黃土地區(qū)不同成孔方式灌注樁承載特性現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究

柏耘，朱林楦，周志軍，魏曉康

黃土地區(qū)不同成孔方式灌注樁承載特性現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究

柏耘1，朱林楦2，周志軍2，魏曉康3

(1.昭通市交通建設(shè)工程質(zhì)量安全監(jiān)督局，云南 昭通 657000；2. 長(zhǎng)安大學(xué) 特殊地區(qū)公路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710064；3. 中交第一公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西 西安 710075)

為研究不同成孔方式對(duì)樁基承載特性產(chǎn)生的影響，依托吳定高速公路，開(kāi)展旋挖鉆孔、沖擊鉆孔以及人工挖孔3種成孔方式灌注樁的現(xiàn)場(chǎng)靜載對(duì)比試驗(yàn)，得到不同成孔方式灌注樁樁身軸力、樁側(cè)摩阻力及樁頂位移等主要參數(shù)。研究結(jié)果表明：人工挖孔樁的極限承載力最大，沖擊鉆孔樁的極限承載力最?。?種成孔方式樁基的樁身軸力衰減速率在各級(jí)荷載作用下的變化規(guī)律基本相同，其中人工挖孔樁樁身軸力的衰減速率最大，沖擊鉆孔樁的最?。淮送?，在同一荷載作用下，人工挖孔樁的樁側(cè)阻力最大，樁端阻力最小而沖擊鉆孔樁的樁端阻力最大，樁側(cè)阻力最小。研究結(jié)果可為黃土地區(qū)灌注樁基礎(chǔ)選擇合理的成孔方式提供理論和實(shí)踐依據(jù)，且有利于樁基承載力的提高。

橋梁工程；灌注樁；成孔方式；極限承載力；樁側(cè)摩阻力；樁端阻力

成孔是樁基施工的關(guān)鍵工序之一，而成孔方式的不同將直接影響樁側(cè)阻力的分布和樁端阻力的發(fā)揮。因公路橋梁樁基礎(chǔ)樁徑相對(duì)較大、樁長(zhǎng)較長(zhǎng)，且所穿越地層變化無(wú)常，為保證成孔質(zhì)量及施工進(jìn)度，旋挖鉆孔、沖擊鉆孔以及人工挖孔這3種成孔方式因其各自優(yōu)點(diǎn)在公路橋梁建設(shè)中均得到不同程度的應(yīng)用[1]。目前，黃土地區(qū)公路橋梁樁基的成孔方式主要為旋挖鉆孔[2]。學(xué)者們對(duì)樁基在荷載作用下的承載特性的相關(guān)研究很多[3?7]，但關(guān)于成孔方式對(duì)樁基承載特性影響的研究還存在很多不足。樁與樁周土體之間的相互作用是樁基承載特性的實(shí)質(zhì)表現(xiàn)，樁身應(yīng)力在樁與樁周土體之間的傳遞是非常復(fù)雜的，其傳遞規(guī)律和很多因素有關(guān)[8]。以往通過(guò)對(duì)旋挖鉆孔灌注樁進(jìn)行靜載試驗(yàn)得到的樁基承載特性并不適用于沖擊鉆孔樁或人工挖孔樁，反之亦然[9]。張煒等[10]對(duì)西安地區(qū)不同場(chǎng)地20余根旋挖鉆孔灌注樁靜載試驗(yàn)及樁身應(yīng)力測(cè)試結(jié)果的分析，論述了黃土地基中旋挖鉆孔灌注樁的荷載傳遞性狀，其單樁豎向極限承載力的試驗(yàn)結(jié)果比規(guī)范中計(jì)算結(jié)果提高約30%。謝星等[11]通過(guò)黃土地基中旋挖鉆孔灌注樁和泥漿護(hù)壁鉆孔灌注樁靜載試驗(yàn)和樁身應(yīng)力的測(cè)試，分析了黃土地基中2種成孔方式灌注樁樁身軸力的傳遞規(guī)律、樁側(cè)阻力的分布規(guī)律及樁端阻力的發(fā)揮性狀。王海新等[12]分析了泥漿對(duì)樁基承載特性產(chǎn)生影響的作用機(jī)理，泥漿的質(zhì)量(主要是泥漿的稠度)決定了樁底沉渣和樁側(cè)“泥皮”的厚度。黎見(jiàn)明[13]在黃土地區(qū)對(duì)循環(huán)鉆成孔和旋挖鉆成孔的灌注樁進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)靜載試驗(yàn)研究，通過(guò)對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)旋挖鉆灌注樁的承載力以及樁側(cè)摩阻力均高于循環(huán)鉆灌注樁，表明不同成孔方式對(duì)樁基礎(chǔ)的承載特性影響較大。綜上所述，成孔方式對(duì)樁基承載特性影響的理論研究還存在很多不足[14]，且《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D63—2007)[15?16]中規(guī)定的樁基豎向承載力計(jì)算公式也沒(méi)有考慮成孔方式的影響。因此，研究成孔方式對(duì)黃土地區(qū)樁基承載特性的影響，對(duì)合理選擇成孔方式、節(jié)約工程造價(jià)，進(jìn)而提高樁基的承載力具有非常重要的意義[17]。

