单正猷 陈诗萌 方庆法 吴晓东 张虎成

1. 上海建浩工程顾问有限公司 上海 200030；

2. 上海陆家嘴金融贸易区开发股份有限公司 上海 200126

随着城市建设进程的不断加快，建筑物正向大型、复杂方向发展，钻孔灌注桩作为一种经济、安全的基础被大量采用，但对于软土地区高层建筑而言，往往需要通过设计试桩来选定桩型及单桩竖向承载力特征值。特别是超高层建筑基础埋深一般较深，试桩桩顶标高高于开挖面标高，荷载试验得到的单桩承载力大于实际工程桩的情况，应扣除开挖面以上桩侧摩阻力，采用将开挖面以上各土层桩身极限摩阻力标准值进行经验计算，再将其从试桩承载力中扣除，得到有效桩长范围内的理论桩基承载力。为精确提供有效桩长范围的工程桩承载力，王卫东等[1]设想采用隔离桩土接触的钻孔灌注桩双套管装置实现试桩非摩擦段的桩土分离，从而消除开挖段桩侧摩阻力，为实际桩基的单桩承载力提供真实数据。查阅大量文献后发现，目前真正采用双套筒装置消除开挖段桩侧摩阻力的研究案例少之又少，也许正是上述装置一直未被广泛应用的原因之一。根据本项目的实际需要，试桩要求分别采用双套筒和不采用双套筒这2种成桩方案，以求获得有效桩长范围的桩基承载力。本文拟结合相同设计参数对2组试桩数据进行对比研究，为软土地区类似桩基工程设计提供经验依据。

1 工程概况及试验区域地质情况

1.1 工程概况

某工程总建筑面积约50万 m2，地下为3层（局部4层）整体地下室，埋深为19.4～21.9 m，上部为2幢60层塔楼，建筑总高度320 m，功能主要为办公写字楼，结构形式采用混凝土核心筒＋钢结构外框架。塔楼区域桩基采用φ1 000 mm的钻孔灌注桩，桩底设计标高－86.3 m，有效桩长67 m，桩基持力层为第⑨2-1层（含砾中砂），桩身混凝土设计强度水下C45，并采用桩端后注浆工艺，单桩承载力极限值为22 100 kN。

1.2 试验区域地质情况

根据工程详勘资料，试验区属于滨海平原地貌类型，自上而下各土层分布为：①1填土，①2浜土，②粉质黏土，③淤泥质粉质黏土，④淤泥质黏土，⑤1黏土，⑤2黏质粉土、粉质黏土互层，⑤3粉质黏土夹黏质粉土，⑤4粉质黏土，⑦2-1含黏性土粉砂，⑦2-2粉砂，⑧粉质黏土，⑨1细砂，⑨2-1含砾中砂，⑨2-2细砂。

2 试验方案

2.1 试验目的

通过采用双套筒和不采用双套筒这2种成桩方案，对比分析桩顶最大沉降量、桩身内力以及桩侧摩阻力等数据，获得有效桩长范围的单桩承载力值，为工程桩基设计提供精确参数。

2.2 双套筒制作与安装

外套筒内径为1 204 mm，长度18.4 m，内套筒内径1 100 mm，长度23.4 m，双套筒壁厚均为12 mm，内外套筒间每隔5 m设置环形的防失稳加劲肋，支撑肋焊接于内套筒外壁，与外套筒内壁间距8 mm，外套筒插入前在支撑肋和外套筒内壁涂抹脱模剂，确保内外套管自由滑动。为防止混凝土浇筑时水泥浆液进入套筒壁间，在内外套筒底部之间设置1道宽100 mm、厚40 mm的防水橡胶圈，以完全填充套筒间隙。双套筒先使用φ1 250 mm 钻头钻至外套管底标高处，再转换成φ1 000 mm钻头钻至桩底标高，采用先成孔、后吊放、再固定的方式安装。

2.3 试验方案

在相同的桩基设计参数下，采用慢速维持荷载法分别对1#、2#这2组试桩（其中2#组试桩设置双套筒）进行单桩竖向抗压静载荷试验，当达到设计要求的最大试验荷载且桩顶沉降稳定后终止加载，分别得出桩顶沉降量、桩身内力以及桩侧摩阻力分布特征。

3 试验数据分析

3.1 桩顶最大沉降量与分级荷载沉降量

从2组试桩单桩竖向抗压静载荷试验Q-S曲线（图1）可以看出，无论是否采用双套筒，Q-S曲线均呈现缓变型。具体而言，未采用双套筒的1#组试桩，在第一、二级荷载作用下桩顶最大沉降量均值为37.53 mm，而采用双套筒的2#组试桩，桩顶最大沉降量均值为29.54 mm，相比1#组均值减小21.3%；试验过程中，采用双套筒的2#试桩桩顶沉降量明显小于未采用双套筒的试桩，说明未采用双套筒的试桩在加载初期，桩身上部更容易因压缩变形而产生相对桩土的向下的相对位移，因此在超长桩承载力试验和沉降计算中，利用桩顶位移量来控制试验进程需要考虑桩身的非线性压缩变形，应针对桩身压缩量、桩侧土变形关系、桩土相对位移以及桩身轴力传递机制进行进一步分析。

