过厚层填土嵌岩桩承载力性状试验研究

(广西瑞宇建筑科技有限公司,南宁 530003)

引言

近些年来，在社会经济和国家政策的指引下，我国土木工程基建事业快速发展，其中高层和超高层建筑物的发展尤为迅速，从而使我国的深基础工程不断面临新的技术挑战。桩基础由于其承载能力高、适用范围广、历史久远等特点而广泛应用于深基础工程中[1-4]。而嵌岩桩因为其单桩承载力高且拥有良好的抗震性能和良好的沉降收敛性能而被施工单位运用到深基坑工程中[5-8]，正逐渐往大直径、深长嵌岩桩的研究方向发展[9-13]，但由于嵌岩桩的高承载力导致其试验破坏过程较困难，所以现行关于嵌岩桩的工程试桩实测资料匮乏，极大地影响了人们对于嵌岩桩承载性状的相关了解[14-18]。且目前应用于工程实际中的嵌岩桩穿过填土层的厚度一般较小，更加缺乏对过厚填土层嵌岩桩的承载力性状的试验研究。本文通过对南宁市第三中学国际学校过厚层填土三根嵌岩桩进行现场静载荷试验，研究讨论其在静载作用下的承载特性，以此为嵌岩桩在今后类似地质条件下的实际工程施工过程提供相关应用参考依据。

1 工程概况及试验方案

1.1 工程概况

该工程为南宁市第三中学国际学校工程，场地地形属南宁盆地边缘低丘地貌，位于南宁向斜构造盆地东南部边缘，从南至北呈斜坡状，起伏较大，高差约10 m～34m，地面标高约为105.62 m～157.77m。场地内大部分区域存在回填土，厚约0.5 m～43.1m。下伏岩土层主要为古近系内陆湖相沉积的半成岩软质岩类地层，由泥岩、粉砂质泥岩、泥质粉砂岩、砂岩互层夹褐煤、钙质泥岩、泥灰岩等组成。两根试桩Z1(长21.6m，桩径1m)和Z2(长16m，桩径1m)桩位处地层分布如表1-2。

表1 试验桩Z1地质情况表

表2 试验桩Z2地质情况表

1.2 试验方案

测试采用慢速维持荷载法。

1)加载前对桩进行预压，预压值为按勘察报告参数计算的极限荷载的10%。

2)加载分级进行，每一级极限荷载的10%，首次加载极限荷载的20%，加载至极限荷载后按极限荷载的5%进行加载，加载至破坏。

3)加时应使荷载传递均匀、连续、无冲击，每级荷载在维持过程中的变化幅度不得超过分级荷载的±10%。

加载分级见表3。

表3 试验桩Z1、Z2加载分级表

2 试验结果及分析

2.1 荷载—沉降(Q—s)关系曲线

根据以上试验所得结果，Z1、Z2试桩所得的荷载—沉降(Q—s)曲线如图1所示。

图1 Z1桩荷载—沉降(Q—s)关系曲线图

图2 Z2桩荷载—沉降(Q—s)关系曲线图

由图1知，Z1试桩预估单桩竖向抗压极限承载力值为10900kN，当加载至第10级已达到本试桩预估单桩竖向抗压极限承载力值为10900kN时，测得桩顶沉降量为25.3mm，沉降数据相对稳定，远小于试桩破坏极限s=80.00mm。为了使试桩达到极限破坏继续加载，至15805kN时桩顶位移超过8000mm，已超过试桩破坏值，停止了加载。根据规范对缓变型Q～s曲线可取s=0.05D(D为桩径，s=50mm)对应的荷载值作为单桩竖向抗压极限承载力，第2根试桩取s小于50mm的上一级做为单桩竖向抗压极限承载力，即13625kN，对应的位移为49.00mm。

由图2知，Z2试桩预估单桩竖向抗压极限承载力值为7090kN，当加载至第10级已达到本试桩预估单桩竖向抗压极限承载力值为7090kN时，测得桩顶沉降量为35.00mm，沉降数据相对稳定，远小于试桩破坏极限s=80.00mm，为了使试桩达到极限破坏继续加载至7865kN时桩顶位移s=80.34mm，已达到试桩破坏值，停止了加载。根据规范对缓变型Q～s曲线可取s=0.05D(D为桩径，s=50mm)对应的荷载值作为单桩竖向抗压极限承载力，第3根试桩取s小于50mm的上一级做为单桩竖向抗压极限承载力，即7507kN，对应的位移为47.00mm。

2.1 桩轴向力

桩的轴向荷载传递，就是指在桩顶轴向荷载作用下，桩身产生内力和变形，通过桩壁和土的相对位移(简称桩土位移)产生桩侧摩阻力，同时桩端对土的贯入产生桩端阻力，作用在桩顶的轴向荷载就是通过桩侧摩阻力和桩端阻力传递到土中的。

