某桥梁工程基桩在竖向荷载作用下桩身应力分析

唐冬梅

(湖南省交通科学研究院，湖南 长沙 410015)

0 引言

桩基础是现代建筑工程广泛使用且安全可靠的一种基础形式，它能将上部结构荷载深层稳定土层中，从而大幅减少基础沉降和建筑物不均匀沉降，提高结构稳定性。在桩基础施工设计中，一般所依据的重要的资料是工程地质勘察报告及工程地质剖面图和进行设计所需要的物理力学性能指标，但实际工作中，由于地质勘察资料的准确度以及具体工程场地的限制等因素，过多关注如何根据勘察地质资料、相关工程经验以及现行基础设计规范进行桩基施工图设计，有时是明显过于保守［1］。基静载试验作为目前最直观和最可靠的试验方法，能较准确测定单桩承载力，为此提出在试桩工程中测试单桩竖向静载试验的同时，进行桩身竖向应力应变追踪测试。进行基础设计的人都知道，桩身的承载力主要靠桩身穿越岩土地层对基桩承载力的发挥程度，本文结合工程实例，在桩顶受竖向荷载作用下，分析不同土层对桩身阻力的发挥比例，进一步诠释桩侧、桩端阻力在不同土层的应力分布。

1 资料概述

1.1 工程概况

某桩基工程位于湘江冲积平原区，为河漫滩、平原，地形平缓开阔，局部略有起伏。本工程的基础所承受的垂直下压荷载较大，浅部地层主要为湘江冲积物:上部覆盖层为第四系河流相冲积层①粉质粘土，可塑，层厚为3.5 m;②粉质粘土，硬塑，层厚为1.9 m;③粉质粘土，可塑，层厚为0.7 m;④卵石，密实，层厚为10.3 m;⑤粗砂，中密，层厚为1.0 m;下部基岩为侏罗系泥质粉砂岩;⑥强风化粉砂岩，泥质胶结，层厚为1.6 m;⑦中风化粉砂岩，该层厚度未被揭穿。其地层土力学性能不能满足上部结构对强度、变形的要求，根据国内相关工程的经验，本工程基础需要采用桩基。

试桩采用“一”字形布置。试桩桩型为钻孔灌注桩，直径为900 mm，桩基持力层为基岩强风化带，桩长19.1～19.6 m，桩身混凝土强度等级为 C30。设计要求单桩竖向抗压静载最大加载荷载为4 000 kN，实际每根单桩竖向抗压静载最大加载荷载为4 400 kN，桩身均未被破坏。

1.2 桩身应力测试原理和方法

试验桩桩身应力应变测试采用钢筋应力应变计法。试验钢筋计安装布置见图1。在桩身钢筋主筋上，在桩顶下1.0 m 布置一个标定截面，在每一代表层位的某一深度布置一个截面，每个截面正交对称安装4 个振弦式钢筋应力计，共计7 个截面测量在各级荷载作用下，桩身及桩端各部分的应力。

图1 钢筋应力计安装布置示意图

测试原理:当钢筋受轴向力时，引起弹性钢弦的应力变化，从而改变钢弦的振动频率，通过频率仪测得钢弦频率变化，即可测出钢筋所受荷载大小，进而可换算成桩身结构所受的作用力。因此推导出桩身各截面的应变和相应的轴力值，进而可换算成桩身的侧阻力和桩端的端阻力。

2 测试结果及分析

钢筋测力计在焊接前，焊接后，混凝土浇灌后4 d、5 d、6 d、7 d、8 d、9 d、10 d、13 d、16 d 分别进行了稳定性测试，表1为试验桩SZ2 桩身埋设的编号为25104、25136 的钢筋测力计的测试数据。测试数据表明浇灌混凝土后钢筋计6～8 d 后数据变化幅度小，很稳定。

表1 钢筋测力计安装后稳定性测试数据表

本次试验进行了3 根试验桩的桩身应力应变测试，编号为S1～S3，根据3 根试验桩桩身应变实测数据，计算出实测应变曲线的拟合曲线，竖向抗压静载试验轴力分布曲线见图2～图4。

