夏 兼，徐福建

(1.广东省长大公路工程有限公司， 广东 广州 510620； 2.南京东大自平衡桩基检测有限公司， 江苏 南京 210018)

广佛肇高速公路全线位于广东省肇庆市，全长174.919 km，预算212.94亿元，桥隧比为36.55%，2013年10月开工建设，计划2017年6月建成通车，设计速度100 km/h，是肇庆市“三纵四横”高速公路网中的三横，为广东省第一条采用“BOT+EPC”模式建设的高速公路[1]。作为典型的山区高速公路，其最为显著的工程特点为施工运营能耗高，该项目大部分路段地处山岭重丘及不良地质区，现场试验及工程建设的难度较大。

嵌岩桩因单桩承载力高、沉降变形小且收敛快、地质适应性强等突出优势，在桥梁工程领域中的应用日益广泛[2]，且随着建(构)筑物的基础承担的荷载越来越大，嵌岩桩的承载力分析与静载荷试验朝着大直径、深长嵌岩桩方向发展[3-5]。在广佛肇高速公路建设中，嵌岩桩为工程穿越不良地质区，将上部结构荷载传递至地基深部强度较高、压缩性较小的岩土层方面发挥着关键性的作用。在设计施工桥梁基础时，规范规定需要进行现场静载试验来确定桩基的承载性状，保证桩基的承载力安全性，并为设计提供参考依据，而传统的静载荷试验(如堆载法、锚桩法)往往具有费时、费力、受场地条件影响大、试验风险大、成本高等缺点[6-7]。近十几年来日益发展和成熟的桩基自平衡测试技术与传统静载试验相比具有显著的优势，且通过等效转换可以准确得到桩顶荷载-位移关系、桩身轴力分布、桩侧摩阻力分布以及桩基的极限承载力等[8-10]，完全满足工程精度要求，工程应用极为广泛，被称为桩基检测的革命[11-12]。

1 试桩工程概况

图1 试桩各地质参数及钢筋计分布图

2 试验结果与分析

2.1 极限承载力分析

三根试桩的自平衡Q-s曲线如图2所示，根据《建筑基桩自平衡静载荷试验技术规程》[13](JGJ/T 403—2017)中相应的转换系数确定方法，可将自平衡静载试验测得的荷载-位移曲线等效转换为传统的桩顶荷载-位移曲线，并依据规范或经验分析得出试桩的单桩承载力，转化曲线如图3所示。

图2 试桩自平衡Q-s曲线

图3试桩等效转换曲线

由图3可以看出，三根试桩的桩顶等效Q-s曲线均为缓变型，无明显转折，根据相关研究成果[2，14]可以判断，试桩仍处于弹性压缩阶段。由等效转换曲线可得三根试桩在桩顶极限加载值及设计荷载下对应的桩顶位移值，如表2所示。

表2 试桩承载力及对应的桩顶位移值

根据表2可知，三根试桩的自平衡加载承载值均大于设计值，且与设计值相比存在较大的安全储备，在设计桩顶荷载作用下，试桩的位移量较小，满足工程对承载力和沉降的要求。

对于桩顶荷载-位移曲线呈现缓变型的大直径嵌岩桩，往往取桩顶极限位移su对应的承载力作为该大直径嵌岩桩的极限承载力，参考类似工程及规范[13，15]，故取40 mm为试桩极限位移。由于自平衡试验中三根试桩的上段桩和下段桩均未达到极限位移40 mm，故为求得极限位移所对应的极限承载力，对试桩数据进行曲线拟合，据此来计算三根试桩的极限承载力。研究表明，桩顶荷载与桩顶位移之间近似满足双曲线的函数关系[16-17]，故采用Christon(1967)的双曲线拟合方法进行转化，并利用MATLAB最小二乘法进行线性拟合，如式(1)所示：

(1)

式中：Q为桩顶荷载，kN；S为桩顶位移，mm；a和b为双曲线拟合系数。

为保证数据拟合的精度，要求拟合得到的相关系数R2均大于0.9，对偏差较大的数据点不予考虑且保证参与拟合的数据点不少于5个，以保证数据拟合的可靠性。拟合得到的三根试桩的相关系数均大于0.99，说明线性拟合的精度极高，拟合结果如表3所示。

表3 试桩不同承载力及对应位移值

比较表3中拟合得到的极限承载力与设计承载力，可知40 mm的极限桩顶位移对应的承载力可以达到设计值的3.64～5.56倍，而一般情况下安全系数取值为2，故设计值较为保守，安全储备大。

