某客运专线试验桩单桩竖向抗压静载试验承载力及荷载传递机理特性分析

【摘要】单桩竖向抗压静载试验是一种采用接近于竖向抗压桩的实际工作条件的试验方法，是目前公认的检测基桩竖向抗压承载力最直观、最可靠的试验方法。单桩竖向抗压静载试验可确定单桩竖向抗压承载力。当埋设有测量桩身应变、桩底反力的传感器或位移杆时，可测定桩周土分层侧阻力和桩端土端阻力。本文通过工程实际，结合桩身内应力测试分析了单桩竖向抗压静载试验过程中承载力性能和荷载传递机理。

【关键词】单桩竖向抗压静载荷试验；桩身轴力；侧摩阻力；摩擦桩；桩身内力测试

1 工程及地质概况

东北某客运专线某特大桥位于齐齐哈尔市境内，桩基础采用旋挖钻钻孔灌注桩基。在工程桩施工之前先进行一组三根试验桩的施工及竖向抗压承载力试验，以达到为工程桩的设计和施工提供参数和依据的目的。该地区地处松嫩冲积平原，地形平坦，地势开阔，相对高差小于2.0m，桩身范围内的地基土均为第四系冲洪积层，桩端为砂层。场地土层在试验桩桩深范围内自上而下可分为：①细砂层，层厚5.9m；②砾砂层，层厚2.4m；③细圆砾土层，层厚17.5m；④粉砂层，层厚3.3m。

2 设计参数及要求

该组试验桩设计桩长30.0m，设计桩径1.0m，设计桩身混凝土强度为C30，桩头混凝土强度C35。承载类型为摩擦桩，单桩竖向抗压承载力特征值为3100kN。

按设计要求单桩竖向抗压试验需加载至极限破坏状态，试桩按照锚固桩加力架法设计，桩间距不得小于2.5倍成孔桩径。该组试桩一组3根，锚桩8根。

试验目的要求达到：①测定单桩竖向荷载作用下的荷载和变形特征；②测定桩的分层侧阻力和端阻力；③检验成桩工艺及质量控制。

锚、试桩布置如图1。

3 试验方法

3.1试桩布置

试验进行单桩竖向抗压静载试验和桩身内力测试。加载系统采用锚桩反力梁法，每根试桩设置4根锚桩，采用4锚1试。锚桩间距3.4m，试桩间距3.4m，如图2所示。每根锚桩主筋直径16mm，数量20根，采用双面焊接与反力梁装置焊接在一起。试桩施工时需制作桩帽，桩帽高度为1.5m。试桩浇筑混凝土至设计桩顶在小于1.5m时（根据实际情况应高出一定长度以保证有效长度）停止，待混凝土凝固后清除浮浆，制作桩帽，放置4层钢筋网片，网片直径100mm，桩帽混凝土强度C35。根据试桩区的地层分布情况，在不同性质土层的界面处，沿桩身布置应力测试断面，每个测试断面沿环向等间距布置3支振弦式钢筋计。本次共设置6个应力测试断面，其中桩顶第一个断面为测试标定断面，用于推求K 值或钢筋混凝土综合弹性模量。桩端安装3个压力盒，通过观测电缆接入电测集线箱集中观测。如图3所示。

3.2单桩竖向抗压静载荷试验

⑴单桩竖向抗压静载试验，是一种原位测试方法，其基本原理是将竖向荷载均匀地传递到桩基上，通过实测单桩在不同荷载作用下的桩顶沉降，得到静载试验的Q-S曲线及S-lgt等辅助曲线，然后根据曲线推求单桩竖向抗压极限承载力等参数。

⑵加卸载方法：

本次试验采用慢速维持荷载法加、卸载和沉降观测，遵循《建筑基桩检测技术规范》〔JGJ106-2003〕。

每级加载为预估极限荷载的1/10～1/15，第一级取分级荷载的2倍。卸载时取加载时分级荷载的2倍，逐级等量卸载。加载、补压、控载、判稳及测读记录沉降量的全部工作均由JK-Ⅲ型静力载荷测试仪自动控制完成。