从图2～图4可以看出桩顶的轴向压力最大，桩底的轴向压力最小，同一桩同一深度(层位)的轴向压力随桩顶压力的增大而增大，增加的幅度随深度的增加而减小;同一桩在桩顶压力下，轴向压力随深度的增加而减小，衰减速度随桩顶压力和深度的增加而加快。

图2 S1 桩身轴力分布曲线

图3 S2 桩身轴力分布曲线

图4 S3 桩身轴力分布曲线

从桩身轴力分布图直观分析:在桩顶受力初期(桩顶作用荷载较小时)，桩周侧摩阻力起主要作用，根据桩身轴力分布图并结合工程地质资料，侧阻力所占比重最大的部分为第④层密实卵石，该层厚为10.3 m;在桩顶受力中、后期(随着桩顶荷载的加大到极限状态)，桩端阻力逐渐发挥，并最终占据主导地位。

分析S1、S2、S3 单桩竖向抗压不同荷载下的轴力数据，在最大4 400 kN 荷载下，下压荷载主要由土层侧摩阻力和桩端粉砂岩端阻力共同承担，其中侧摩阻力占主要成分。根据测试数据分析，其阻力分布大致有以下特征:

1)桩侧侧摩阻力占总阻力的比例分别为S1:70.0%;S2:80.3%;S3:80.4%，且随着荷载的增大，所占比例逐渐减少，表明试验桩的土层侧摩阻力继续发挥的余地较小。

2)桩侧土层中，卵石层发挥的摩阻力最大，其占侧摩阻力的比例分别为S1:39.0%;S2:60.2%;S3:48.2%。

3)桩侧端阻力占总阻力的比例分别为S1:30.0%;S2:19.7%;S3:19.6%。且随着荷载的增大，数值逐渐增大，未完全趋于稳定，表明试验桩的端阻力发挥较小，桩端阻力还有进一步发挥的余地。

3 结语

1)桩周侧摩阻力分布基本上反映了地基土的力学性能，物理力学性能好的土层桩周侧摩阻力发挥较好，对于本次试验来讲，卵石层发挥的摩阻力比粘土层大，第④层卵石和第⑦层中风化粉砂岩具有很重要的工程意义，桩型选择充分考虑对他们的使用，可以大幅提高单桩极限承载力。

2)众所周知，在桩身材料强度有保障的前提下，嵌岩桩单桩竖向承载力标准值由桩周土总侧阻力、嵌岩段总侧阻力和总端阻力组成，而从试验桩的工作状态来看，加在桩顶荷载是由小变大的过程，桩身侧阻力和端阻力的发挥在加载的各个阶段是不一样的，大直径桩端阻力一般呈渐进破坏。应力测试数据显示，3 根试验桩桩端阻力仅占桩顶压力的20%～30%，这和常规意义上认为嵌岩桩多为端承桩或摩擦端承桩的理解是有差别的。本次试验桩的端阻力发挥较小，桩端阻力还有进一步发挥的余地，采取适当增加桩长，桩端嵌入泥质粉砂岩一定深度，以提高单桩承载力的使用，最好嵌入中等风化泥质粉砂岩(0.5～1 )D 深度。规范说明，对于嵌岩桩，嵌岩深度大于5D(D 为桩径)，传递到桩底的应力接近于零，说明端阻力几乎不发挥。

3)在掌握了桩的实际工作状态情况的桩身应力分布，不同地层桩侧阻力、端阻力的发挥的相关数据，为桩基施工图设计及优化设计提供科学依据。

［1］闵兆兴，贾艳敏，吴 春.施工荷载作用下桩基竖向受力试验分析与研究［J］.森林工程，2013，29(1):83 －85.

［2］GB 50010—2010，混凝土结构设计规范［S］.

［3］JGJ 94—2008，建筑桩基技术规范［S］.

［4］JGJ 106—2003，建筑基桩检测技术规范［S］.