1 工程概況

吳定高速(WDGS)是陜北交通網(wǎng)中的重要一環(huán)，全長(zhǎng)92 km，雙向四車(chē)道。全段橋梁的設(shè)計(jì)多采用樁基礎(chǔ)(鉆孔樁)承擔(dān)上部荷載，但根據(jù)工程的實(shí)際情況及其他因素，沿線的各個(gè)標(biāo)段均大量采用人工挖孔樁、沖擊鉆孔樁、旋挖鉆孔樁。本試驗(yàn)區(qū)位于榆林市定邊縣楊井鎮(zhèn)東側(cè)吳定高速LJ-9標(biāo)段楊井特大橋處，試驗(yàn)區(qū)地貌單元為溝谷黃土溝壑工程地質(zhì)區(qū)地貌，兩岸橋臺(tái)位于黃土梁峁之上，橋臺(tái)附近地勢(shì)較為平坦。地面標(biāo)高最高為1 629.60 m，最低為1 644.59 m，相對(duì)高差約14.99 m。

試驗(yàn)區(qū)地下水位埋藏較深，進(jìn)行鉆孔范圍內(nèi)并未發(fā)現(xiàn)地下水存在，且試驗(yàn)區(qū)不存在地表水。吳定高速公路勘察設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)表明，現(xiàn)場(chǎng)靜載試驗(yàn)區(qū)土層可分為：

通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)，得出現(xiàn)場(chǎng)地基土各項(xiàng)參數(shù)如表1所示。

表1 地層特征及土層主要物理力學(xué)參數(shù)

2 現(xiàn)場(chǎng)靜載試驗(yàn)概況

靜載試驗(yàn)法通過(guò)安置在樁頂?shù)奈灰撇杉?百分表或其他設(shè)備)測(cè)量試驗(yàn)過(guò)程中的樁身沉降，是一種原位測(cè)試法，并繪制曲線或曲線等來(lái)確定單樁的極限承載力，并通過(guò)埋置在樁身的鋼筋應(yīng)力計(jì)計(jì)算試樁的樁側(cè)阻力及樁端阻力[18]。

為研究成孔方式對(duì)單樁承載特性的影響，現(xiàn)場(chǎng)靜載試驗(yàn)共設(shè)置了3種成孔方式試樁，即人工挖孔樁、旋挖鉆孔樁、沖擊鉆孔樁，試樁布置詳見(jiàn)圖1，3種成孔方式試樁的樁徑、樁長(zhǎng)均為1.5 m和25 m，錨樁樁徑、樁長(zhǎng)均為1.5 m和30 m。試驗(yàn)區(qū)試樁均采用C30混凝土，試樁樁頂1.5 m部分均采用C40混凝土。錨樁成孔方式均為旋挖鉆孔，且都采用C30混凝土進(jìn)行澆筑。試樁所使用的鋼筋按規(guī)范要求配置，試樁和錨樁參數(shù)見(jiàn)表2。相鄰兩錨樁間距為7 m，試樁布置在相鄰4根錨樁的中心，錨樁使用的鋼筋亦按規(guī)范要求配置，現(xiàn)場(chǎng)靜載試驗(yàn)照片見(jiàn)圖2。

單位：mm

表2 試樁、錨樁參數(shù)

圖2 現(xiàn)場(chǎng)靜載試驗(yàn)

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 單樁極限承載力

單樁在豎向荷載作用下達(dá)到破壞狀態(tài)前或出現(xiàn)不適于繼續(xù)承載的變形時(shí)所對(duì)應(yīng)的最大荷載，稱為單樁豎向極限承載力[19]。而樁基的承載特性很難達(dá)到物理意義上的極限，通常所說(shuō)的極限是指樁身的沉降變形滿足上部要求時(shí)所達(dá)到的最大狀態(tài)[20]。