⑶沉降观测：

每级加载后按5、10、15min各测读一次，以后每隔15min测读一次，累计1h后每隔30min测读一次。卸载时，每级荷载维持一小时，按第15、30、60min测读桩顶沉降量后，即可卸下一级荷载。卸载至零后，应测读桩顶残余沉降量，维持时间为3小时，测读时间为15、30、45、60min，以后每30min测读一次。

⑷终止加载条件：

某级荷载作用下，桩顶沉降量大于前一级荷载作用下沉降量的5倍；某级荷载作用下，桩顶沉降量大于前一级荷载作用下沉降量的2倍，且经24h尚未达到相对稳定标准；已达到设计要求的最大加载量。

⑸稳定标准：

每小时的沉降量不超过0.1mm并连续出现2次（由1.5h内连续3次观测值计算），认为达到相对稳定，可加下一级荷载。

⑹单桩竖向抗压极限承载力的确定：

根据沉降随荷载变化的特征确定：对于陡型Q-S曲线，取其发生明显陡降的起始点所对应的荷载值；

根据沉降随时间变化的特征确定：取s-lgt曲线尾部出现明显向下弯曲的前一级荷载值；

当在某级荷载作用下，桩顶沉降量大于前一级荷载作用下沉降量的2倍，且24小时尚未达到稳定标准时，取前一级荷载值；

对于缓变型Q-S曲线可根据沉降量确定，易取S=40mm对应的荷载值；当桩长大于40m时，宜考虑桩身弹性压缩量；对直径大于或等于800mm的桩，可取S=0.05D（D为桩端直径）对应的荷载值；

当按上述四款判定桩的竖向抗压承载力未达到极限时，桩的竖向抗压极限承载力应取最大试验荷载值。

3.3桩身内力测试

4 数据综合分析

⑴从图4-1、4-2和4-3可以看出，该组试桩Q-S曲线特征很明显且都属于陡降型曲线。即在桩体未达到极限破坏状态之前坡度平缓，在达到破坏状态后坡度陡然下降，破坏特征明显，拐点明显。这是因为在前几级荷载作用下，桩体承载力主要靠桩侧摩阻力提供，并且随着加载级数增加，各分层侧摩阻力逐步增大并最终达到极限，继续加载则充分发挥桩端阻力直至桩端呈刺入剪切破坏。从表1-1、1-2、表3和图5-1、5-2看出在各级荷载作用下，各土层界面桩身轴力逐渐增大，达到极限状态时桩端阻力所占比例仅为1/10～1/12（根据表1-1、1-2最后一级最后一分层界面压力盒数据计算得出）。从表2-1、2-2看出在各级荷载作用下，桩侧摩阻力逐级增大最终达到极限摩阻力。这说明在整个试验过程中桩体竖向抗压承载力主要靠桩体侧摩阻力提供并且最终充分发挥达到极限，因此该组试桩是完全符合摩擦桩工作特性的。根据单桩竖向抗压极限承载力的确定条件，对于陡型Q-S曲线，取其发生明显陡降的起始点所对应的荷载值。因此1#、2#和3#试桩的单桩竖向抗压极限承载力分别取5000kN、2400kN和4200kN。

⑵从图5-2和图5-2看出在每级荷载作用下各分层界面轴力自上而下逐层减小，但是变化速率是不同的，其中25.8m、29m和30m界面桩身轴力变化幅度较小且从各级荷载来看增加速率不大。8.3m、17m和25.8m界面桩身轴力变化幅度很大。这说明各土层所能够提供的极限侧摩阻力大小是不同的，变化幅度小说明该土层所提供的极限侧摩阻力较小，变化幅度大的说明该土层所提供的极限侧摩阻力较大。从表2-1和表2-2中也说明这个问题，1#桩和3#桩最大侧摩阻力值分别为86.80kPa和75.14kPa，均出现在17m～25.8m土层。

