胡立明

［上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市 200092］

0 引 言

樁基礎(chǔ)具有承載力大、沉降量小等優(yōu)勢(shì)，目前已成為土木工程中最為常用的基礎(chǔ)形式之一。樁基豎向抗壓極限承載力的確定是樁基設(shè)計(jì)的基本內(nèi)容，直接關(guān)乎建筑物的沉降控制及工程安全，因此得到了眾多學(xué)者及工程技術(shù)人員的關(guān)注[1-3]。

現(xiàn)有多種確定樁基豎向承載力的方法，大致可歸納為兩大類。第一類是間接法，即采用適當(dāng)方法得到側(cè)阻力和端阻力，兩者疊加得到樁的承載力。具體有室內(nèi)土工試驗(yàn)法、原位測(cè)試法等。室內(nèi)土工試驗(yàn)法通過(guò)取樣測(cè)試獲得土體強(qiáng)度參數(shù)，進(jìn)而計(jì)算樁的側(cè)阻力和端阻力，該方法簡(jiǎn)單便捷，但由于取樣擾動(dòng)、試驗(yàn)方法、操作規(guī)范性等，得到的結(jié)果會(huì)有比較大的離散性，因此僅能用于一般工程或初步設(shè)計(jì)階段。原位測(cè)試法[4]是采用諸如靜力觸探、標(biāo)貫、旁壓試驗(yàn)的手段對(duì)土體進(jìn)行原位測(cè)試，根據(jù)測(cè)試指標(biāo)與樁的側(cè)阻力和端阻力之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系，得到樁的豎向承載力。采用該方法得到的樁基承載力較室內(nèi)土工試驗(yàn)法更為可靠。第二類是靜載試驗(yàn)法[5-9]，對(duì)樁基進(jìn)行豎向抗壓靜載荷試驗(yàn)，直接得到樁的豎向承載力，是目前最為直接可靠的方法。根據(jù)荷載施加方式又可分為傳統(tǒng)靜載荷試驗(yàn)[5-7]（荷載施加于樁頂）以及自平衡靜載荷試驗(yàn)[8-9]（荷載施加于樁身某一深度位置）。

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，各種高層、超高層建筑、大型橋梁等不斷興建，對(duì)樁基承載力提出更高要求。樁基礎(chǔ)的發(fā)展呈現(xiàn)出樁徑不斷增大、樁長(zhǎng)不斷增長(zhǎng)的趨勢(shì)[10-11]。然而，目前人們對(duì)超長(zhǎng)大直徑樁的承載特性認(rèn)識(shí)還不夠深入。鑒于此，依托寧波某工程進(jìn)行了超長(zhǎng)大直徑樁的豎向抗壓靜載荷試驗(yàn)及樁身軸力測(cè)試，并將靜載荷試驗(yàn)得到的樁基極限承載力與通過(guò)樁身軸力測(cè)試得到的樁基極限承載力進(jìn)行對(duì)比。根據(jù)測(cè)試結(jié)果對(duì)樁的承載特性及荷載傳遞規(guī)律進(jìn)行分析，所得結(jié)論可望為超長(zhǎng)大直徑樁的設(shè)計(jì)提供參考。

1 工程概況

該工程位于浙江省寧波市，場(chǎng)地土層情況見(jiàn)表1。試樁樁徑1 500 mm、樁長(zhǎng)75 m，持力層為⑩1灰黃色粉質(zhì)黏土，試樁進(jìn)入持力層11.7 m；錨樁共4 根，樁徑1 200 mm、樁長(zhǎng)55 m。試樁與錨樁均為反循環(huán)鉆孔灌注樁，成樁之后養(yǎng)護(hù)28 d，采用錨樁法進(jìn)行豎向抗壓靜載荷試驗(yàn)，同時(shí)進(jìn)行樁身軸力測(cè)試。

2 試驗(yàn)情況介紹

2.1 豎向抗壓靜載荷試驗(yàn)