2.2 桩侧阻力分析

由桩身埋设的钢筋计可计算得到各土层的侧摩阻力，三根试桩在极限加载荷载下的岩土层侧摩阻力与地勘报告的对比如表4所示。

根据表4中的试验结果可知，实测土层的侧摩阻力普遍低于地勘报告给出的土层摩阻力，仅在荷载箱附近接近于地勘报告推荐的摩阻力取值，而岩层的摩阻力明显高于土层，其值与岩石的饱和单轴抗压强度正相关[18]，岩层的侧摩阻力对桩的承载力有较大的贡献。由试验结果可知，达到极限承载力时，岩层部位的桩-岩相对位移大致为5 mm左右，进一步验证了各桩仍处于弹性压缩阶段。桩基进入岩层后，在全风化、强风化、中风化、微风化岩层中，各岩层侧摩阻力较稳定，变化不大，实测桩岩侧摩阻力随加载值稳定增加，随桩长在各岩带近似线性增加。侧摩阻力在各岩层交界面处存在一定的突变，随岩层强度增大而增大，对比三根试桩，其变化比例如表5所示。

表4 实测试桩各岩土层摩阻力沿深度分布表

表5 岩层交界面侧摩阻力变化比例

由表5可知，由全风化、强风化岩带向中风化岩带进入时，其侧摩阻力变化最大，承载力特性提升明显，故嵌岩桩宜进入中风化岩带；而由中风化岩带向微风化岩带进入时，其侧摩阻力变化不大，提升不明显，且桩端应力远低于岩石饱和单轴抗压强度，可相应提高嵌岩桩端阻力的设计值。因此，若中风化岩层能提供足够的极限承载力，则嵌岩桩桩端可不进入微风化岩带，从而有效节省工程造价。

2.3 桩端阻力分析

三根试桩在各级加载情况下的桩端荷载-位移曲线如图4所示。

由图4可知，三根试桩的桩端阻力-位移曲线均为缓变型。随着桩端持力层承载力的增大，其极限承载力增大且相应位移减小，达到极限承载力所需的桩端位移约在8 mm～11 mm之间。对比三根试桩可知，大降口大桥左线2#-1桩，其桩端位于微风化砂岩层，但其较另外两根嵌固于中风化砂岩层试桩的桩端阻力并未有显著的提升，说明中风化砂岩层所提供的桩端阻力已满足要求。

图4试桩桩端阻力-位移曲线图

2.4 试桩承载力构成分析

三根试桩在极限加载荷载作用下的侧摩阻力及端阻力所占的比例如表6所示。

早期的嵌岩桩常被视为端承桩进行设计，由表6中的荷载分担比例可见，三根试桩在极限加载荷载作用下的侧摩阻力及端阻力均得到较好的发挥，桩端阻力所占比例略大于桩侧阻力，桩侧阻力在设计中不容忽视。在砂岩嵌岩桩中，侧摩阻力能够较好地发挥，基本为40%以上，故在佛山地区进行砂岩中的嵌岩桩承载力设计时，在满足保守设计的前提下，宜适当提高侧摩阻力的占比，即减小桩基的嵌岩深度。

表6 试桩承载力构成表

由以上分析可知，试桩的极限承载力远大于设计承载力，设计值较为保守；通过对试桩侧摩阻力和端阻力的进一步分析可知，若中风化岩层能提供足够的极限端阻力，则嵌岩桩桩端可不进入微风化岩带，适当地缩短桩长或减小桩径，从而有效的节省基础的成本。

3 结 论

基于以上对广佛肇高速公路3根大直径嵌岩桩的现场自平衡静载荷试验及结果的对比分析，可得以下基本结论与建议：

(1) 三根试桩的等效Q-s曲线均为缓变型，无明显拐点，试桩处在弹性压缩阶段，承载力均达到设计要求，且承载力设计值较为保守，安全储备大。

(2) 桩顶在极限加载条件下，端阻力约承担总荷载的52%～57%，侧阻力约承担总荷载的43%～48%，两者近似相等且均得到较好的发挥，且嵌岩段的侧阻力占较大比重， 故在嵌岩桩的设计中不能简单的将其视为端承桩而忽略侧阻力的作用。

(3) 中风化岩层对嵌岩桩的侧摩阻力提升效应明显，而当桩端进入微风化岩层时侧摩阻力变化不大，且桩端阻力没有显著的提升，故当中风化岩层能提供足够的极限承载力，则嵌岩桩桩端可不进入微风化岩带，从而有效节省工程造价。