⑶从图6-1和图6-2看出在桩体达到极限荷载时，各土层极限侧摩阻力差异很大。8.3m～17m和17m～25.8土层的极限侧摩阻力最大且承担且单桩竖向抗压极限承载力主要由这两层承担。这也是符合该组试桩场地地质条件的。对照钻孔地质图这两土层属于细圆砾土层，该土层的承载力性能较高。这是因为细圆砾土颗粒较大，呈单粒结构，粗颗粒之间相互连接形成骨架，因此该类土往往具有孔隙大、透水性强、内摩擦角大的特点，所能提供的侧摩阻力也就大，另外细圆砾土不易松散，在钻孔施工中不易受扰动，能够很好的保持原状土的特性。

⑷根据设计参数单桩竖向抗压承载力特征值为3100k，根据Q-S曲线确定1#、2#、3#桩单桩竖向抗压极限承载力为5000kN、2400kN和4200kN，按照一半取特征值为2500kN、1200kN和2100kN。表面此组试桩试验结果是不能符合设计要求的。分析原因极有可能是在钻孔过程中由于某些土层受到扰动或者是由于塌孔后重新回填等因素破坏了原土性状，降低了土的侧摩阻力以至于影响了桩体承载力性能的发挥。

5 结论

⑴对于摩擦型桩来说，在各分级荷载作用下，桩深范围各土层侧摩阻力逐级增大，最后充分发挥达到极限。桩体承载力主要靠桩侧摩阻力承担，桩端土阻力在整个承载力性能中分担的比例很小。在桩端土承载力性能很低的情况下，桩体破坏形式呈剪切破坏，从Q-S曲线上看曲线有陡降性起始点。

⑵桩侧阻力分布规律主要跟土的性质有关，但是其它原因如施工原因也会对其造成影响。所以在施工过程中应该加强控制，避免由人为原因造成对桩基础结构承载力的影响和破坏。

⑶需要说明的是决定单桩极限承载力的因素有二个：一是桩基本身的强度；二是地基土对桩的支承能力；通常情况，第二因素决定着单桩的极限承载力。2#桩极限破坏形式是由于桩体产生剪切破坏从而导致的沉降量急剧增大。1#桩和3#桩是由于桩端土产生剪切破坏导致沉降量急剧增大。这正是决定单桩极限承载力大小的因素，从而也就说明了为什么在同一场地条件下1#桩和3#桩承载力特征值相近（5000kN和4200kN），而2#桩承载力特征值偏小的原因（2400kN）。

⑷应注意区分桩端土有沉淤和桩底有沉渣或虚土的区别。桩底沉淤强度低、压缩性高，桩端一般呈刺入剪切破坏，Q-S曲线呈陡降型；桩底有较厚的沉渣或虚土时，桩端阻力很小，Q-S曲线属陡降型。而当沉渣或虚土较少，竖向荷载达到一定值时，桩尖土被压密，承载力提高，Q-S曲线呈台阶型，这类桩一般按沉降量控制承载力。对于钻孔灌注桩，因为其通过泥浆扩壁作业，桩底一般有一定的沉淤。

参考文献：

[1]陈凡，徐天平等.基桩质量检测技术.北京：中国建筑工业出版社，2003.

[2]李智毅，杨裕云.工程地质学概论.武汉：中国地质大学出版社，1994.

[3]郑晓，林君晓.软土地基超长灌注桩荷载传递规律试验研究.铁道建筑，2007，58（9）：58-60.

[4]阳吉宝，超长桩荷载传递机理研究.岩土工程技术，1997，（1）：25-29.

作者简介：孙明强，1982年出生，2005年毕业于石家庄经济学院（原河北地质学院）勘查技术与工程专业。现在主要从事地基基础、城市轨道交通方面的生产及研究工作。

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