效果不理想，成孔质量较难控制，从而在成孔过程中产生塌孔，甚至产生扩径或缩颈的现象，这对桩土荷载传递性状影响很大。

图3 各桩孔径变化图

3.2 计算结果

桩身轴力由布设于各断面的钢筋应力计的振动频率按式(1)换算获得。2试桩的轴力Nz分布如图4所示。

图4 各试桩桩身轴力随深度变化图

由图4可以看出，2根试验桩在荷载较小时，轴力总体上随深度呈减小趋势，在桩顶荷载小于1200kN时，2桩桩顶1m附近轴力衰减非常快，并且衰减速率随荷载增大而增大，1#桩的1.0m～6.3m深度处的轴力几乎未衰减，而在6.3m～8.2m深度的轴力出现了衰减，而8.2m以下的轴力几乎未变，结合图3的1#桩的孔径图，除了桩顶2m附近未测出，在1.0m～6.3m深度，孔径随深度呈逐渐增大的“正八字形”，这种孔径变化极不利于桩侧摩阻力的发挥，所以此段轴力未衰减，相反地，1#桩在6.3m～8.2m深度的孔径随深度呈逐渐减小的“倒八字形”，这种孔径变化有利于桩身荷载向桩周土中传递，所以此段轴力在荷载较小时轴力就开始衰减；随着荷载增大至1600kN以后，桩顶附近1m轴力衰减更加迅速，而1.0m～6.3m桩段也开始了轴力的轻微衰减，6.3m～8.2m桩段的轴力衰减依然很明显，而在8.2 m以下桩段，却出现了轴力增加现象，而且轴力增大速率随着荷载的增大而增大，这主要是由此段出现了负摩阻力造成的。再看2#桩的2.0～4.0m段，虽然桩径较为垂直规整，但是其下段是扩径段，从2#桩的轴力图可以看出，在荷载较小时其下段扩径段的轴力衰减是先于上部的桩径规整段发生的，这就说明，下段扩径段的阻力(包括扩径端阻力与摩阻力)是先于上部桩径规整段的摩阻力发挥作用的。

相邻两断面间桩侧摩阻力由公式（2）计算而得。

图5 各试桩桩侧摩阻力分布图

从图5可以看出，2桩桩周土的侧阻均呈不对称双峰态[5]，且荷载越大，这种形态越明显，峰值意味着较大的桩侧土阻力，而谷值则说明土层的侧阻作用较小。第一个较大的峰值出现在桩顶1 m附近，1#桩的这个峰值在加载到3600 kN时达到最大为530 kN，加载至4000 kN时，减小到450 kN，而2#桩的这个峰值一直加载到4400 kN时为800 kN，仍未达到极限，远远大于1#桩的此段侧摩阻力，这也是2#桩的极限承载力高于1#桩20%的一个重要原因，造成这种摩阻力差异的原因可能是2#桩在灌注混凝土时桩顶附近出现了比1#大得多的桩径扩大段，而且地表附近强夯处理效果较好，从而扩大段下斜面承担阻力的能力比1#桩要强得多。第二个较小的峰值两根桩不是出现在同一个位置，1#桩出现在8.2 m处，而2#桩出现在6.3 m处，造成这种差异的原因是1#桩在8.2 m处为扩径端的下斜面，而在2#桩6.3 m处就已经是扩径端的下斜面，而这种扩径端的下斜面非常利于广义的桩侧摩阻力的发挥。值得注意的是，在2根桩的桩端0.8 m附近，出现了－10kPa～－60kPa的负摩阻力，并且随着荷载增大而增大，这是由于上层厚回填土呈松散欠固结状态，虽经过强夯处理，但对较深处处理效果有限，加之上部正好为扩径段下斜面，下斜面对土体产生的压力与自身重力共同作用，使得土体产生压缩与沉降，而桩下部支承于坚硬的砂岩上，桩的位移小于土体的沉降，从而产生负摩阻力[6]，并随着荷载加大，上部扩径段下斜面对土体压力越大，造成负摩阻力也随之增大。

