深厚軟土中大直徑灌注擴底樁受力性狀試驗研究

胡慶紅   張土喬   謝新宇

浙江大學　浙江杭州　310027

引言

    近幾年來，隨著高層、超高層建筑、大跨橋梁等的大量建設(shè)，建(構(gòu))筑物對樁基礎(chǔ)的承載力要求越來越高。特別在我國東南沿海地區(qū)，由于覆有深厚的軟土層，這就使得大直徑灌注樁及擴底樁成為軟土地區(qū)該類建(構(gòu))筑物的常用基礎(chǔ)形式。因軟土地區(qū)在大直徑灌注樁的施工等方面存在一定的困難，故而一方面不斷探索新的工藝及新樁型，另一方面樁也向大直徑深長樁發(fā)展。一般地，某一工程的樁基礎(chǔ)型式可有多種選擇，考慮到大直徑灌注樁具有單樁承載力高、經(jīng)濟效益好、無噪聲公害等優(yōu)點，在高層建筑或柱荷載較大，工程地質(zhì)條件合適時常作為基礎(chǔ)工程方案的首選。

    目前，雖然大直徑灌注樁及擴底樁得到了大量應用，對大直徑灌注擴底樁(墩)也進行了大量的研究,但研究的擴底樁的樁長大都較短，大多是人工挖孔擴底樁；對大直徑灌注深長擴底樁研究較少，其荷載傳遞機理還不是很清楚，且根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定的常規(guī)樁標準進行大直徑灌注深長擴底樁的設(shè)計施工與實際測試結(jié)果有較大差別，還存在欠合理之處。因此，研究軟土中的大直徑深長灌注擴底樁的荷載傳遞機理，既是樁基理論自身發(fā)展的需要，也是工程界的迫切要求。本文通過對軟土中的大直徑深長灌注樁及擴底樁的現(xiàn)場靜荷載試驗結(jié)果進行分析，研究大直徑灌注擴底樁的荷載傳遞機理及豎向承載力。

1、工程概況及地質(zhì)條件

    試驗場地l位于浙江省德清縣韶塘公路旁(里程號K29+615)，距勾里約1公里，場地為一水稻田。打樁前對試驗場地l進行了雙橋靜力觸探補勘，靜力觸探試驗結(jié)果如表l所示。該試驗場地共打設(shè)3根直徑1200mm的試樁，實際試驗樁長為48.0m(樁頂標高一1.5m，樁端標高一49.5m)，其中一根為鉆孔灌注樁(SZl)，其余兩根為AM工法旋挖擴底樁(SZ2，SZ3)，設(shè)計擴底直徑為l900mm，其具體設(shè)計指標見表3。試驗場地2位于上海松江泗涇高新技術(shù)開發(fā)區(qū)，打樁前對試驗場地2進行了靜力觸探勘察，試驗成果如表2所示，該場地打設(shè)了2根直徑1000 mm的試樁，其中一根鉆孔灌注樁(SZ4)，樁長36.5m，一根為AM工法旋挖擴底樁(SZ5)，樁長37.7m，設(shè)計擴底直徑1800mm，具體指標見表3，AM工法擴底樁形狀示意圖如圖1所示。

1 AM工法擴底樁示意圖

表1場地l土體靜力觸探試驗成果表

注：qc表示端阻力，fs表示側(cè)摩阻力

表2場地2土體靜力觸探試驗成果表

    注：孔口絕對標高為2.91m

    試驗場地打樁后，采用全自動數(shù)字型成孔質(zhì)量檢測儀(ADDI)對試樁的成孔質(zhì)量進行了檢測，測得的實際平均樁徑及擴底直徑如表3所示。采用AM工法進行施工的灌注樁的直徑及擴底直徑都不小于設(shè)計值。下述分析時采用的數(shù)據(jù)皆為實測值。

表3試樁參數(shù)表

    為研究豎向荷載的傳遞機理及分析其豎向承載能力，在樁身埋設(shè)了鋼筋計，鋼筋計的埋設(shè)數(shù)量和深度依據(jù)鉆孔柱狀圖及靜力觸探劃分的土層，在土層分層處埋設(shè)鋼筋應力計。同一斷面埋設(shè)3個鋼筋應力計，縱向上各斷面的鋼筋計對焊在鋼筋籠的三根主筋上；在場地1中，遇到土層較厚(3m以上)時，在該土層中間位置再埋設(shè)一個斷面的鋼筋應力計，共埋設(shè)鋼筋計l3組。場地2中，鋼筋計共埋設(shè)5組。靜載試驗利用堆載一反力架裝置，采用慢速維持荷載法加載。在每級加載時，觀測樁頂沉降和各斷面應力。

