大直径灌注桩竖向_水平桩身内力及变形试验研究.docx

大直径灌注桩竖向、水平桩身内力及变形试验研究黄应州 钱春阳 高至飞近年来，在铁路新线建设中，新建桥梁、站房等大量采用大直径灌注桩。据不完全统计，目前铁路用桩90以 上是大直径灌注桩。对灌注桩进行原位试验，进一步了解 这些大直径灌注桩的竖向、水平承载力机理和变形特性， 可以为铁路建设、设计、施工及监理部门更好地使用这种 桩型提供参考。12.3 m，强风化泥质粉砂岩12.314.8 m，弱风化泥质粉砂岩14.834.7 m。225号桩：粉砂09.4 m，淤泥9.411.9 m，细砂11.912.5 m，强风化含砾砂岩12.513.4 m，弱风化含 砾砂岩13.416.1 m，强风化泥质粉砂岩16.122.9 m， 弱风化泥质粉砂岩22.924.2 m，弱风化含砾砂岩24.227.0 m，弱风化泥质粉砂岩27.034.7 m。1.2 试验目的单桩竖向抗压静载试验的目的是获取本场地钻孔桩设 计单桩竖向承载力，确定桩侧及桩端土的摩阻力；单桩水 平静载试验的目的是获取本场地单桩水平承载力和桩身弯 矩，为场地基桩设计提供依据。1工程试验概述1.1工程及地质情况广州南站工程位于广州市境内，是多条高速铁路的始 发站。本场地选择119号、121号和225号3根桩分别进行 单桩竖向抗压静载试验和单桩水平静载试验。119号桩：淤泥02.5 m，细砂2.55.6 m，黏土5.68.1 m，淤泥8.19.8 m，粉质黏土9.013.5 m， 全风化泥质粉砂岩13.517.0 m，强风化泥质粉砂岩17.018.8 m，弱风化泥质粉砂岩18.821.0 m，弱风化含砾 砂岩21.024.4 m，弱风化泥质粉砂岩24.433.1 m。121号桩：粉砂010.0 m，粉质黏土10.0 22.1试验结果及分析单桩竖向抗压静载试验桩顶变形测试结果试验桩在各自最大试验荷载下均未出现极限承载力特征，桩顶沉降较小，试验桩的承载力富余量均较大。检测结果见表1，竖向荷载沉降（q -s ）曲线见图1。492010年第3期表1 单桩竖向抗压静载试验结果试验桩径/ 入土试验最大单桩承载力单桩承载力最大残余特征值对应 桩号 mm桩长/m 荷载/kn特征值/kn极限值/kn沉降量/mm 沉降量/mm 沉降量/mm119 1 000 28.911 000 5 500 11 000 12.973.904.69121 1 000 25.111 000 5 500 11 000 12.553.643.34225 1 000 32.511 000 5 500 11 000 10.932.433.46q /knq /knq /kn0 2 200 4 400 6 600 8 800 11 0000 2 200 4 400 6 600 8 800 11 0000 2 200 4 400 6 600 8 80011 0000.000.000.001.501.501.303.003.002.60振弦式振弦式4.504.503.90钢筋测力计钢筋测力计/mm 6.00/mm 6.00/mm 5.20s 7.50s 7.50s 6.509.009.007.8010.5010.509.1012.0012.0010.40设置4个振弦式钢筋测力计断面设置2个振弦式钢筋测力计断面13.5013.5011.7015.0015.0013.00（a）119号桩（b）121号桩（c）225号桩图1 荷载沉降曲线 图2 振弦式钢筋测力计平面布置图桩顶1.10 m内力测试断面1布置2个振弦式钢筋测力计 -0.06 m（标定）桩顶0.90 m桩顶1.50 m内力测试断面1布置2个振弦式钢筋测力计 -0.00 m（标定）内力测试断面1布置2个振弦式钢筋测力计 -0.00 m（标定）内力测试断面2布置2个振弦式钢筋测力计 -2.56 m内力测试断面2布置2个振弦式钢筋测力计 -3.59 m内力测试断面2布置2个振弦式钢筋测力计 -4.03 m内力测试断面3布置2个振弦式钢筋测力计 -5.66 m内力测试断面4布置2个振弦式钢筋测力计 -8.16 m内力测试断面3布置2个振弦式钢筋测力计 -6.89 m内力测试断面3布置2个振弦式钢筋测力计 -9.03 m内力测试断面5布置2个振弦式钢筋测力计 -9.91 