均质土体中的一根等截面的单桩(桩周土不动，桩在荷载下往下压)，在桩顶荷载Q作用下：桩顶位移δ0、桩身任意深度z处的轴力NZ和桩土位移δz以及桩端的轴力N1和位移Z1。以桩顶(地面)作为坐标原点，离桩顶深度为 处的桩身轴力为：

(1)

通过静载试验和内力测试可以得到轴力分布情况，如图3、4所示。

图3 Z1桩轴力—埋深(N—s)关系曲线图

由图4可以看出，随着埋深增大，桩身截面的轴力将随之减小，是因为在竖向荷载的作用下，嵌岩桩的桩体会产生一定的轴向压缩，将会与嵌岩桩周围的土体产生纵向相对位移，在桩和周围土体间就会形成摩阻力，会阻碍桩顶荷载沿嵌岩桩身往下部的传递，所以会使得桩身截面的轴力随着深度的增大而减小。对于某一个试桩来说，当其桩顶的荷载越大时，相应轴力递减速率也更快，这表明了桩顶荷载越大时，桩侧阻力的阻碍作用就越明显。对于Z1和Z2试桩来说，其桩端截面仍残余一定轴力，表明了该嵌岩桩的桩端阻力也起着一定的作用。

图4 Z1桩轴力—埋深(N—s)关系曲线图

2.2 桩侧摩阻力

由侧摩阻力的计算公式f=Qi-QI+1(kN)和单位摩阻力公式fi=(Qi-Qi+1)/(πDh)(kPa)[19],可以得出相应荷载下各个土层的单位摩阻力和总摩阻力，并整理绘制沿嵌岩桩埋深变化的摩阻力图如图5所示。

图5 Z1桩摩阻力—埋深关系曲线图

由图5知，加载量较小时，上部荷载由素填土侧阻力承担较大一部分；随着加载量的增加，强风化泥岩、强风化粉砂岩、中风化泥岩侧阻力逐渐增加。加载接近极限承载力13625kN时，素填土、强风化粉砂岩层侧阻力增加量减小，说明该土层侧阻力得到了较充分发挥，而中风化泥岩侧阻力随加载的增加侧阻力仍继续增大。由图6知，加载量较小时，上部荷载由素填土、粉质粘土侧阻力承担较大一部分；随着加载量的增加，强风化泥岩、强风化砂岩、中风化泥岩、中风化砂岩层侧阻力逐渐增加。当荷载在4290kN～6435kN之间达到最大值，随荷载的增加侧阻力有减小的趋势。

总体来说，对于嵌岩桩来说，当其桩顶荷载越大时，桩侧摩阻力就越大，其阻碍作用就越明显。

图6 Z2桩摩阻力—埋深关系曲线图

2.3 桩端阻力

由图7知，加载超过5450kN桩端阻力才开始发挥，加载到11445kN时桩端阻力发挥急骤增加，加载至13625kN时桩端端阻为4880kPa，继续加载桩端端阻仍有所增加,这也说明试桩的桩端阻力没有得到充分的发挥。由图8知，加载超过1000kN桩端阻力才开始发挥，加载至5720kN后端阻力急骤增加，加载至7507kN时桩端端阻力为2857kPa，略小于勘察报告所提供的3000kPa，也说明在该试验条件下试桩桩端阻力并没有达到极限值。

图7 Z1桩端阻力—荷载关系曲线图

图8 Z2桩端阻力—荷载关系曲线图

3 结论

本文通过对过厚层填土嵌岩桩进行现场静载荷试验，研究讨论其在静载作用下的承载特性，并为今后工程实际施工提供借鉴意义，总结有以下结论：

(1)在竖向荷载作用下，桩周土岩层的侧摩阻力和桩端岩层的端承力一起构成嵌岩桩承载力。在竖向荷载的作用下，嵌岩桩会产生一定的轴向压缩从而与周围土体发生相对位移形成侧摩阻力阻碍桩顶荷载沿嵌岩桩身往下部的传递，使得桩身截面的轴力随着深度的增大而减小。当嵌岩桩顶竖向荷载越大时，其轴力衰减也越快。

(2)该试验条件下，各试桩的桩端阻力都随着竖向荷载的增加而增大，说明试桩的桩端阻力并没有得到充分的发挥。

(3)由于过厚层填土的存在，成桩充盈系数偏大，试桩施工过程不可避免产生塌孔、沉渣等现象。试桩结果显示，中风化粉砂岩端阻力占总加载量比重小，因此建议无论是试桩还是工程桩施工过程应严格控制泥浆护壁的泥浆稠度，加强沉渣厚度检测。

(4)在过厚层填土地区采用旋挖桩施工工艺，即使施工十分严格仍有出现较厚沉渣的可能，故建议采用桩底注浆技术，以保证端阻的充分发挥。