2、大直徑灌注樁荷載受力性狀分析

    2.1Q -s曲線分析

    樁的Q -s曲線，即樁頂（端）的荷載—沉降曲線，是樁受力和荷載傳遞特征的宏觀反映，研究樁在各級荷載作用下樁頂沉降便于揭示樁的受力機理。圖2～3分別為場地l中的3根試樁(SZl～SZ3)及場地2中的2根試樁(SZ4～SZ5)的靜載試驗數(shù)據(jù)整理成的Q -s曲線。

圖2試樁Q-s曲線(SZl—SZ3)

圖3試樁Q-S曲線(SZ4一SZ5)

    從圖2可看出，試樁SZl、SZ3的Q—s曲線在荷載較小時變化較為平緩，而隨著荷載的增大，其沉降增量有較為明顯的增大，至終止荷載時，樁頂迅速下沉，破壞性狀明顯。試樁SZ2的Q-s曲線在荷載較小時變化也較平緩，而隨著荷載的增大時沉降增量有較為明顯的增大，并出現(xiàn)臺階，在加載至12000kN時，樁頂沉降由13.68mm增加至31.99mm，是上一級荷載10500kN的本級沉降量的3倍，且持續(xù)7.5小時才達到穩(wěn)定，而加載至l3000kN時，其樁頂沉降僅增至35.58mm，其后至終止荷載前的各級荷載下的沉降都達到穩(wěn)定標準，這說明試樁SZ2在12000kN時，樁身摩阻力已經(jīng)達到極限，也說明擴底部分存在樁端沉渣，在壓實樁端沉渣后，其Q—s曲線仍具有緩變趨勢，隨著荷載水平的提高，其沉降增量開始由小增大，直至終止荷載，在每級荷載作用下沉降增量的增幅都不大，至終止荷載17250kN時的沉降為76.51mm，這說明此時應按控制樁頂變形的原則來確定樁的承載力。

    從圖3可看出，試樁SZ4的Q-s曲線在荷載較小時變化較平緩，但荷載達到極限荷載后，樁頂急速下沉，破壞性狀明顯，而試樁SZ5的Q-s曲線變化較平緩，且不存在明顯的拐點，每級加載下樁頂沉降增量也不太大，至終止荷載l0875kN時，其樁頂沉降為120.45mm。

    對比圖2中試樁SZl、SZ2、SZ3的Q—s曲線可看出，前期加荷過程中曲線基本都呈線性增長，但等直徑樁與擴底樁的增長速率是不同的，同等沉降量條件下擴底樁承載能力約為等直徑樁承載能力的1.5～1.8倍。而圖3中試樁SZ4、SZ5在前期加荷過程中曲線也基本呈線性增長，且等直徑樁與擴底樁的增長速率也基本相同，但擴底樁SZ5的承載能力較等直徑灌注樁的承載能力大得多。由此可見，擴底樁的承載能力比等直徑樁的承載能力高；即灌注樁在樁端擴底后，其承載能力得到極大提高。

    2.2試樁軸力測試分析

    灌注樁由鋼筋和混凝土澆灌在一起，因而假定二者變形一致，即任一斷面鋼筋和混凝土具有相同的應變值。計算時選取第一斷面為標定斷面，參照巖土工程勘察報告提供的土工參數(shù)，計算各級荷載作用下混凝土軸向應變值和對應的應力計算值，并進而得到樁的樁身軸力。計算得到的SZl～SZ3樁在極限荷載下的軸力曲線如圖4所示，試樁SZ4～SZ5在各級荷載下的軸力曲線如圖5-6所示，其在最終加荷條件下各樁相對應的摩阻力和樁端阻力見表4。由圖4-6可看出，樁端擴底后，其承載能力較等直徑樁有明顯的提高。

圖4試樁(SZl一SZ3)樁身軸力圖

表4試樁極限承載力分析

圖5試樁SZ4樁身軸力圖

圖6試樁SZ5樁身軸力圖

    從表4可看出，在最大加載條件下擴底樁的軸力明顯比等直徑樁的大，擴底試樁SZ2～SZ3的樁端軸力約為等直徑樁SZl樁端軸力的3倍左右，而擴底試樁SZ5的樁端軸力是等直徑樁SZ4的6.5倍左右。同時，擴底試樁SZ2～SZ3的樁端阻力較等直徑樁SZl樁端阻力提高l8％左右，而擴底試樁SZ5的樁端阻力較等直徑樁SZ4樁端阻力提高l02％左右，這說明擴底樁樁底最大端阻力比等直徑樁的大，且樁端阻力的分擔比也比等直徑樁的高很多，這說明樁端擴底后，樁端阻力能夠得到較好的發(fā)揮，樁擴底后的承載能力得到較大程度的提高。

    2.3樁側(cè)摩阻力性狀分析

    假定樁體深度范圍內(nèi)每一分層土側(cè)摩阻力相同，各分層的樁側(cè)平均摩阻力在分層內(nèi)均勻分布，得到的典型荷載作用下擴底試樁SZ5樁周土的摩阻力沿樁身分布圖如圖7所示。