人工挖孔樁、旋挖鉆孔樁、沖擊鉆孔樁的~曲線見(jiàn)圖3。試樁S1，S2，S3的~曲線在大體上均是呈陡降型。當(dāng)樁土相對(duì)位移小于5 mm時(shí)，以彈性變形為主，3種成孔方式灌注樁荷載與相對(duì)位移近似呈線性關(guān)系，且斜率基本相近；當(dāng)樁土相對(duì)位移大于5 mm時(shí)，以塑性變形為主，樁側(cè)阻力與樁端阻力隨樁土相對(duì)位移發(fā)揮程度差別較大，導(dǎo)致上部荷載相同時(shí)3種成孔方式灌注樁樁土相對(duì)位移差別較大。

圖3 試樁Q~S曲線

通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)按照上述介紹的方法分別確定試樁的極限承載力。試樁S1，S2和S3的極限承載力分別為：11 000，9 000和8 000 kN，對(duì)應(yīng)的沉降量分別為：10.891，7.228和3.358 mm。因此，當(dāng)樁長(zhǎng)、樁徑、地層性質(zhì)及其他影響因素相同時(shí)，人工挖孔樁的極限承載力最大，沖擊鉆孔樁的極限承載力最小。其主要原因是：人工挖孔樁的混凝土護(hù)壁增強(qiáng)了樁土之間的相互作用，有利于樁側(cè)阻力的發(fā)揮；且可以把混凝土護(hù)壁看成樁身的一部分，增大了樁徑，使單樁承載力提高。旋挖鉆孔樁是對(duì)樁側(cè)土體進(jìn)行切削，清孔不干凈，不利于樁端阻力的發(fā)揮。沖擊鉆孔樁采用泥漿護(hù)壁，會(huì)在樁側(cè)留下2~3 mm厚的“泥皮”，削弱了樁土之間的相互作用，不利于樁側(cè)阻力的發(fā)揮且在沖擊成孔過(guò)程中重錘的沖擊使得樁底沉渣清難以徹底清除，樁端阻力的發(fā)揮也受到影響。

試樁S1，S2和S3施加的最大荷載分別為：12 000，12 000和14 000 kN，對(duì)應(yīng)的最大沉降量分別為：77.493，72.867和63.925 mm。隨著上部施加壓力的卸除，試樁S1，S2和S3的最終沉降值分別為：63.582，63.719和55.513 mm。試樁S1，S2和S3的樁身的回彈位移分別為；13.911，9.148和8.412 mm，人工挖孔樁的樁身回彈位移最大，沖擊鉆孔樁的最小。

3.2 樁身軸力分布

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)靜載試驗(yàn)，試樁S1，S2和S3軸力的分布見(jiàn)圖4~6。根據(jù)軸力圖可以發(fā)現(xiàn)：樁基S1，S2和S3的軸力沿整個(gè)樁身的分布規(guī)律大體相同。軸力在樁身上的分布從上到下是逐漸減小的，這是因?yàn)槭┘釉谏喜康暮奢d在向下傳遞的過(guò)程中，被樁側(cè)阻力平衡了一部分。軸力的衰減速率代表了樁側(cè)阻力的發(fā)揮效果，故其衰減速率越快，側(cè)面阻力發(fā)揮的效果就越好。由軸力圖也可以看出，在樁身頂部施加壓力相同的情形下，沖擊鉆孔樁樁端阻力的阻力最高，這說(shuō)明沖擊鉆孔樁樁側(cè)阻力的發(fā)揮效果較低，樁端阻力的發(fā)揮效果最好。而對(duì)于人工挖孔樁，樁側(cè)阻力發(fā)揮的效果最好，樁端阻力較差。

圖4 S1(人工挖孔樁)軸力圖

圖5 S2(旋挖鉆孔樁)軸力圖

3.3 樁側(cè)阻力的分布

樁在上部荷載的作用下，樁身產(chǎn)生壓縮變形，樁身與樁周土體之間出現(xiàn)相對(duì)位移，此時(shí)，樁側(cè)產(chǎn)生一向上的力阻礙樁身繼續(xù)下沉，即樁側(cè)阻力[21]。不同成孔方式試樁的樁側(cè)阻力沿樁身的分布詳見(jiàn)圖7~9。

