張立，張樂，陳亮鋒，袁永強(qiáng)，白衛(wèi)峰

(1 河南科技學(xué)院園藝園林學(xué)院，河南 新鄉(xiāng)453003；2 中國建筑西南勘察設(shè)計研究院有限公司，四川 成都 610052；3 華北水利水電大學(xué)水利學(xué)院，河南 鄭州 450046)

我國高層和超高層建筑的高度越來越高，其基礎(chǔ)在抗震、變形、承載能力要求也越來越高[1-2]。樁基因其承載力高、沉降變形小，適合不同不良地質(zhì)條件，而被廣泛應(yīng)用在土木工程領(lǐng)域基礎(chǔ)中，樁基通過承臺以及樁將上部荷載傳遞到強(qiáng)度較高、壓縮性較小的穩(wěn)定地層中。為滿足超高層建筑、重荷載及復(fù)雜地質(zhì)的條件，樁基設(shè)計的單樁承載力設(shè)計值要求越來越大，單樁的設(shè)計尺寸也越來越大，樁徑大于等于800 mm的大直徑混凝土樁被越來越多的應(yīng)用在大型工程中[3-5]。根據(jù)JGJ94-2008《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》，小直徑樁樁徑小于等于250 mm，中等直徑樁樁徑大于250 mm且小于800 mm，大直徑樁樁徑大于等于800 mm,另外，規(guī)范JGJ94-2008主要對中小直徑樁進(jìn)行規(guī)定，其計算方法不適用于大直徑樁，因此，實際工程設(shè)計中往往采取保守的荷載設(shè)計，造成了不必要的浪費。與發(fā)達(dá)國家相比,我國對大直徑樁的研究較晚，國內(nèi)學(xué)者對大直徑樁的承載特性及荷載傳遞機(jī)理進(jìn)行了理論及試驗研究[6];魏棟梁等[7]通過試驗研究深厚軟基超長大直徑樁的承載特性，得出大理軟基地區(qū)的大直徑樁承載能力滿足設(shè)計荷載要求，并有較大的富余承載力；王衛(wèi)東等[8]對上海軟土地區(qū)大直徑灌注樁進(jìn)行試驗研究，得出荷載-位移變化近似線性變化，破壞形式為刺入式破壞，且摩阻力沿樁長的發(fā)揮具有異步性；劉念武等[9]通過自平衡試驗對二根大直徑鉆孔灌注樁進(jìn)行研究，得出樁身側(cè)阻力隨著樁土相對位移的增大呈先增大后保持穩(wěn)定的趨勢；馬睿[10]通過試驗對軟土地區(qū)大直徑超長樁的承載力及荷載傳遞規(guī)律進(jìn)行了研究，得出選擇適當(dāng)?shù)拈L徑比能充分發(fā)揮摩阻力的作用；邱東明[11]對三根大直徑灌注樁進(jìn)行試驗研究，得出當(dāng)土層處于欠固結(jié)狀態(tài)時，荷載-沉降曲線呈陡降型，破壞形式為刺入式破壞，且設(shè)計時需考慮負(fù)摩阻力的下拉荷載；苗德滋[12]對大直徑泥漿護(hù)壁嵌巖灌注樁進(jìn)行試驗研究，得出采用樁側(cè)后注漿時沉降及卸載回彈量均可減小29%；張慧海等[13]對大直徑超長灌注樁在黃土地區(qū)低階地基中的承載特性進(jìn)行研究，得出其單樁豎向抗壓承載力大幅度高于規(guī)范經(jīng)驗參數(shù)法計算的設(shè)計值；李洪江等[14]對大直徑超長灌注樁進(jìn)行水平承載特性的參數(shù)敏感性的試驗研究，得出樁頂嵌固形式、尺寸效應(yīng)對水平承載特性影響較大；CHENG H等[15]對大直徑預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝土樁在剛性地層中承載特進(jìn)行了研究，得出利用樁與鉆孔之間的灌漿間隙，可顯著提高樁身的粘結(jié)強(qiáng)度，提高樁身的側(cè)摩阻力；GAO G Y[16]等對大直徑人工挖孔擴(kuò)底樁的豎向承載特性進(jìn)行試驗研究，得出樁端阻力占豎向承載力的65%，且增加樁長和增大樁底直徑可以提高大直徑樁的承載力。

