第２８卷第６期 辽宁工程技术大学学报（自然科学版） ２００９年１２月 、，０１．２８ Ｎｏ．６ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｌｉａｏｎｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（Ｎａｔｒｕａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ） Ｄｅｃ． ２００９ 文章编号：１００８．０５６２（２００９）０６—０９５７—０４ 深厚土层中长径比相近灌注桩承载性状 王学知 ，一，赵春风 ，赵洪平。 （１．同济大学地下建筑与工程系，上海２０００９２；２．上海市建筑科学研究院（集团）有限公司 上海建科建设监理咨询有限公司，上海２０００３２；３．常州市建设局市政管理处，江苏常州２１３００３） 摘要：为了研究长径比相近灌注桩的承载性状，在常州高架道路工程城北干道一承台中设有两根桩径分别为 １２００ ｍｍ、６００ ｍｍ长径比分别为４２．５、４５的钻孔灌注桩，分别对其进行静载荷试验和桩身应力测试结果分析。 研究结果表明：桩端承载力低，两桩的载荷．沉降关系均表现为陡降型，且存在明显拐点；两桩桩身轴力分布曲 线形态相似，小直径试桩的竖向载荷沿深度衰减规律相对于大直径试桩更接近于线性，载荷传递率更高；同一土 层中直径较小试桩侧摩阻力略大于较大直径试桩，并且在其桩端附近出现明显大于同深度大直径试桩侧摩阻力的 现象。该结论对深厚土层中灌注桩的设计、施工具有一定参考价值。 关键词：钻孔灌注桩；载荷传递；承载性状；静载试验 中图分类号：ＴＵ ４７３．１ 文献标识码：Ａ Ｂｅａｒｉｎｇ ｂｅｈａｖｉｏｒ Ｏｆ ｃａｓｔ—ｉｎ．ｐｌａｃｅ ｐｉｌｅｓ ｗｉｔｈ ｓｉｍｉｌａｒ ｓｌｅｎｄｅｒｎｅｓｓ ｒａｔｉｏｓ ｉｎ ｄｅｅｐ ｓｏｉｌ ｌａｙｅｒ ｗＡＮＧ Ｘｕｅｚｈｉｌ’ ，ｚＨＡｏ Ｃｈｕｎｆｅｎｇ ，ＺＨＡＯ Ｈｏｎｇｐｉｎ （１．Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｇｅｏｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＴｏｎｇＪｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ ２０００９２，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｊｉａｎｋｅ Ｐｒｏｊｅｃｔ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｓｈａｎｇｈａｉ Ｂｕｉｌｄｉｎｇ Ｒｅｓｅａｒｃｈ（Ｇｒｏｕｐ）Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｓｈａｎｇｈａｉ ２０００３２， Ｃｈｉｎａ；３．