單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)采用錨樁橫梁反力裝置，荷載按規(guī)范要求分級(jí)施加，直至破壞。本試驗(yàn)采用油壓千斤頂（10 個(gè)320 t 的千斤頂）分級(jí)加載，荷載采用油壓傳感器測(cè)量，沉降測(cè)量采用4 只位移傳感器對(duì)稱安置在樁側(cè)2 個(gè)正交方向，每根錨樁檢測(cè)1 點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)置于錨樁樁頂混凝土面上。

加載方式采用慢速維持荷載法，荷載分級(jí)按1 500 kN 分級(jí)，第1 級(jí)加載量按2 倍分級(jí)荷載進(jìn)行，加至第11 級(jí)后，荷載增量減小為750 kN，直至加載至24 000 kN 試樁破壞。每級(jí)荷載施加后按照第5、15、30、45、60 min 測(cè)讀樁頂沉降量，以后每隔 30 min 測(cè)讀一次。每級(jí)卸載值為加載值的2 倍，每級(jí)荷載維持1 h，按照第15、30、60 min 測(cè)讀樁頂沉降量后，即可卸下一級(jí)荷載。卸載至零后，測(cè)讀樁頂殘余沉降量，維持時(shí)間為3 h，測(cè)讀時(shí)間為15、30 min，以后每隔30 min 測(cè)讀一次。

表1 場(chǎng)地土層情況

2.2 樁身軸力測(cè)試

采用在樁身不同位置埋設(shè)鋼筋應(yīng)力計(jì)的方式，測(cè)試各級(jí)荷載下樁身截面的內(nèi)力，并計(jì)算得到樁身軸力及側(cè)摩阻力的分布情況。鋼筋應(yīng)力計(jì)為型號(hào)JTM-V1000H 的振弦式鋼筋應(yīng)力計(jì)，應(yīng)力計(jì)連接桿直徑與鋼筋主筋相同。安裝時(shí)截?cái)嘀鹘?，? 000 mm左右的鋼筋應(yīng)力計(jì)及連接桿串聯(lián)其中，兩頭與鋼筋焊接，如圖1 所示。

圖1 鋼筋應(yīng)力計(jì)安裝方式

樁身內(nèi)力量測(cè)斷面設(shè)置在土層分界處，共10 個(gè)土層，對(duì)于層厚較大且側(cè)摩阻力提供相對(duì)較多的⑤、⑥1和⑩1土層，均分2 個(gè)斷面進(jìn)行安裝，每個(gè)斷面對(duì)稱布置4 只鋼筋應(yīng)力計(jì)（如圖2 所示），同時(shí)在樁帽下1 倍樁徑位置處布置一個(gè)標(biāo)定斷面，安裝4 只鋼筋應(yīng)力計(jì)，樁身由上到下分14 個(gè)斷面，埋設(shè)56 只鋼筋應(yīng)力計(jì)。

圖2 鋼筋應(yīng)力計(jì)安裝截面圖

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)豎向抗壓靜載荷試驗(yàn)過(guò)程中每級(jí)荷載所對(duì)應(yīng)的樁頂沉降，繪制出荷載- 沉降關(guān)系曲線（即Q-s曲線），如圖3 所示。由圖3 可知，當(dāng)荷載施加至24 000 kN 時(shí)，樁頂沉降急劇增大，該級(jí)荷載下的沉降量為110.09 mm，超過(guò)前一級(jí)荷載對(duì)應(yīng)沉降量（6.71 mm）的5 倍。根據(jù)《建筑樁基檢測(cè)技術(shù)規(guī)范》（JGJ 106—2014），終止加載并取其前一級(jí)荷載作為樁的極限承載力，即23 250 kN。另外，加載過(guò)程中樁頂最大沉降量為152.84 mm，卸荷過(guò)程中的最大回彈量為14.74 mm，回彈率為9.6%。

圖3 樁頂荷載- 沉降關(guān)系曲線

豎向荷載作用下，樁的受力鋼筋會(huì)發(fā)生微應(yīng)變，導(dǎo)致鋼筋應(yīng)力計(jì)的頻率隨之發(fā)生變化，據(jù)此可計(jì)算出鋼筋應(yīng)力計(jì)所受到的豎向力為：

式（1）中：Qy為鋼筋應(yīng)力計(jì)所受豎向力；K 為鋼筋應(yīng)力計(jì)標(biāo)定系數(shù)；f0和fi分別為第i 級(jí)荷載施加前后鋼筋應(yīng)力計(jì)讀數(shù)。