許多學(xué)者通過試驗對大直徑樁進(jìn)行了相關(guān)研究，但對于軟巖地區(qū)大直徑樁的理論及試驗研究相對較少，計算理論基礎(chǔ)還不成熟。本文針對成都軟巖地區(qū)某高層住宅大直徑混凝土樁進(jìn)行研究，通過現(xiàn)場試驗，研究大直徑混凝土樁的承載特性及荷載傳遞機(jī)理，為軟巖地區(qū)大直徑混凝土樁的理論研究及應(yīng)用提供支撐，也為其他地區(qū)同類工程提供參考。

1 試驗工程概況與方法

1.1 工程概況

試驗工程位于成都成華區(qū)青龍街道，根據(jù)勘察報告，場地土層自上而下依次為：第四系全新統(tǒng)人工填土層，巖性為雜填土、淤泥質(zhì)素填土、素填土，場地人工填土層分布連續(xù)，起伏較大，最大厚度為8.0 m；第四系中下更新統(tǒng)冰水沉積層，巖性為粘土、薄層卵石層，全場分布，厚度為7.0～20.8 m；白堊系灌口組泥巖層，按其風(fēng)化程度分為全風(fēng)化泥巖、強(qiáng)風(fēng)化泥巖、中風(fēng)化泥巖，基巖埋身9.0～24.9 m，其中強(qiáng)風(fēng)化泥巖屬極軟巖、中風(fēng)化泥巖屬軟巖。

試驗工程大直徑混凝土樁采用旋挖鉆孔灌注樁，以中等風(fēng)化泥巖為樁端持力層；混凝土樁樁徑為1 200～1 400 mm，樁身混凝土強(qiáng)度等級為C30；本試驗對3根試樁進(jìn)行單樁豎向抗壓靜力載荷試驗，每種樁型各1根(表1)。

表1 試驗樁參數(shù)一覽表

此外，為研究大直徑混凝土樁樁身軸力和側(cè)摩阻力，本次試驗對ZJ3混凝土樁進(jìn)行加載過程中樁身應(yīng)力監(jiān)測，且在樁頂10 m以下部分進(jìn)行擴(kuò)底，試驗樁土層地質(zhì)情況示意圖如圖1所示，試驗樁擴(kuò)大頭做法及嵌入中風(fēng)化巖層深度示意圖見圖2，各土層主要物理力學(xué)指標(biāo)見表2。樁身應(yīng)力測試按照J(rèn)GJ 106—2014《建筑基樁檢測技術(shù)規(guī)范》[17]于樁身內(nèi)力測試及數(shù)據(jù)整理要求，如圖3所示。

圖1 試驗樁土層地質(zhì)情況示意圖

圖2 試驗樁擴(kuò)大頭做法示意圖

表2 各土層主要物理力學(xué)指標(biāo)

圖3 樁身應(yīng)力監(jiān)測布置圖

1.2 試驗方法

1.2.1 加載方式

本文試驗加載反力裝置采用堆載的方式，如圖4所示,由配重塊、主梁、工字鋼組成堆載平臺，上面均勻堆放配重塊，構(gòu)成加載反力系統(tǒng),傳力系統(tǒng)由千斤頂(可多個并聯(lián))、高壓油管、高壓油泵及電纜線組成。

圖4 現(xiàn)場堆載法

試驗在樁頂設(shè)計標(biāo)高處進(jìn)行，平整場地、處理好樁頭后把試驗用剛性承壓板平放于樁頭上，并將二者中心重合，承壓板面積應(yīng)大于樁的橫截面積；千斤頂平放于承壓板的中心；高壓油管一端與千斤頂?shù)倪M(jìn)油、出油接口連接，一端與高壓油泵的進(jìn)油、出油接口連接，并確保連接正確，接頭處不漏油、不滲油。

試驗樁加載原理圖見圖5。

圖5 加載原理圖

1.2.2 加載制度

試驗中采用慢速維持載荷法，即逐級加載，每級荷載達(dá)到相對穩(wěn)定后再加下一級荷載，直到試驗進(jìn)行到滿足規(guī)范終止加載條件，然后分級卸荷到0。試驗按《建筑基樁檢測技術(shù)規(guī)范》[17]分10級進(jìn)行，每級加載量為總加載量的1/10，其中第1級可取分級荷載的2倍，并根據(jù),規(guī)范要求試驗最大加載量為單樁豎向抗壓承載力特征值的2倍。當(dāng)出現(xiàn)以下情況之一時可終止加載：