图1 试桩Q-S曲线

3.2 桩身内力

根据2组试桩的桩身内力以及每组试桩在同一断面的桩身平均轴力值，分别绘制1#（未采用双套筒）、2#（采用双套筒）试桩轴力分布图，如图2、图3所示。通过对比分析可知，2组测试结果的桩身轴力都随深度的增加而不断递减，荷载的传递也都随深度的增加而逐渐加深。

图2 1#试桩轴力分布

图3 2#试桩轴力分布

其中2#组试桩，双套筒段桩侧摩阻力很小，最大荷载下桩侧摩阻力为500～600 kN，在非摩擦段轴力传递基本无损失；而未采用双套筒的1#组试桩，其桩侧摩阻力充分发挥，在最大荷载下桩侧摩阻力达到2 750～2 850 kN，较2#组试桩有明显的轴力递减。

在深度18.5 m的桩身断面，比较第一级荷载及第十级荷载作用下的轴力值可知，1#试桩相对应的轴力值分别为2 470 kN和19 280 kN，2#试桩相对应的轴力值分别为4 229 kN和21 470 kN，说明采用双套筒的桩身轴力虽仍有部分递减，但递减量随加载量的加大而逐步减小，使试桩受力状态接近工程桩的实际情况，得到的测试数据更准确。

3.3 桩侧摩阻力

根据本项目岩土勘察报告可知，土层桩侧摩阻力随着荷载的增加而逐渐发挥，其中24～42 m段为粉质黏土层/黏土粉土层，最大加载量下的桩侧摩阻力为75～110 kPa；42～60 m段为⑦2灰黄色粉砂土层，该段土层桩侧摩阻力发挥比较充分，最大加载量下的桩侧摩阻力为100～180 kPa；60～80 m为⑧层灰色黏土层和⑨1灰色粉砂夹黏性土层，最大加载量下的桩侧摩阻力为65～130 kPa。

1#试桩在不采用双套筒的条件下，各土层中桩侧摩阻力实测值基本达到或接近极限值，桩侧摩阻力得到充分发挥，并随桩顶荷载的增加而增加。同时，在开挖面以上段的桩侧摩阻力远远大于极限摩阻力标准值，深度3.8～26.4 m段达到极限值的2倍以上。具体原因包括：一是根据桩成孔质量检测报告可知，实测桩孔径最大值均出现在开挖面以上至孔口段，实测桩孔径较设计值扩大10%，因此该区段实际发挥的桩侧摩阻力理论上至少提高了10%；二是在桩身上部，由于水泥浆液固化及渗透改善了桩端附近的土体，使桩周附近的桩侧摩阻力有较大幅度的提高，使其明显高于极限摩阻力标准值。

2#试桩在采用双套筒的条件下，虽然消除了非摩擦段的桩侧摩阻力，减少了整根桩参与作用的土层，但在⑦土层中桩侧摩阻力得到充分发挥，同时受桩顶最大沉降量限制，极限承载力下桩端处桩侧摩阻力并未达到极限值，若要充分发挥桩侧摩阻力则需要更多的桩土相对位移，理论上可提供更多的桩侧摩阻力（表1）。

表1 桩侧摩阻力实际值与标准值

4 结语

试验表明，在相同工况、土层条件和设计要求下，无论是否采用双套筒，单桩竖向静荷载试验Q-S曲线均呈现缓变型。特别是在非摩擦段采用双套筒工艺，除了能有效消除开挖面桩侧摩阻力外，还可以充分发挥桩身在其他主要持力层中的桩侧摩阻力，较常规方法获得的试桩数据更为真实，大大提高了桩基设计的准确性和经济性，研究结论如下：

1）在桩顶荷载作用下，桩侧摩阻力总是上部土体先发挥作用，再逐步传递到下部土体，当上部土体的桩侧摩阻力达到极限状态时，下部土体的桩侧摩阻力仍处于弹性阶段，有继续发挥的余地，因此在超长桩试桩中采用双套筒工艺，可以有效发挥下部土体的桩侧摩阻力。

2）对比2组试桩数据发现，未采用双套筒的桩基，在加载初期桩身上部因非线性压缩变形产生更多的压缩量，会进一步加大桩顶最大沉降量，因此计算超长桩的沉降时，需考虑桩身的非线性压缩变形。建议类似超长桩基试桩时采用双套筒工艺，将更有利于以桩顶位移量来判断桩极限承载力。

3）通过加设双套筒隔离开挖面以上桩身与土体，在摩擦桩的设计机理中可近似认为未加设双套筒的试桩相对增加了桩长，试验结果表明增加桩长未明显提高超长桩的承载力，仅凭增加桩长的方法来显著提高桩的承载力是很难实现的，必须考虑合理的长径比。

4）成孔直径会直接影响桩侧摩阻力的发挥，是影响桩的承载力的主要因素，为了能充分发挥土层的摩阻力，施工过程中应严格控制桩径。