圖6 S3(沖擊鉆孔樁)軸力圖

圖7 人工挖孔樁樁側(cè)阻力

由圖7~9可以看出：同一荷載作用下，樁身不同截面處的樁側(cè)阻力不同，即樁側(cè)阻力沿樁身并不是均勻分布的，且不同成孔方式試樁的樁側(cè)阻力沿樁身的變化規(guī)律大致相同，均為先變大后變小。人工挖孔樁、旋挖鉆孔樁和沖擊鉆孔樁的樁側(cè)阻力均在距樁頂11 m處的截面上到達(dá)峰值，沖擊鉆孔樁的樁側(cè)阻力在樁身底部達(dá)到第2個(gè)峰值。峰值的出現(xiàn)與樁周土的性質(zhì)有關(guān)，也與樁土之間的相互作用有關(guān)，而成孔方式能夠影響樁土之間的相互作用，如人工挖孔樁的混凝土護(hù)壁可以提高樁側(cè)阻力的發(fā)揮程度，沖擊鉆孔樁施工過(guò)程中在樁側(cè)留下的“泥皮”不利于樁側(cè)阻力的發(fā)揮。

圖8 旋挖鉆孔樁樁側(cè)阻力

圖9 沖擊鉆孔樁樁側(cè)阻力

從總體上講，當(dāng)樁頂所受荷載相同時(shí)，人工挖孔樁的樁側(cè)阻力最大，旋挖鉆孔樁次之，沖擊鉆孔樁最小，如圖10所示。

3.4 樁端阻力的發(fā)揮

樁在上部荷載的作用下，樁身產(chǎn)生壓縮變形，樁身與樁周土體之間出現(xiàn)相對(duì)位移，若樁側(cè)阻力不足以平衡樁頂荷載，則樁底土體也因產(chǎn)生壓縮變形而產(chǎn)生向上的支撐力，即樁端阻力。且樁端阻力達(dá)到極限狀態(tài)所需要的樁端沉降變形要比樁側(cè)阻力完全發(fā)揮所需要的樁與樁側(cè)土的相對(duì)位移要求 高[22]。

圖10 各級(jí)荷載下樁側(cè)阻力

3.4.1 各級(jí)荷載作用下的樁端阻力

根據(jù)圖11，當(dāng)上部壓力變大時(shí)，3種成孔方式試樁的樁端阻力均隨之提高。當(dāng)上部施加壓力相同時(shí)，人工挖孔樁的樁端阻力最小，沖擊鉆孔樁最大，說(shuō)明在施加壓力的過(guò)程中，人工挖孔樁的樁端阻力平衡上部所施加壓力的比例最大，旋挖鉆孔樁次之，人工挖孔樁最??；樁端阻力對(duì)沖擊鉆孔樁的影響最大，對(duì)人工挖孔樁最小。

圖11 各級(jí)荷載作用下樁端阻力

3.4.2 極限承載力狀態(tài)下的樁端阻力

根據(jù)靜載試驗(yàn)所得的數(shù)據(jù)，分別計(jì)算各試樁在達(dá)到極限承載力狀態(tài)時(shí)的樁側(cè)阻力與樁端阻力，數(shù)據(jù)詳見(jiàn)表3，圖12。根據(jù)表3和圖12可以得到：不同成孔方式下各試樁在達(dá)到極限承載力狀態(tài)時(shí)，樁側(cè)阻力與樁端阻力占比并不相同。樁側(cè)阻力占比試樁S1最大，S2次之，S3最??；樁端阻力占比試樁S3最大，S2次之，S1最小。3根試樁的承載特性均是以樁側(cè)阻力為主的，但3根試樁的主要區(qū)別在于人工挖孔樁側(cè)面阻力的發(fā)揮效果最好，樁端阻力發(fā)揮效果最差；沖擊鉆孔樁身樁樁端阻力的發(fā)揮效果最好，樁側(cè)阻力發(fā)揮效果最差。

3.5 樁端阻力與樁側(cè)阻力的關(guān)系

不同成孔方式試樁在各級(jí)荷載作用下的樁側(cè)阻力與樁端阻力見(jiàn)圖13，二者占比見(jiàn)圖14 (“占比”為樁側(cè)阻力或樁端阻力與本級(jí)樁頂所受荷載之比)。

圖12 極限承載力狀態(tài)下樁側(cè)阻力與樁端阻力占比

由圖13可知，當(dāng)在不同成孔方式試樁頂部施加壓力時(shí)，樁側(cè)阻力與樁端阻力的折線圖均呈上升態(tài)勢(shì)，且樁側(cè)阻力持續(xù)增加并未趨于某值，這說(shuō)明在施加完最后一級(jí)荷載后樁側(cè)阻力并未達(dá)到極 限值。