Ｍｕｎｉｃｉｐａｌ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｏｆｉｆｃｅ，Ｃｈａｎｇｚｈｏｕ Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ Ｂｕｒｅａｕ，Ｃｈａｎｇｚｈｏｕ ２１３００３，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｏ ｓｔｕｄｙ ｔｈｅ ｂｅａｒｉｎｇ ｂｅｈａｖｉｏｒ ｏｆ ｃａｓｔ・・ｉｎ・・ｐｌａｃｅ ｐｉｌｅｓ ｗｉｈｔ ｓｉｍｉｌｒａ ｓｌｅｎｄｅｒｎｅｓｓ ｒａｔｉｏｓ ｉｎ ｄｅｅｐ ｓｏｉｌ ｌａｙｅｒ，ａ ｓｔａｔｉｃ ｌｏａｄ ｔｅｓｔ ａｎｄ ａ ｐｉｌｅ ｓｔｒｅｓｓ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｔｅｓｔ ｒａｅ ｃｏｎｄｕｃｔｅｄ ｏｎ ｔｗｏ ｐｉｌｅｓ，ｏｎｅ ｗｉｈｔ ａ ｄｉａｍｅｔｅｒ ｏｆ １ ２００ｍｍ ａｎｄ ａｎ ａｓｐｅｃｔ ｒａｔｉｏ ｏｆ ４２．５．ｔｈｅ ｏｔｈｅｒ ｗｉｈｔ ａ ｄｉａｍｅｔｅｒ ｏｆ ６００ｍｍ ａｎｄ ａｎ ａｓｐｅｃｔ ｒａｔｉｏ ｏｆ ４５．Ｔｈｅ ｐｉｌｅｓ ａｒｅ ｌｏｃａｔｅｄ ｉｎ ａ ｐｉｌｅ ｃａｐ ａｔ Ｃｈｅｎｇｂｅｉ Ｒｏａｄ，Ｃｈａｎｇｚｈｏｕ．Ｔｈｅ ｓｔｕｄｙ ｓｈｏｗｓ ｈｔａｔ ｔｈｅ ｂｅａｒｉｎｇ ｃａｐａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｐｉｌｅ ｂｏｓｏｍ ｉｓ ｌｏｗ，ａｎｄ ｈｔｅ Ｑ—Ｓ ｃｕｒｖｅｓ ｏｆ ｂｏｔｈ ｐｉｌｅｓ ａｐｐｅａｒ ｈａｖｉｎｇ ａ ｓｔｅｅｐ ｄｒｏｐ ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ ｗｉｈｔ ａ ｓｉｇｎｉｉｆｃａｎｔ ｉｎｆｌｅｃｔｉｏｎ ｐｏｉｎｔ．Ａｌｈｔｏｕｇｈ ｈｔｅ ｃｕｒｖｅ ｓｈａｐｅｓ ｏｆｂｏｔｈ ｐｉｌｅｓ ａｒｅ ｓｉｍｉｌｒａ，ｔｈｅ ｌｏａｄ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｒａｔｉｏ ｏｆｌａｔｅｒ ｏｎｅ ｉｓ ｈｉｈｇｅｒ ｈｔａｎ ｈｔａｔ ｏｆｆｏｒｍｅｒ ｏｎｅ．Ｔｈｉｓ ｉｓ ｄｕｅ ｔｏ ｔｈｅ ｆａｃｔ ｈｔａｔ ｈｔｅ ｌｏａｄ ａ￣ｅｎｕａｔｉｏｎ ｔｙｐｅ ｏｆｌａｔｅｒ ｏｎｅ ｉｓ ｍｕｃｈ ｍｏｒｅ ｃｌｏｓｅ ｔｏ ｌｉｎｅａｒ ｈｔａｎ ｈｔａｔ ｏｆｆｏｒｍｅｒ ｏｎｅ；ｔｈｅ ｓｉｄｅ ｆｒｉｃｔｉｏｎ ｏｆ ｓｍａｌｌ ｐｉｌｅ ｉｓ ｓｌｉｇｈｔｌｙ ｌａｒｇｅｒ ｈｔａｎ ｔｈａｔ ｏｆ ｌｒａｇｅ ｐｉｌｅ．