m内力测试断面4布置2个振弦式钢筋测力计 -11.52 m内力测试断面4布置4个振弦式钢筋测力计 -10.29 m内力测试断面5布置2个振弦式钢筋测力计 -13.02 m内力测试断面6布置2个振弦式钢筋测力计 -13.56 m内力测试断面5布置4个振弦式钢筋测力计 -12.59 m内力测试断面6布置2个振弦式钢筋测力计 -15.72 m内力测试断面7布置2个振弦式钢筋测力计 -17.06 m内力测试断面6布置4个振弦式钢筋测力计 -15.09 m内力测试断面7布置2个振弦式钢筋测力计 -19.12 m内力测试断面8布置4个振弦式钢筋测力计 -18.86 m内力测试断面7布置4个振弦式钢筋测力计 -18.39 m内力测试断面8布置2个振弦式钢筋测力计 -22.52 m内力测试断面9布置4个振弦式钢筋测力计 -21.06 m内力测试断面9布置2个振弦式钢筋测力计 -23.82 m内力测试断面10布置4个振弦式钢筋测力计 -26.67 m内力测试断面10布置4个振弦式钢筋测力计 -24.46 m内力测试断面8布置4个振弦式钢筋测力计 -21.69 m内力测试断面11布置4个振弦式钢筋测力计 -29.07 m内力测试断面9布置4个振弦式钢筋测力计 -24.10 m内力测试断面11布置4个振弦式钢筋测力计 -27.90 m桩底-25.10 m内力测试断面12布置4个振弦式钢筋测力计 -31.50 m桩底-28.90 m桩底-32.50 m（a）119号桩（b）121号桩（c）225号桩图3 桩身振弦式钢筋测力计布置图桥梁检测2.2桩侧摩阻力及桩端阻力桩身轴力计算由桩身应变测试完成，桩身应变测试与 静载试验同时进行。静载前，在桩身埋设振弦式钢筋测力 计（平面布置见图2），分别测量各级荷载下桩身各截面 的轴力、桩侧摩阻力及桩端阻力。119号桩振弦式钢筋测力计布置如图3a所示，共设 置11个断面，其中4个断面对称布置4个点，另7个断面对 称布置2个点，共30个测点；121号桩振弦式钢筋测力计 布置如图3b所示，共设置9个断面，其中6个断面对称布 置4个点，另3个断面对称布置2个点，共30个测点；225 号桩振弦式钢筋测力计布置如图3c所示，共设置12个断 面，其中3个断面对称布置4个点，另9个断面对称布置2 个点，共30个测点。振弦式钢筋测力计布置在不同性质土 层截面处，地面处附近应设置一个测量断面作为振弦式钢筋测力计标定断面。桩身轴力计算公式如下：2 2p s=k （f 0-f i ）s=s /e s=p s / a se sn =a =se p a得轴力：（1）（2）（3）2 2n =kae p（f 0-f i ）/（e sa s）（4）2 2式中：p s，k ，f 0，f i 分别为振弦式钢筋测力计的钢筋荷载、传感器系数、零压力(大气压力)下振弦式钢筋测力计 的自振频率和某级荷载下振弦式钢筋测力计的自振频率； a ，a s，e p，e s，s，s， 分别为测量桩的截面积、钢 筋截面积和、桩的弹性模量、钢筋弹性模量、钢筋应变、 钢筋应力和桩身应变平均值。桩身轴力随着加载荷载的增加而增加，在同一级荷载502010年第3期桩轴力/kn桩轴力/kn桩轴力/kn02 200 4 4006 6008 800 11 0002 200 kn 02 200 4 400 6 600 8 800 11 00002 200 4 400 6 600 8 800 11 0002 200 kn2 200 kn3 300 kn3 300 kn3 300 kn4 400 kn4 400 kn4 400 kn5 500 kn6 600 kn7 700 kn8 800 kn9 900 kn11 000 knkn1 244.071 662.531 884.202 028.211 181.70200.00250.00kpa2 200 kn3 300 kn4 400 kn5 500 kn6 600 kn7 700 kn8 800 kn9 900 kn11 000 kn桥梁检测下，随着深度增加而减小（见图4）。岩层以上各土层与桩身之间的桩侧摩阻力在各级荷载作用下均很小，当进入嵌 岩段之后，桩侧摩阻力迅速增加。本次试验的嵌岩段桩侧 摩阻力均呈上小下大的分布规律，直至达到本次试验的最 大荷载，嵌岩段桩侧摩阻力仍未完全发挥，桩顶沉降值也 不大，本次试验的桩侧极限摩阻力见图5。