根據(jù)鋼筋與鋼筋應(yīng)力計(jì)的應(yīng)變協(xié)調(diào)，可得：

式（2）中：Qg為對(duì)應(yīng)截面處鋼筋所受豎向力；Eg和 Ag分別為鋼筋的彈性模量和橫截面積；Ey和Ay分別為鋼筋應(yīng)力計(jì)的彈性模量和橫截面積。

根據(jù)混凝土和鋼筋的應(yīng)變協(xié)調(diào)，可得：

式（3）中：Qc為對(duì)應(yīng)截面處混凝土所受豎向力；Ec和Ac分別為對(duì)應(yīng)截面樁身混凝土的彈性模量和橫截面積。

由式（1）、（2）和（3）可得，該截面位置樁身軸力可表示為

式（4）中：Qp為對(duì)應(yīng)截面處樁身軸力。

進(jìn)一步根據(jù)極限荷載作用下各截面的樁身軸力值，按照下列方程可分別計(jì)算樁周土的極限側(cè)摩阻力和極限端阻力：

式（5）、式（6）中：qsi為第 i 層樁周土的極限側(cè)摩阻力；upi和lpi分別為第i 段樁的周長(zhǎng)和長(zhǎng)度；qp為極限端阻力；Ap為樁端橫截面積；Qpn為極限荷載作用下樁端位置的軸力。

根據(jù)鋼筋應(yīng)力計(jì)測(cè)試數(shù)據(jù)，并按照式（1）~（4）計(jì)算得到的各級(jí)荷載下樁身軸力分布情況如圖4 所示。由圖4 可知，某級(jí)荷載作用下，樁身軸力隨著深度的增大而逐漸減小，這是樁周土側(cè)摩阻力發(fā)揮作用的結(jié)果。在淺部位置，隨著樁頂荷載的逐漸增大，樁身軸力曲線的斜率變化不大，表明在較低荷載水平下樁周側(cè)摩阻力已充分發(fā)揮；而在深部位置，軸力曲線斜率則隨著樁頂豎向荷載的增大而增大。另外，當(dāng)荷載水平較低時(shí)，荷載主要由淺部位置的樁周土分擔(dān)，并未傳遞至深部位置及樁端；即使荷載水平很高時(shí)，仍然只有很小一部分荷載傳遞至樁端，這也是超長(zhǎng)樁與短樁的區(qū)別所在，是工程中需要注意的問(wèn)題。

根據(jù)式（5）計(jì)算得到的各土層極限側(cè)摩阻力分別 為 53.98 kPa、5.90 kPa、114.78 kPa、96.81 kPa、27.08 kPa、42.38 kPa、148.06 kPa、119.42 kPa、71.10 kPa 和32.49 kPa。由此計(jì)算得到的樁的極限側(cè)阻力為20 440 kN，與極限端阻力疊加之后的極限承載力計(jì)算值為22 613 kN，與靜載荷試驗(yàn)的結(jié)果非常吻合?？梢宰C明測(cè)試方法及測(cè)試結(jié)果的可靠性，通過(guò)軸力測(cè)試得到的各土層極限側(cè)摩阻力及極限端阻力可為本工程樁基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)提供參考。

圖4 不同荷載下樁身軸力的分布情況

4 結(jié) 論

（1）豎向靜載荷試驗(yàn)的荷載-沉降關(guān)系曲線為陡降型，取前一級(jí)荷載作為樁基極限承載力；

（2）對(duì)超長(zhǎng)樁而言，淺部樁周土側(cè)摩阻力得到了充分發(fā)揮，而端阻力發(fā)揮較少，當(dāng)荷載水平較低時(shí)，荷載主要由淺部位置的樁周土承擔(dān)；

（3）通過(guò)樁身軸力測(cè)試計(jì)算得到的樁基極限承載力與豎向抗壓靜載荷試驗(yàn)得到的結(jié)果吻合，證明了試驗(yàn)方法及測(cè)試結(jié)果的可靠性，所得土層參數(shù)可為本工程樁基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)提供參考。