砀ｅ ｓｔｕｄｙ ｒｅｓｕｌｔｓ ｐｒｏｖｉｄｅ ａ ｇｏｏｄ ｅｘａｍｐｌｅ ｆｏｒ ｄｅｓｉｇｎｉｎｇ ａｎｄ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｎｇ ｃａｓｔ—ｉｎ—ｐｌａｃｅ ｐｉｌｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｄｒｉｖｅｎ ｃａｓｔ—ｉｎ－ｐｌａｃｅ ｐｉｌｅ；ｌｏａｄ ｔｒａｎｓｆｅｒ；ｌｏａｄ－ｂｅａｒｉｎｇ ｃａｐａｂｉｌｉｔｙ；ｓｔａｔｉｃ ｌｏａｄ ｔｅｓｔ 引 言 决的问题［４＿７１。 本文结合常州高架道路一期工程中静载荷试验 钻孔灌注桩以其施工方便、承载性能好，在基 与桩身应力测试结果，对长径比相近桩径不同钻孔 础工程中应用越来越广泛。但由于灌注桩受到土体 灌注桩的载荷传递规律与承载性状进行分析探讨。 特征、桩身刚度及施工工艺等众多因素影响，当前 对深长灌注桩的研究还不够深入，对其载荷传递机 １ 工程概况 理还需进～步探索【１弓Ｊ。如何使灌注桩最大限度发挥 其最大承载性能，在基桩设计中做到合理又经济， 常州高架道路系统（一期）工程总长２９．５５ ｋｍ， 既是桩基理论自身发展的需要也是工程界亟待解 是常州快速路网的重要组成部分，工程基桩总数 ９ ７３０根。常州地区所在区域属于长江三角洲冲积 收稿１３期：２００８．０７．１５ 基金项目：上海市重点学科建设基金资助项目（Ｂ３０８） 作者简介：王学知（１９７９．），男，山东青岛人，博士研究生，主要从事地基基础方面的研究。本文编校：曾繁慧 ９５８ 辽宁工程技术大学学报（自然科学版） 第２８卷 平原，为松散沉积物组成的堆积平原地貌，地势较 Ｌ＝５１ ｍ，长径比为Ｌ／Ｄ＝４２．５；试桩Ｐ２：直径为Ｄ＝ 为平 ，地质情况变化较小。在城北干道段某承台 ６００ ｍｍ，埋深Ｌ＝２７ ｍ，长径比Ｌ／Ｄ＝４５，分别进行 内布置两根试桩，土层分布及性质基本相同，灌注 静载荷测试与桩身应力测试。试桩所在各层土体的 桩长径比相近。试桩Ｐｌ：直径Ｄ＝Ｉ ２００ ｍｍ，埋深 物理力学指标如表１。 表１ 地基土体物理力学性质指标 Ｔａｂ．１ ￣ｈｖｓｉｃａｌ ａｎｄ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ￣ｒｏＤｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｓｏｉｌ 层号 ．ｔ层名称 层 ， 天爹 孔 Ｅ压缩模量 ｓ１－２／ＭＰａ （１） 填土 （３） 粘上 ２０．２ ２３．４ ０．７３８ ６０．６ １５＿３ ５．５１ （４） 亚粘土夹砂土 １９．３ ２８．２ ０９０５ ２０．４ ２３．７ ８．０２ （５） 粉砂夹亚砂±： ｌ８．７ ３１．７ ０ ８９６ ８．８ ２９．９ ９．６３ （５） 粉砂 １９ ３０．５ ０．８２７ ８＿３ ３１－３ １３．２１ （５）。 粉砂夹哑粘土 １８．８ ３１．６ ０．８６５ ９．２ ３０．６ ９．５４ （９） 粉砂夹亚砂土 ｌ８．９ ３Ｏ．９ ０．９ｌ０ １２．５ ２７．４ ８．３７ ｑＤ 业粘 Ｉ： １９ ２ ２９．４ １．Ｏ９１ ２４．１ １１．Ｏ ６．４６ ２．２量测设备 ２静载荷现场试验 桩身应变采用ＹＢＪ５０Ｂ型振弦式应变计测试， 元件埋设在相邻两个土层分界面处，每个分界面均 ２．