由圖14可知，人工挖孔樁樁側(cè)阻力占比最大，樁端阻力占比最小；沖擊鉆孔樁側(cè)阻力占比最小，樁端阻力占比最大，但3種成孔方式試樁二者占比折線圖的變化規(guī)律基本相同。在施加上部荷載的后期，3種成孔方式試樁的樁側(cè)阻力占比均呈減小趨勢(shì)，樁端阻力占比均呈增大趨勢(shì)，但變化趨勢(shì)不明顯，這是由于本試驗(yàn)試樁均為摩擦樁，且在樁頂施加最后一級(jí)荷載時(shí)樁側(cè)阻力與樁端阻力都未處于極限狀態(tài)所致。在樁頂施加荷載的前期，尤其在施加第1級(jí)荷載至第2級(jí)荷載期間，3種成孔方式試樁的樁側(cè)阻力占比均減小，樁端阻力占比均增大，這是由于土體力學(xué)性質(zhì)的復(fù)雜，樁側(cè)阻力的發(fā)揮需要一個(gè)過(guò)程，并非一蹴而就的。

表3 極限承載力狀態(tài)下樁側(cè)阻力與樁端阻力

圖13 樁側(cè)阻力與樁端阻力

圖14 樁側(cè)阻力與樁端阻力占比

4 結(jié)論

1) 人工挖孔樁、旋挖鉆孔樁、沖擊鉆孔樁的極限承載力分別為：11 000，9 000和8 000 kN，對(duì)應(yīng)的沉降量分別為：10.891，7.228和3.358 mm。卸荷后，試樁的回彈量分別為：13.911，9.148和 8.412 mm。

2) 人工挖孔樁、旋挖鉆孔樁、沖擊鉆孔樁的樁身軸力衰減速率在各級(jí)荷載作用下的變化規(guī)律基本相同，均為先減小，再增大最后減小。

3) 同一荷載作用下，人工挖孔樁的樁側(cè)阻力最大，旋挖鉆孔樁次之，沖擊鉆孔樁最??；沖擊鉆孔樁的樁端阻力最大，旋挖鉆孔樁次之，人工挖孔樁最小。

4) 試樁在達(dá)到極限承載力狀態(tài)時(shí)，樁側(cè)阻力與樁端阻力承擔(dān)上部荷載的比例并不相同。樁側(cè)阻力占比最大的為人工挖孔樁，樁端阻力占比最大的為沖擊鉆孔樁。

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A field study on bearing behavior of cast-in-place piles with different hole-forming methods in loess area

BAI Yun1, ZHU Linxuan2, ZHOU Zhijun2, WEI Xiaokang3

(1. Zhaotong Traffic Construction Project Quality and Safety Supervision Bureau, Zhaotong 657000, China;2. Key Laboratory for Special Area Highway Engineering of the Ministry of Education, Chang’an University, Xi’an 710064, China;3. CCCC First Highway Consultants Co., Ltd, Xi’an 710075, China)

In order to study the influence of different hole-forming methods on the bearing behavior of pile foundation, this paper, relying on Wuding Expressway, has carried out field static load comparative tests of rotary drilling, impact drilling and manual hole-digging methods of cast-in-place pile. From this, the main parameters such as axial force, side friction resistance and top displacement of pile with different hole-forming methods are obtained. Through comparative analysis, it is found that the ultimate bearing capacity of manual excavation pile is the largest and that of impact bored pile is the smallest. The variation law of the attenuation rate of axial force of pile body under different loads is basically the same in the three types of bored pile foundation. Among them, the attenuation rate of axial force of manual excavation pile is the largest and that of impact bored pile is the smallest. In addition, under the same load, the pile side resistance of manual excavation pile is the largest, the pile end resistance is the smallest, while the pile end resistance of impact bored pile is the largest and the pile side resistance is the smallest. The research results provide a theoretical and practical basis for choosing a reasonable hole-forming method for cast-in-place pile foundation in loess area and are conducive to improve the bearing capacity of pile foundation.

bridge engineering; cast-in-place pile; hole-forming method; ultimate bearing capacity; pile side friction resistance; pile end resistance

TU473.1

A

1672 ? 7029(2020)06 ?1396 ? 08

10.19713/j.cnki.43?1423/u.T20190799

2019?09?07

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41702287)

周志軍(1975?)，男，江蘇泰興人，教授，博士，從事樁基礎(chǔ)承載力與變形研究；E?mail：5974100@qq.com

(編輯 涂鵬)