4 分析与讨论

4.1 各层地基土侧阻力变化情况

图6为两桩各层地基土侧阻力随桩顶荷载的变化曲线。

图6 各层地基土侧阻力随桩顶荷载的变化曲线

从图6可以得出几点规律：①0.0～-1.0 m砂岩填土层地基土在单桩达到极限承载力之前一直发挥着较大的侧阻力，1#桩在达到极限承载力时，此段地基土侧阻力也达极值为530kPa，2#桩此段地基土一直未达极值，最高达863kPa，需要说明的是，这里的侧阻力应为扩径段端阻力与桩侧摩阻力之和，因此远大于规范中填土的极限侧阻力值；②中部-1.0～-8.2m的砂岩填土层地基土侧阻力随桩顶荷载的增加均表现为单调递增的特征，即侧阻力随桩顶荷载的增加而不断增大，在最大桩顶荷载作用下也还没有达到明显的峰值；③1#桩的-6.3～-8.2m砂岩填土侧阻力先于上部-1.0～-6.3m土侧阻力的发挥，由于此侧阻力值一直未达峰值，因此其上部-1.0～-6.3m土层侧阻力未达到充分发挥，所以图中的此段侧阻力值自始至终都高于-1.0～-6.3m土侧阻力值，造成这种现象的原因主要是-6.3～-8.2m处为桩扩径段的下斜面，有利于侧阻力的发挥，而其上部-1.0～-6.3m处为桩扩径段的上斜面，不利于侧阻力的发挥，同样2#桩的-6.3～-8.2m处也为扩径段的下斜面，因此此段桩侧阻力先于上部发挥，当桩顶荷载达1200kN时，此段桩侧阻力达峰值，当桩顶荷载继续增大时，此段桩侧阻力降低转化为残余侧阻力，而其上部的-4.3～-6.3m处桩侧摩阻力开始发挥作用，其值由44kPa增加到98kPa；④2桩桩端0.8m嵌入全风化砂岩，但是两桩在-8.2～-11.5m处的侧阻力自始至终发挥均不理想，1#桩的侧阻力始终为负值，最大负阻力值达到-63.9kPa，2#桩最大侧阻力35.1kPa,最大负阻力为-16.7kPa,由于桩径曲线变化较大，桩顶荷载主要由桩在砂岩填土层中的侧阻力承担，因此传递到嵌砂岩段荷载较小，加之2桩位于嵌岩段的桩径成“正八字形”，不利于侧阻力的发挥，故2桩此段侧阻力自始至终发挥较小，而2桩桩径曲线变化趋势不同，也造成了两桩此段侧阻力值的差异。

4.2 桩顶荷载的分担

图7表示两试桩桩顶荷载的分担比例。

图7 各试桩桩顶荷载的分担比例

桩顶荷载主要由桩端阻力与桩侧摩阻力共同分担，由于场地上层为厚达9.3m的砂岩厚填土层，设计桩基础时以砂岩层作为持力层，桩顶荷载主要依靠桩端端承力来分担，但是从图7可以看出，1#桩桩顶荷载达到极限承载力之前，桩端阻力只达到桩顶荷载的25%～38%，达到极限承载力3516kN时，仅为38%；而2#桩桩顶荷载达到极限承载力之前，桩端阻力只达到桩顶荷载的10%～20%，达到极限承载力4400kN时，仅为20%。可见对于强夯处理的砂岩厚填土区的嵌岩桩，由于其孔径变化较大，桩侧阻力的贡献相当可观，使得桩侧阻力占桩顶荷载的比例一般大于60%，并且对于相同场地的桩径变化不同的桩，其桩顶荷载的分担也有较大差异。可见，冲孔嵌岩灌注桩和钻孔嵌岩灌注桩一样，可按端承摩擦桩进行设计[7]。

5 结语

本文通过对砂岩厚填土区的2根竖向抗压试验桩桩身内力试验，分析了在桩端附近采用后压浆处理的冲孔嵌砂岩灌注桩在竖向荷载作用下的工作性状，获得以下结论：

①沿海砂岩厚填土强夯场地内回填土层成分复杂、粒径差异大，冲孔灌注桩采用泥浆护壁效果不理想，易造成桩孔形态多变，建议加强成孔质量控制；

②砂岩厚填土区后压浆冲孔嵌岩灌注桩静载试验Q-s曲线特征为缓变型，其极限承载力的确定以位移控制；

③桩径多变使得桩身轴力与桩侧摩阻力分布不规则，下部扩径处端阻力先于上部规整桩段侧摩阻力发挥，相同地层条件的单桩极限承载力差距能达到25%，建议在进行工程桩设计中引起足够重视；

④砂岩厚回填土呈欠固结状态，在上部扩径端下斜面的压力与自身重力共同作用下，土体产生压缩与沉降，而桩下部支承于坚硬的砂岩上，桩的位移小于土体的沉降，从而在桩端附近产生负阻力，因此在进行此类嵌岩桩设计时，应充分考虑桩端负阻力的影响；

⑤从桩顶荷载的分担看出，强夯处理砂岩厚填土场地嵌砂岩桩在达到极限承载力时，桩侧阻力占桩顶荷载的比例一般大于60%，而桩端阻力占桩顶荷载的比例一般小于40%，桩侧阻力的贡献相当可观，在以后工程设计中应充分考虑。