１ 试验方法 匀埋设３个混凝土应变计，由试桩位置的钻孔柱状 图以及每节钢筋笼长度和钢筋搭接长度来设置应 试桩所在承台为九桩承台，根据现场条件采用 变计在每节钢筋笼上的位置，遇到埋设点处于钢筋 锚桩横梁反力加载装置，反力装置由主梁、次梁、 搭接长度范围内时，适当调整应变计的位置，以免 钢帽、锚桩和焊接钢筋组成。四根工程桩作为锚桩， 损坏测试元件。混凝土应变计测试线与ＪＸ系列手 经计算每根锚桩采用３４根ｃｂ２８ ｍｍ的钢筋通长配 动集线箱连接，４０６型频率测读仪与集线箱连接即 置，两根钢粱平行紧排作为主梁，另两钢梁作为次 可测读相应载荷下各元件的频率值，通过给定公式 粱，主梁和次梁沿长度方向中间部位一段进行了加 可求得相应的桩身应力应变值。 强处理。加载装置由油压下斤顶、、油泵和武 汉岩海自动加载仪组成。试验装置如图１。 ３试验结果分析 试验加载方式采用慢速维持载荷法，两根试桩 都加载至极限载荷，试桩Ｐ１加载至１１ ０００ ｋＮ，试 桩Ｐ２加载至３ ６００ｋＮ，Ｑ－Ｓ曲线出现明显转折。试 桩过程中对锚桩的上拔量进行监测，锚桩没有发生 任何破坏，上拔量小于规范允许值。 ３．１ 载荷一沉降特征分析 Ｏ／ｋＮ 图１静载试验装置 ０ ２ ０００ ４ ０００ ６ ０００ ８ ０００ ｌ０ ０００ １２ ０００ Ｆｉｇ．１ ｓｔａｔｉｃ ｌｏａｄ ｔｅｓｔ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ２０ Ｐ．试桩 试验加载方式采用慢速维持载荷法，试验过程 ４０ 中仪器可自动补载，尽可能保证在每级载荷下稳 ６０ Ｐ２试桩 压，两根试桩都加载至极限载荷。加载方法、加载 ８Ｏ 稳定判定标准和终止加载条件严格执行《建筑基桩 １Ｏ０ ｌ２０ 检测技术规范》（ＪＧＪ１０６—２００３）、《江苏省规范基桩 质量检测工作实施导则》。试桩过程中对锚桩的上 图２试桩Ｑ．Ｓ曲线 拔量进行监测，锚桩没有发生任何破坏，上拔量小 Ｆｉｇ．２ Ｑ—Ｓ ｃｕｒｖ＇ｅｓ ｏｆ ｔｅｓｔ ｐｉｌｅｓ 于规范允许值。 图２为２根试桩的Ｑ—Ｓ曲线，可以看出：两根 试桩的Ｑ．Ｓ曲线均为陡降型。当试桩Ｐｔ桩项沉降超 过ｌ４．６７ ｍｍ，试桩Ｐ２桩顶沉降超过９．０８ ｍｍ，而随 第６期 王学知，等：深厚土层中长径比相近灌注桩承载性状 ９５９ 着下一级载荷的施加，两桩呈现突变沉降，桩顶竖 慢，部分土层出现了侧阻力软化现象，桩身下部土 向位移突然增大，终止试验前两者的沉降分别 １１０．０６ ｍｉｌｌ、８５．５０ ｍｌ＇ｎ，两桩发生突变沉降，存在 明显拐点，之后进行桩顶卸荷，桩顶回弹量分别为 ８．６１ ｍｍ、１２．４５ ｍｌｎ，回弹率分别为７．８２％、１４．６％， 两桩的回弹量都很小，说明桩土体系已超出弹性工 作范围，进入破坏状态。因此，Ｐ。试桩极限承载力 取９ ５４０ ｋＮ，Ｐ２试桩取３ ２００ ｋＮ。 ３．２身轴力传递特征分析 桩身轴力分布如图３。 轴力／ｋＮ ０ ３ ０００ ６ ０００ ９ ０００ ｌ２ ０００ 要 ｕｖ ５ ｍ＝２加 如：会∞ 图３桩身轴力随深度变化 Ｆｉｇ．