(1)某級荷載作用下，樁頂沉降量大于前一級荷載作用下沉降量的5倍,且樁頂總沉降量超過40 mm；

(2)某級荷載作用下，樁頂沉降量大于前一級荷載作用下沉降量的2倍，且經(jīng)過24 h尚未達(dá)到相對穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)；

(3)已達(dá)到設(shè)計要求的最大加載值,且樁頂沉降量達(dá)到相對穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)；

(4)荷載-沉降曲線呈緩變型時，可加載至樁頂總沉降量60～80 mm；當(dāng)樁端阻力尚未充分發(fā)揮時，可加載至樁頂累計沉降量超80 mm。

1.2.3 監(jiān)測內(nèi)容

(1)沉降監(jiān)測。每級加荷后按5、15、30、45、60 min測一次樁頂沉降量，以后每隔30 min再測一次。以一小時內(nèi)樁頂沉降量不超過0.1 mm，并連續(xù)出現(xiàn)2次時(從分級荷載施加后第30 min開始，按1.5 h內(nèi)連續(xù)3次 每次30 min沉降觀測值計算)作為沉降相對穩(wěn)定的判斷標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)沉降相對穩(wěn)定時再加下一級荷載。

(2)樁身應(yīng)力監(jiān)測。在試驗加載過程中采用振弦式測讀儀對樁身應(yīng)力進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測，采用焊接法將振弦式鋼筋應(yīng)力計固定在鋼筋籠主筋上，并與樁身縱軸線平行，測點布置的位置分別為距樁頂2.0、4.0、6.0、10.0、12.0、13.8、15.6 m。連接應(yīng)力計的電纜線用柔性材料保護(hù)，綁扎在鋼筋籠內(nèi)側(cè)并引至地面，所有應(yīng)力計均用明顯標(biāo)記編號。

鋼筋應(yīng)力計在樁身埋設(shè)位置示意圖見圖6。每級荷載工況下，待樁頂沉降達(dá)到相對穩(wěn)定后，對樁身鋼筋應(yīng)力進(jìn)行測讀。

圖6 鋼筋應(yīng)力計在樁身埋設(shè)位置示意圖

2 試驗結(jié)果與分析.

2.1 荷載-沉降分析

整理大直徑混凝土樁單樁豎向抗壓靜力載荷試驗數(shù)據(jù)，可得樁頂荷載Q與樁頂沉降量s的關(guān)系曲線，如圖7所示。

圖7 荷載-沉降曲線

從圖7可以看出：

(1)ZJ1號樁加載至9 000 kN時，樁的總沉降量為4.16 mm，Q-s曲線呈緩變型；ZJ2號樁加載至14 000 kN時，樁的總沉降量為5.66 mm，Q-s曲線呈緩變型；ZJ3號樁加載至19 000 kN時，樁的總沉降量為6.87 mm，Q-s曲線呈緩變型。

(2)各試驗點在最大荷載作用下的荷載-沉降曲線呈緩變型，曲線均無明顯的拐點且未達(dá)到極限荷載，說明混凝土樁的變形性能良好。

根據(jù)《建筑基樁檢測技術(shù)規(guī)范》[17]中規(guī)定，可取最大試驗荷載的1/2作為單樁豎向，見表3。

從圖7和表3可知：在相同荷載情況下ZJ3號樁的沉降要小于ZJ2號樁的沉降，且ZJ3號樁的極限荷載要高于ZJ2號樁的極限荷載，表明增加樁長、中風(fēng)化嵌入度能減小沉降，并能提升樁的承載力。

因此，對沉降控制嚴(yán)格的工程可采用超長大直徑樁來滿足荷載及沉降的要求。

表3 單樁豎向抗壓承載力特征值

2.2 樁身軸力分析

本試驗主要對ZJ3號樁進(jìn)行樁身軸力分析。通過鋼筋應(yīng)力計測得鋼筋應(yīng)變，進(jìn)而求得樁身軸力。由于-2 m處樁身軸力均出現(xiàn)反常，且規(guī)律一致，另外，根據(jù)《建筑基樁檢測技術(shù)規(guī)范》[17]對樁身內(nèi)力測試的數(shù)據(jù)處理時應(yīng)刪除異常數(shù)據(jù)，故判斷為該截面處應(yīng)力計在加載試驗前受到干擾，故該處數(shù)據(jù)不作為分析的依據(jù)。

