利用静载试验分析钻孔灌注摩擦桩承载特性

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[摘要]：本文依据某个工程3根直径为1m、长度为65～72m 的钻孔灌注摩擦桩的静载试验, 对钻孔灌注摩擦桩荷载的传递机理、荷载-沉降量曲线、桩侧摩阻力与桩土相对位移关系以及桩端反力等进行了计算分析, 给出了主要土层的桩侧摩阻力与桩土相对位移关系曲线, 提出了考虑桩土相对位移影响的钻孔灌注摩擦桩极限承载力计算建议。

[关键词]: 钻孔灌注桩; 静载试验; 桩侧摩阻力; 极限承载力

Abstract: Based on the tests on the three bored cast in situ friction piles, which were 1.0m in diameter each and 65 to 72m long respectively, analysis were made on the translation mechanism of load, relationship of load to subsidence, distribution of centric compressed force along the pile depth, relationship of friction force around pile to relative displacement between pile and soil, and end reaction of the piles. The relationship of friction force around pile to relative displacement between pile and soil in the main soil layers, and the method considering the relative displacement between pile and soil for evaluating the ultimate bearing capacity of the large diameter bored cast in situ friction piles are also proposed.

Key words: bore-hole poured pile; static loading test; friction force around pile; ultimate bearing capacity

0、前言

南京河西新城区第四纪覆盖层厚度较大，通常在55～60米之间，上部分布着巨厚层软土，而在这个区域上将建造一批高层建筑群，其中大量20层以上高层建筑采用钻孔灌注桩加固地基（以基岩为桩端持力层），应用灌注桩的数量也就可想而知。因此研究河西地区钻孔灌注桩承载力成为工程设计研究的一个重要问题。

本文在进行了直径为1.0m、桩长为65～72m的3根钻孔灌注摩擦桩试验研究的基础上，搜集了相关的实测资料，对共性的静载受力特性作了比较详细的分析总结。

对位于河西地区的工程，桩基工程设计中，单桩竖向极限承载力标准值取值正确与否直接影响到建设工程的安全和造价。

1、试桩概况

南京某工程位于河西江东南路与茶亭东街交叉口东南角，试桩直径均为1.0m，1#，2#，3#桩的长度分别为65.0m,72.0m,69.0m,混凝土强度等级为C30，设计承载力1#、3#桩为12000kN，2#桩为15000kN。试桩成三角形分布，根据勘察单位提供的勘察资料，试验桩的工程地质概况见表1。

2、摩擦桩的荷载传递机理

摩擦桩的荷载传递路径为桩顶荷载桩身桩侧土体和桩端土体, 桩身混凝土受荷发生压缩变形, 桩侧土体受荷发生剪切和压缩变形, 使桩土产生相对位移, 桩侧土体提供摩阻力抵抗荷载的作用。

对长桩来说, 较小的桩顶荷载完全由桩侧土体的摩阻力平衡, 桩端反力为零或很小, 与荷载不成比例增长。在荷载达到某一量值后(约占总荷载的30%～ 40% ) , 桩端反力开始表现出随桩顶荷载增加而增大的规律, 但量值相对于桩的承载力而言较小。本文所述的试验桩最大试验荷载时桩端反力占荷载的比例如表2 所列。

荷载向周围土体传递的情况, 与土的物理力学性质、成孔及灌注混凝土等施工过程中土状态的变化、桩身混凝土的力学特性和几何特征等有关。在相同的施工条件及桩身情况下, 主要与周围土的性质有关。荷载较小时, 首先是桩侧上部土层摩阻力的发挥, 随荷载增加或时间推移荷载逐渐向下传递, 下部土层的摩阻力逐渐发挥(图1)。对摩擦桩而言, 桩侧摩阻力随着桩周与土体间相对位移的增加而增加, 相对位移达到某一数值后, 摩阻力即达到极限值。

本次静载荷试验采用堆载―慢速维持荷载法。根据工程场地的地质条件在桩体上每层土的位置各布设一组钢筋计，一组两个，对称布置；土压力盒布设在每根桩底。元器件的埋设：①在钢筋笼制作过程中，将钢筋计对称焊接在桩体钢筋笼主筋上，焊接采用绑条双面满焊，即钢筋计取代一段主筋，随后同钢筋笼一道浇注。信号线引至地表，留出线头待测。接近地面的信号线段用波纹管保护。②在每根桩底部各布设两个压力盒，压力盒安放在笼底预设的三角座上，压力盒受压面垂直向上，信号线引至地表。具体埋设位置详见下表3：

试验采用的仪器为VW―1型振弦读书仪。测试方法：在静载荷试验过程中，每施加一级荷载测读一次所埋元器件的变化频率，换算出钢筋受力，进而得到不同阶段的桩身侧摩阻力及桩端阻力。

3、试验结果分析及讨论

试桩在加载卸载过程中，桩侧摩阻力随着桩顶荷载的增大而增大，5-1，5-2a的岩层中表现较为明显。如图1所示。

（1）判断土层摩阻力的标准 按照规范查表确定极限侧阻力的方法中, 国内现行的绝大部分规范均把液性指数作为判定的主要依据。但近年来的试验结果都表明, 影响土的侧阻力的因素是多方面的。

由试验可以看出，随着桩身深度的增加,试桩桩身下部、尤其在接近桩端处的土层摩阻力较规范值有较大提高。其次,性质大体相似的土层极限摩阻力随着土层埋置深度的增大而上升。

（3）土层差异对侧阻力的影响

本试验中，在加载过程中，土层3-1、3-3为中密细砂层，桩侧阻力测试数据显示其值较大，且随着荷载的增加，侧阻力亦随之提高，侧阻力的强化效应就越显著。

4、结论

(1) 大直径钻孔灌注长桩(L/d=65～72, L为桩长,d为桩的直径)的承载力主要由桩侧土摩阻力提供。桩端反力根据土层分布的不同，所占承载力的比例亦有所差异，总体上对桩的承载贡献较小。

(2) 桩侧土摩阻力是随着桩顶荷载变化的, 并且不是同时以极限摩阻力工作, 上部土层在桩达到极限承载力时已超过极限摩阻力而进入屈服状态,下部土层仍处于摩阻力增加的受力阶段。

(3) 桩侧土摩阻力与桩土相对位移之间存在良好的变化关系, 将桩的极限承载力计算与各土层的桩侧土摩阻力和桩土相对位移的关系相联系, 对于准确的计算桩的极限承载力是必要的。

注：文章内的图表及公式请以PDF格式查看