３ ｃｈａｎｇｅｓ ｏｆ ａｘｉａｌ ｆｏｒｃｅ ａｌｏｎｇ ｐｉｌｅ ｓｈａｆｔ 图３可知，桩身轴力曲线形态相似，大致都呈 “倒三角”分布，试桩Ｐ２中竖向载荷沿深度衰减规 律相对于试桩Ｐ，更接近于线性，载荷传递率更高； 两桩各测试截面轴力均随着加载级的增加而逐渐 增大，某段陡缓程度反映该段土层摩阻力的大小， 曲线越陡，摩阻力越小，曲线越缓，摩阻力越大， 轴力增幅反映了桩侧各土层侧摩阻力的发挥情况。 ３．３桩侧摩阻力随深度变化关系 桩侧摩阻力随深度变化曲线如图４。桩侧摩阻 力的发挥与上部载荷水平、土层性质、桩土位移关 系以及桩身性质密切相关。随着桩顶载荷的增加， 桩侧摩阻力逐步发挥出来，且上部土层的摩阻力先 于下部土层发挥作用，其发挥过程具有异步性；当 载荷接近极限载荷时，上部土层侧阻力增加速度变 层阻力虽得到了进一步发挥，但仍具有～定潜力。 侧摩阻力／ｋＰａ ０ １Ｏ ２Ｏ ３０ ４０ ５０ ６０ ２１２０ｌ（Ｎ ３ ｌ８ＯｋＮ ４ ２４０ｋＮ ５ ３００ｋＮ ６ ３６０ｋＮ ７４２０ｋＮ ８４８０ｋＮ ９ ５４０ｋＮ 侧摩阻力／ｋＰａ ０ １０ ２Ｏ ３Ｏ ４０ ５０ ８００ｌ（Ｎ ５ １ ２００ｌ（Ｎ １ ６００ｋＮ １Ｏ ２ ０００ｋＮ 昌 ２ ４００ｋＮ １５ ２ ８００ ｋＮ ３ ２００ｌ ２Ｏ ２５ ３０ 图４桩侧摩阻力随深度变化 Ｆｉｇ．４ ｃｈａｎｇｅｓ ｏｆ ｓｋｉｎ ｆｒｉｃｔｉｏｎ ａｌｏｎｇ ｐｉｌｅ ｓｈａｆｔ ３．４桩侧摩阻力与桩土相对位移变化关系 桩侧摩阻力与桩土相对位移变化曲线如图５。 （１）土体极限侧摩阻力的充分发挥与桩。土相 对位移密切相关，随着载荷等级的增加而增大，桩 ．土间相对位移不断增大，桩周土层的侧摩阻力也不 断增大，但当载荷接近极限时，侧摩阻力增加速度 变慢，第（３）层粘性土层甚至出现侧阻力软化现象； （２）桩身直径对桩侧摩阻力有一定影响，在 同一土层Ｐ】试桩略小于Ｐ２试桩，这主要由于钻孔 灌注桩成孔过程中，施工机具对土体的扰动，破坏 了土的结构状态，造成桩周土沿孔壁径向应力释 放，导致桩周径向应力减小，土体对桩身的径向挤 压力降低，并且降低程度与桩径有关，桩径越大降 低越多； （３）试桩Ｐ２端部附近的侧摩阻力略大于同深 度处试桩Ｐ 的的侧摩阻力。这是由于短桩桩端土体 对桩端附近侧摩阻力起到一定强化作用，从而使得 短桩桩底附近侧摩阻力与同深度桩的侧摩阻 力相比出现增大现象 Ｊ。 ９６０ 辽宁．７－程技术大学学报（自然科学版） 第２８卷 ４ 结 论 土层（３） 室 叠 土层ｆ４１ 土层ｆ５）．Ｉ 土层（５） ２ 土层（５）一３ 坠 ｇ 爨 土层（９）－２ 土层（１１） 常州高架道路工程（～一期）某承台中两根长径 比相近试桩的静载荷试验和桩身应力测试结果分 析，对深厚土层中长灌注桩载荷传递规律和承载性 状进行探讨，得到以下结论： （１）深厚土层中，桩端承载力低，长径比相 近两长桩的载荷．