陈树杰

(同济大学土木工程学院，上海 200092)

1 概述

桩基础是土木工程建设中最常见的一种基础形式。采用桩基础的目的，一是提高地基的承载力，二是有效地控制地基及基础的沉降。由于城市的迅猛发展，大直径超长钻孔灌注桩在我国已广泛被使用，但针对该类桩荷载传递机制的研究还不深入，迄今仍无可直接用于工程实践的基桩承载力计算方法［1］。中小直径桩的研究和应用历史较长，设计方法相对成熟，故对大直径超长钻孔灌注桩的设计仍依据中小直径的计算理论。现行规范中，关于大直径超长钻孔灌注桩的设计理论并非以其特殊的承载变形机制为基础，而只是简单按中小直径桩的经验加以修正，并未考虑到大小直径桩承载性能的差异［1］。大直径钻孔灌注桩的理论研究成果相对匮乏，深入研究大直径钻孔灌注桩的荷载传递机制不仅是桩基理论自身发展的需要，也是工程界实践的迫切需要［1］。

2 工程实例

2.1 工程概述

某地铁高架桥段，钻孔灌注桩累计桩数为1 000余根，为了验证基桩性能，优化基桩设计，对其中五标工程C21、C22桩(设计桩长 50 m)和六标工程 F8、F9桩(设计桩长55 m)进行了单桩竖向载荷试验，同步进行了桩身内力的测试研究，，本文选取F8、F9的数据。

某地铁高架线拟建场地位于太湖冲湖积平原区，地势平坦，地表水系发育，第四系覆盖层厚度较大，各土层水平向分布较稳定，基底地质构造与水文地质条件较复杂，人类工程活动对地质环境的扰动和作用强烈。地质环境条件复杂程度属中等地区。

2.2 工程地质条件

范围内无明显变异特性。其桩基穿越的岩土层物理、力学指标见表1。

根据勘察报告，拟建场地底层分布层理明显，全线

表1 主要土层工程性质指标汇总

可以看出，F8、F9、试验场址工程地质条件总体良好，试桩穿越土层与桩端持力层主要为黏性土、粉质黏性土、黏性土与粉土互层三大类。其中，黏性土主要为低液限粉质黏土和黏土，天然含水量一般W＜30%，孔隙比一般e＜0.85，静力触探锥尖阻力一般CPT-qc＞1.2 MPa。粉土层天然含水量W＜30%，孔隙比一般e＜0.85，标准贯入击数一般SPT-N＞12击。因此，综合试桩现场场地环境及原位试验结果，F8、F9设计采用了55 m桩长的灌注桩。桩端持力层选择在(8)3土层，天然含水量平均值W≈24.4%，孔隙比一般e≈0.71，标准贯入击数一般SPT－N=18.95击。

2.3 试桩概述

静载试验采用锚桩反力梁法，采用“四锚一”方案，试架设计加载等级为20 000 kN。其中F8/F9设计桩长L=55 m，桩径 D=1 200 mm(＞800 mm)，L/D=45.83，该试桩可称为大直径超长钻孔灌注桩。四根锚桩为工程桩，直径采用1 200 mm，长度采用55 m;试桩位于4根锚桩所组成长方形的形心处。

3 桩身质量超声波检测结果

声波透射法是根据超声波的透射原理检测桩身完整性，目前已成为基桩无损检测中行之有效的方法之一。根据相关资料，各桩超声波检测成果汇总见表2。

4 单桩竖向静载荷试验

4.1 试桩目的

试桩工作是大型土木工程基础施工中十分重要且必不可少的一个环节，为确保桩基础安全经济，同时了解基桩在该场地地质条件下的实际承载能力，必须进行试桩。通过试桩，可以更好地为设计和施工服务，从而达到以下目的:

表2 试桩F8/F9检测成果汇总

①对成桩工艺和施工进度有所了解，从而选择更加合适的施工方法和机具设备，并确定施工工艺和控制标准。

②测定基桩的极限承载力，并通过桩身轴力推算出各土(岩)层的桩侧摩阻力，校核工程地质报告提供的土(岩)层桩基设计参数，进一步优化桩径和桩长设计。

本次静载荷试验的主要目的是检验单桩竖向抗压极限承载力是否满足设计要求;在静载试验的同时，通过预先埋设在桩身内的钢筋计，量测在各级荷载下桩身的内力和变形情况，从而获得轴力和桩侧摩阻力沿桩身的分布规律，以及桩侧摩阻力和桩端阻力的发挥情况。

4.2 试桩结果与分析

F8/F9试桩的静载荷试验结果如表3、表4所示。

表3 F8试桩的静载荷试验结果

表4 F9试桩的静载荷试验结果

续表4

根据工程地质条件，用《铁路桥涵地基和基础设计规范》(TB10002.5—2005)［2］和《建筑桩基技术规范》(JGJ94—2008)［3］估算的单桩极限承载力，以及根据已有的荷载—沉降曲线(Q-S曲线)，采用麦随基威克司法(作图法)［4］和折线法(指数法)［5］所预测的单桩极限承载力如表5所示。

表5 4种方法所预测的单桩极限承载力 kN

由表8可见，上述4种方法预测的单桩极限承载力中，对于F8/F9试桩后3种方法的数值总体上相差不大，《建筑桩基技术规范》(JGJ94—2008)估算的单桩极限承载力相对较小。考虑到《铁路桥涵地基和基础设计规范》(TB10002.5—2005)和《建筑桩基技术规范》(JGJ94—2008)是针对全国而言，必须综合不同地区的勘察水平、试验条件和施工水平等各项差异，所以取值相对保守。随着施工技术的不断进步，规范已有相对的滞后性，按规范计算承载力显得不经济，明显偏于保守，安全系数过大，大直径深长桩的承载力还有潜力可挖。因此，通过分析认为F8/F9试桩的单桩承载力应在14 800 kN左右。