從深度為2 m處開始分析樁身的軸力，ZJ3號樁樁身軸力分布圖如圖8所示。

圖8 ZJ3號樁身軸力分布圖

從圖8可知：

(1)隨著荷載的逐漸增加，樁身各截面軸力也逐漸增加，樁身軸力未發(fā)現(xiàn)異常。在荷載增加過程中，軸力沿著樁身先逐漸增加，然后逐漸減小，最大軸力出現(xiàn)在樁頂以下4 m處，并沒有出現(xiàn)在樁頂。這是因為樁間土之間存在負(fù)摩阻力，負(fù)摩阻力出現(xiàn)在樁頂下0～4 m處，樁身0～4 m負(fù)摩阻力由于地基頂層樁間巖土體受褥墊層變形擠壓后而承受了部分荷載，一定深度范圍受褥墊層的沉降大于樁身的沉降，從而導(dǎo)致負(fù)摩阻力的出現(xiàn)。

(2)樁身4 m處是負(fù)摩阻力和正摩阻力交界處，為樁身中性面。樁頂4 m以下樁身軸力逐漸減小，說明在4 m以下區(qū)域樁身不再承受負(fù)摩阻力，開始承受正側(cè)摩阻力，正側(cè)摩阻力開始承擔(dān)上部荷載，樁身軸力隨著深度逐漸減小。

2.3 摩阻力分析

為了進(jìn)一步了解大直徑混凝土樁的承載特性，對ZJ3號樁進(jìn)行摩阻力研究。根據(jù)《建筑基樁檢測技術(shù)規(guī)范》[17]中方法計算側(cè)摩阻力，圖9是不同荷載下ZJ3號側(cè)摩阻力沿樁分布圖。

圖9 不同荷載下摩阻力沿樁長分布圖

從圖9可見：

(1)在樁頂下4 m處，側(cè)摩阻力由負(fù)值變?yōu)檎?，表明樁頂?～4 m處摩阻力為負(fù)摩阻力，樁頂4 m以下開始變?yōu)檎ψ枇?，并逐漸增大。

(2)隨著荷載增加，中上部的側(cè)摩阻力逐漸發(fā)揮,但側(cè)摩阻力的增量越來越小,逐漸逼近其極限荷載。在最大試驗荷載19 000 kN作用下，樁身軸力實測最大值為17 231 kN，測點距樁頂4 m；樁身側(cè)摩阻力實測最大值為433 kPa，位于強(qiáng)風(fēng)化泥巖和中風(fēng)化泥巖處。

(3)樁身軸力0～10 m范圍內(nèi)的側(cè)摩阻力平衡，即樁長范圍內(nèi)的摩阻力未完全發(fā)揮，大直徑混凝土樁承載狀態(tài)呈摩擦型；樁頂10 m以下的側(cè)摩阻力變化不同于10 m以上的，表明摩阻力在樁下部的變化復(fù)雜。這是由于樁底下部進(jìn)行擴(kuò)大，使得側(cè)摩阻力在樁底擴(kuò)大部分先增大后減小，因此，對樁底進(jìn)行擴(kuò)大會影響摩阻力的發(fā)揮，使得樁底擴(kuò)大部分的側(cè)摩阻力變化異常。

3 結(jié)論

(1)大直徑混凝土樁的單樁豎向承載力特征值均能滿足設(shè)計要求，其荷載沉降曲線Q―s曲線呈緩變型，滿足規(guī)范要求?？芍笾睆交炷翗毒哂邢鄬^高的承載力及樁身強(qiáng)度。

(2)在承受上部荷載時，大直徑混凝土樁上部一定范圍先承受負(fù)側(cè)摩阻力，然后開始承受正側(cè)摩阻力，隨著荷載增加，中上部的摩阻力逐漸發(fā)揮,但摩阻力的增量越來越小,逐漸逼近其極限荷載;樁底擴(kuò)大部分會影響摩阻力的發(fā)揮。

(3)大直徑混凝土樁在地質(zhì)條件為軟巖地區(qū)能夠發(fā)揮其較高承載力和樁身強(qiáng)度的特性。