嵌岩段桩侧摩阻 力的发挥与桩顶沉降有关，在达到某一临界沉降量之前， 随着沉降的增大而增大。达到临界沉降量之后，桩侧摩阻 力充分发挥，不再随沉降的增大而增大。本次试验的桩侧摩阻应力见图6，岩层以上各土层与桩身之间的桩侧摩阻应力随荷载增加而增加，但桩侧摩阻应力增加量并不明显。 嵌岩段随着荷载增加桩侧摩阻应力迅速增加。桩端阻力随 荷载的增加而增加，本次试验桩端阻力并未完全发挥。2.3 单桩水平静载试验桩顶位移变形测试结果单桩水平静载试验检测结果见表2，荷载位移曲 线，即水平力力作用点位移（h -y 0）关系曲线见图7。119号桩加载到试验最大荷载600 kn时，总位移量为51.73 mm；在250 kn时，h -y 0/h 曲线（见图8a）512010年第3期h/kn h/kn h/kn0 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 6000 120 180 240 300 360 4200 100 150 200 250 300 3500.005.5011.0016.5022.00/mm 27.500y33.0038.5044.0049.5055.00（a）119号桩（b）121号桩（c）225号桩图7 荷载-位移曲线0.25）-10.2/（mmkn 0.15h 0.1/0y 0.050） 0.6-10.5/（mmkn 0.40.3h/ 0.20y 0.100.7） 0.6-1/（mmkn 0.50.40.3h/0 0.2y 0.10桥梁检测出现第一拐点，取为单桩水平临界荷载，即为单桩水平承载力特征值；在350 kn时，h -y 0/h 曲线出现第二 拐点，取为单桩水平极限承载力。121号桩加载到试验最 大荷载350 kn时，总位移量为63.26 mm；在200 kn时， h -y 0/h 曲线（见图8b）出现第一拐点，取为单桩水 平临界荷载，即为单桩水平承载力特征值；在250 kn时， h -y 0/h 曲线出现第二拐点，取为单桩水平极限承载 力。225号桩加载到试验最大荷载420 kn时，总位移量为76.07 mm；在180 kn时，h -y 0/h 曲线（见图8c） 出现第一拐点，取为单桩水平临界荷载，即为单桩水平承 载力特征值；在300 kn时，h -y 0/h 曲线出现第二拐 点，取为单桩水平极限承载力。2.4 桩身实测弯矩由钢筋应力计生产厂商提供钢筋应力计标定读数，可 知该处应变量，由公式：eiimi =i（5）a式中：m i 为桩身弯矩；i 为桩身断面处应变平均值；a 为该断面到测点距离；e 为弹性模量；ii 为惯性矩。各试验桩的桩身弯矩结果见图9。在水平荷载作用 下，钢筋应力逐渐增大，沿桩身呈两头小、中间大分布。 桩身弯矩在一定深度出现峰值，随着深度的增加，桩身弯 矩迅速减小。522010年第3期表2 单桩水平静载试验结果桩号mm桩长/m 荷载/kn特征值/kn极限值/kn位移量/mm 位移量/mm 位移量/mm检测桩径/试验最大单桩承载力单桩承载力最大残余特征值对应119 1 000 28.9600 250 350 51.7331.303.99121 1 000 25.1350 200 250 63.2639.446.71225 1 000 32.5420 180 300 76.0750.943.81100 kn150 kn200 kn350 kn300 kn350 kn图9 实测桩身弯矩图桥梁检测上部，土中应力区和塑性区的主要范围也在上部浅土层，所以要特别注意这一深度范围的土性调查、评定。（4）嵌岩灌注桩的嵌固效果、桩身强度是影响水平 承载力的因素，桩身强度是主要因素。施工过程中应保证 混凝土浇灌质量，特别是上段桩身的混凝土应充分振捣密 实。41参考文献陈凡，徐天平，陈久照，等. 基桩质量检测技术m. 北 京：中国建筑工业出版社，2003罗骐先. 桩基工程检测手册m. 北京：人民交通出版 社，2006jgj 1062003 建筑基桩检测技术规范s233结论（1）桩侧摩阻力的发挥与桩顶沉降关系较大，其分 布形式与桩周土的性状、所嵌岩层的性状及嵌入深度有 关。具有一定嵌岩深度的嵌岩灌注桩，桩顶竖向荷载主要 由桩侧摩阻力承担，且桩侧摩阻力主要集中在嵌岩段，从 而使桩端承担的荷载