5 桩身应力测试与分析

5.1 桩身应力测试结果

桩身轴力分布曲线见图1。

桩侧摩阻力分布曲线见图2。

桩身位移曲线见图3。

桩端阻力与桩顶荷载的关系曲线见图4。

桩身压缩量与桩顶荷载的关系曲线见图5。

桩侧摩阻力与桩身位移的关系曲线见图6。

5.2 比较分析

最大实测值(侧摩阻力和端阻力)与规范推荐值比较如表6、表7所示。

图1 桩身轴力分布曲线

图2 桩侧摩阻力分布曲线

通过实测值与规范推荐值比较分析可知，F8/F9试桩的桩侧摩阻力实测值明显大于规范(JGJ94—2008)推荐值，说明在工程实际中大直径深长钻孔灌注桩的桩侧摩阻力能够较好的发挥，规范(JGJ94—2008)推荐值明显偏于保守。

6 结论

(1)F8/F9试桩单桩极限承载力稍大于14 400 kN，满足设计要求，通过多种方法预测分析，其单桩极限承载力在14 800 kN左右，属于摩擦型桩。

(2)桩侧阻力先于桩端阻力发挥，桩身上部的摩阻力先于下部发挥，即摩阻力从上往下逐步发挥，并且桩身上部的摩阻力先达到极限状态。通常在桩达到和超过极限状态时，桩身下部的侧摩阻力和桩端阻力还没有充分发挥。本次试验各土层的实测侧摩阻力最大值实测值明显大于及规范(JGJ94—2008)推荐值。

图3 桩身位移曲线

图4 桩端阻力与桩顶荷载关系曲线

图5 桩身压缩量与桩顶荷载关系曲线

(3)试验研究表明，桩身轴力从桩顶到桩端逐渐衰减，其衰减的快慢反映了桩侧摩阻力作用的大小。对于大直径深长钻孔灌注桩，在极限荷载(最大荷载)作用下，桩身下部的轴力要远小于桩身上部的轴力，所以实际工程中桩身配筋可以根据截面轴力变化情况沿深度予以减少。

(4)在加载初期，轴力到桩端时几乎衰减为零，说明在荷载较小时，深长桩的端阻力基本不起作用，其桩顶荷载几乎全由桩侧摩阻力承担，同时从另外一个侧面说明了桩侧阻力先于桩端阻力发挥。

图6 桩身摩阻力与桩身位移关系曲线

表6 最大实测值与规范推荐值比较

表7 最大实测值与规范推荐值比较

(5)在荷载水平比较小的时候，桩顶荷载主要由上部土层的侧阻力来承担;随着荷载水平的提高，中下部土层的侧阻力逐渐发挥。

(6)桩身各截面位移(沉降)不同是由桩身压缩引起的，在低荷载水平下，桩身上部和下部的竖向位移差别不大。但当桩顶荷载逐渐增大时，桩身上部和下部的竖向位移差别逐步增大。在最大试验荷载(14 400 kN)下，F8/F9桩端沉降和桩顶沉降相差10.83 mm和10.97 mm，此值即为桩身压缩量，占桩顶沉降的69.9%和62.6%。由此可见，对深长桩来说，桩身压缩是桩顶沉降不可忽视的一部分。

(7)在加载初期，桩端阻力增长速率较低;但在加载中后期，桩端阻力增长速率相对较大，这与钻孔灌注桩的桩底存在沉渣有关。在加载过程中，随沉渣不断压实，桩端阻力增长速率逐渐提高。因此，严格控制好清孔质量，对钻孔灌注桩的承载性能发挥有着重要的影响。

(8)在最大荷载下，F8/F9试验测得的桩端阻力(F8为1 085 kN，F9为980 kN)仅占最大荷载的6.8%和7.5%，这主要是由大直径深长钻孔灌注桩的承载性状所决定，其极限承载力通常是由桩顶沉降值控制的，一般桩端阻力很难得到充分发挥。

(9)在加载初期，桩身压缩与桩顶荷载基本呈线性关系，表明此时桩身几乎处于弹性压缩状态;随着荷载增加，桩身压缩增长速率大于桩顶荷载增长速率，表明此时桩身压缩模量发生了变化(压缩模量开始降低);由于桩顶荷载总体较小，桩身压缩模量变化不太明显，但根据钢筋混凝土材料的应力应变关系，可以预测，随着荷载的不断增加，桩身压缩与桩顶荷载关系曲线的非线性将逐渐明显。

［1］ 魏栋梁，杨昌正，谭晓琦．深厚软基超长大直径钻孔灌注桩承载性状试验研究［J］．昆明理工大学学报:理工版，2010(4)

［2］ 铁道第三勘察设计院．TB10002.5—2005 铁路桥涵地基和基础设计规范［S］．北京:中国铁道出版社，2005

［3］ 中华人民共和国建设部．JGJ94—2008 建筑桩基技术规范［S］．北京:中国建筑工业出版社，2008

［4］ 赵春风，于明章，吴水根，等．试桩未达破坏时单桩承载力的估算方法［J］．同济大学学报:自然科学版，1999(4)

［5］ 涂帆，常方强，李小鹏．指数法和双曲线法组合预测单桩极限承载力［J］．福建工程学院学报，2006(1)