沉降关系表现为陡降型，存在明显 拐点，可取相应于陡降段起点的载荷值作为单桩极 桩土相对位移／ａｒｍ （试桩Ｐ ） ５Ｏ 土层ｆ３１ 里４０ 土层（４）－１ 蛊３０ 土层（５）一１ 避 土层（５）－２ 器２Ｏ 掣 土层ｆ５ 一３ １０ 土层（９）－２ 桩土相对位移／ａｒｍ （试桩Ｐ ） 图５桩侧摩阻力与桩土相对位移曲线 Ｆｉｇ．５ ｃｕｒｖｅｓ ｏｆ ａｖｅｒａｇｅ ｌａｔｅｒａｌ ｆｒｉｃｔｉｏｎ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ＶＳ ｐｉｌｅ—ｓｏｉｌ ｒｅｌａｔｉｖｅ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ３．５桩端阻力随载荷水平变化 在不同载荷水平作用Ｆ，桩端摩阻力比ＱＪＱ 曲线如图６。 鋈 ６ ０ ２ ０００ ４ ０００ ６ ０００ ８ ０００ １０ ０００ １２ ０００ Ｑ｝ 图６桩端阻力比ＱｄＱ曲线 Ｆｉｇ．６ ＱＪ９ ｃｕｒｖｅｓ ｏｆｔｅｓｔ ｐｉｌｅｓ 通过图６可以看出，上部载荷不同端部承载力 所占总载荷的比例并不是常数，侧摩阻力与端阻力 的最大值不是同时到达 ｊ，取基桩设计承载力值为 极限承载力一半，此时，试桩Ｐ 、Ｐ２桩端载荷占桩 顶载荷的比例分别为５．４０％￣Ｈ ５．９２％，可见，工作 状态下主要由桩侧摩阻力承受上部载荷。 限载荷。 （２）两桩桩身轴力曲线形态相似，较短桩中竖 向载荷沿深度衰减规律相对于较长桩更接近线性， 载荷传递率更高；桩身直径对桩侧摩阻力有一定影 响，在同一土层中直径较小试桩略大于直径较大试 桩；较短灌注桩桩底附近桩侧摩阻力明显大于同深 度长桩的侧摩阻力。 （３）随着上部载荷变化，桩端部阻力所占总 载荷的比例并不是常数，侧摩阻力与端阻力的最大 值不是同时到达。对于较长桩，在应用规范计算基 桩承载力时，还应注意对设计载荷作用下桩顶的沉 降进行验算。 参考文献： ［１】叶建忠，周 健，韩冰．灌注桩侧摩阻力发挥模式的研究［Ｊ］．岩 土力学，２００６，２７（１１）：２０２９－２０３２． ［２】《桩基工程手册》编写委员会．桩基工程手册［Ｍ】．北京：中国建筑 工业出版社，１９９２． ［３］张建新，吴东云，杨宝珠．不同桩侧粗糙度下桩侧阻力分析【Ｊ］．辽 宁：翻呈技术大学学报，２００８，２７（１）：５７—５９． 【４】顾培英，王德平，吕惠明．大直径灌注桩桩侧摩阻力试验研究Ｉｊ１ 公路交通科技，２００４，２１（１）：６２—６６ ［５】辛公锋，张忠苗，夏唐代，等．高载荷水平下超长桩承载性状试验研 究［Ｊ］．岩石力学与工程学报，２００５，２４（１３）：２３９７—２４０２． 【６】张建新，吴东云．桩端阻力与桩侧阻力相互作用研究［Ｊ】．岩土力学， ２００８，２９（２）：５４１—５４４ 【７】王陶，马晔．超长钻孔桩竖向承载性状的试验研究［Ｊ］．岩土力学， ２００５，２６（７）：１０５３－１０５７． ［８］中华人民共和国住房和城乡建设部．ＪＧＪ９４—２００８，建筑桩基技术规 范［ｓ］．北京：中国建筑：Ｅ业出版社，２００８． 【９】中华人民共和国交通部．ＪＴＧＤ６３－２００７，公路桥涵地基与基础设计规 范［ｓ】．北京：人民交通出版社，２００７．