    由圖7可看出，上部土層的樁側(cè)摩阻力先于下部的樁側(cè)摩阻力發(fā)揮作用；隨著樁頂荷載的增加，下部土層的側(cè)摩阻力才逐漸發(fā)揮出來，其發(fā)揮是一個異步的過程。而極限摩阻力小的土層的摩阻力容易發(fā)揮到極限，并且其樁側(cè)摩阻力發(fā)揮到極限后會逐漸減��；在超過工作荷載并接近極限荷載時，上部土層的樁側(cè)摩阻力趨于穩(wěn)定。而下部土層的樁側(cè)摩阻力在達到極限后也有一個減小的過程，其樁側(cè)摩阻力的變化與樁端阻力有一定的關(guān)系，這明顯不同于等直徑的灌注樁的樁側(cè)摩阻性狀。由此可見，擴底樁的樁側(cè)摩阻力的發(fā)揮性狀不僅受土層性質(zhì)和深度的影響，還受樁端擴底的影響。因此，采用傳統(tǒng)經(jīng)驗公式按照各層土的摩阻力平均值來計算樁側(cè)摩阻力并進而確定樁的承載力的方法是不符合擴底樁的實際荷載傳遞機理的，也是不準確的。

圖7 SZ5試樁的樁側(cè)土摩阻力曲線

    在極限荷載作用下試樁SZl～SZ3的樁側(cè)極限摩阻力的變化如圖8所示。從圖8可看出，樁在極限荷載作用下，擴底樁SZ2～SZ3的樁側(cè)極限摩阻力要比等直徑樁SZl的大，這說明樁側(cè)摩阻力在樁端擴底后能夠得到更好的發(fā)揮，樁端擴底后不僅能夠提高樁端的承載能力，還能夠提高樁側(cè)的承載能力。而擴底試樁SZ2～SZ3的樁側(cè)極限摩阻力在軟弱土層的發(fā)揮程度基本相同，而在較好的土層，其發(fā)揮有些許差異。由此可見，在擴底直徑接近時擴底樁的樁側(cè)極限摩阻力發(fā)揮差別較小。

圖8樁側(cè)極限摩阻力圖(SZl。SZ3)

    2.4樁端阻力發(fā)揮性狀分析

    軟土地區(qū)大直徑深長擴底樁的端阻力發(fā)揮問題是其荷載傳遞機理研究的一個關(guān)鍵問題，現(xiàn)行設(shè)計中，總是假定其端阻力在極限荷載作用下得到較為充分的發(fā)揮，并由此來確定樁的極限承載力；但從現(xiàn)場的靜載試驗結(jié)果(圖9)來看，樁端阻力的發(fā)揮并非如此，大直徑深長擴底樁的樁端阻與樁側(cè)阻的發(fā)揮是一個異步的過程，而樁端承力的發(fā)揮需要一定的樁土相對位移。這說明按照傳統(tǒng)的設(shè)計方法中確定的超長樁的承載力是不準確的，因為即使在極限荷載作用下端阻也沒有得到充分發(fā)揮。因此確定承載力時需對端阻和側(cè)阻進行一定程度的折減。

    同時，大直徑深長擴底樁由于承受較高荷載，在承載力設(shè)計時除要計算側(cè)阻和端阻以滿足其設(shè)計值外，還要對樁身材料強度進行驗算。

圖9試樁SZ5荷載．沉降曲線   

3、結(jié)論

    (1)大直徑深長鉆孔灌注擴底樁的承載能力與變形密切相關(guān)，因此其承載力宜按變形控制原則來確定。

    (2)深厚軟土地區(qū)大直徑深長鉆孔灌注擴底樁的荷載傳遞性狀與一般的灌注樁不同，其受力因樁端擴孔形成的擴大部分的影響而發(fā)生變化，樁端端阻力得到發(fā)揮，并且端阻力的發(fā)揮影響到樁側(cè)阻力的發(fā)揮，使得承載能力得到較大的提高。

    (3)大直徑深長鉆孔灌注擴底樁的側(cè)阻先于端阻發(fā)揮，兩者是異步的，側(cè)摩阻力的發(fā)揮程度一般大于端阻力，且端阻力的發(fā)揮受樁底沉降的影響，因而建議在進行承載力計算時對側(cè)阻和端阻進行折減，并在確定承載力時對樁身強度進行驗算。

    (4)各層土的樁側(cè)摩阻力的發(fā)揮性狀是不一致的。一般是上層土樁側(cè)摩阻力先發(fā)揮，而后下層土樁側(cè)摩阻力才發(fā)揮，且極限摩阻力小的軟弱土層及埋深較淺的土層其摩阻力易發(fā)揮到極限。極限承載力作用下，擴底樁的樁側(cè)摩阻力發(fā)揮程度比等直徑灌注樁的發(fā)揮程度高。

(本文來源：陜西省土木建筑學會  文徑網(wǎng)絡(luò)：溫紅娟  劉紅娟  尹維維 編輯 文徑 審核)