李腾;官同星;王旭东
【摘 要】由于自平衡静载试验与常规静载荷试验中桩的工作方式不同,单桩竖向抗压极限承载力确定中抗压摩阻力转换系数γ的取值尤为重要.依托设置于强风化砂砾岩中的大直径钻孔灌注桩,开展自平衡静载试验研究,获得了大直径钻孔灌注桩荷载-位移(Q-s)曲线和桩身轴力分布曲线,定量计算了上、下桩段强风化砂砾岩中桩侧摩阻力,分析了荷载箱上下强风化砂砾岩中桩侧摩阻力的工作性状,经对比分析,强风化砂砾岩中抗压摩阻力转换系数为0.84～1.07,平均值为0.94,为类似工程地质条件下合理确定单桩竖向抗压极限承载力提供了试验依据. 【期刊名称】《南京工业大学学报（自然科学版）》 【年(卷),期】2019(041)004 【总页数】8页(P472-479)
【关键词】强风化砂砾岩;抗压摩阻力转换系数;钻孔灌注桩;自平衡静载试验 【作 者】李腾;官同星;王旭东
【作者单位】南京工业大学岩土工程研究所,江苏南京210009;南京工业大学岩土工程研究所,江苏南京210009;南京市溧水区城乡建设局,江苏南京211200;南京工业大学岩土工程研究所,江苏南京210009 【正文语种】中 文 【中图分类】TU473
桩的自平衡静载试验技术弥补了常规基桩静载荷试验的不足[1]，为大吨位桩竖向承载力检测和评价提供了有效途径，自平衡静载试验是通过在桩身荷载平衡点处设置荷载箱，同时对基桩上段桩身和下段桩身加载，分别获取上下桩段的荷载-位移(Q-s)曲线，并可通过等效转换方法获得相应常规静载试验荷载-位移曲线。自平衡静载试验中上段桩工作原理类似于作用力位于桩底的抗拔桩，下段桩与传统静压桩工作方式相同。由于自平衡静载试验中上段桩处于竖向抗拔状态，只能得到抗拔桩侧负摩阻力，与常规竖向抗压静载试验得到的桩侧正摩阻力不同，为确定单桩竖向抗压极限承载力，需要将自平衡静载试验中上段桩的桩侧负摩阻力转换为正摩阻力，其比值即为转换系数(γ)[2]。因此，抗压摩阻力转换系数对于合理确定单桩竖向抗压极限承载力尤为重要。
表1给出了国内外学者在不同土类开展的原位对比试验得出的转换系数，可以看出在砂土中比值变化幅度较大，在黏土中则较为稳定，主要在0.70～0.80范围内。 表1 砂土和黏土转换系数Table 1 Conversion coefficient of sand and clay作者γ砂土黏土Beringen等[3]0.65～0.70Lee等[4]0.67李小娟等[5-6]0.42～0.710.70～0.80穆保岗等[7]0.50～0.80 0.70～0.80(荷载箱附近)王树兵等[8]0.73～0.80聂玉东等[9]桩侧阻力相差7.30%
目前，摩阻力转换系数的研究成果主要集中于黏土和砂土，由于大直径钻孔灌注桩常常进入深厚的强风化岩层，但对于强风化岩层的转换系数缺乏深入认识，给利用自平衡静载试验合理确定单桩竖向抗压承载力带来了一定的局限性。偏于安全起见，国内行业和地区性自平衡静载试验规程中常常将岩石的抗压摩阻力取为1，实际上岩石的风化程度不同，强度变化范围大，其转换系数一定存在差异。
为了研究强风化砂砾岩的摩阻力转换系数，将6根荷载箱均置于强风化砂砾岩层中的大直径钻孔灌注桩上，开展自平衡静载试验，通过荷载箱上下段强风化砂砾岩
中桩侧摩阻力的定量对比分析，提出强风化砂砾岩转换系数，以期为自平衡静载试验合理确定单桩竖向抗压极限承载力提供依据。 1 试验 1.1 工程概况
范蠡大桥全长约1.6 km，桥梁长度约1.42 km，其中主桥500 m，南引桥456 m，北引桥462 m。场地地质条件良好，桥梁基础采用钻孔灌注桩，以强风化砂砾岩作为桩端持力层。分别选取北引桥、主桥、南引桥共6根桩开展自平衡静载试验，桩的编号依次为SZ1—SZ6桩，桩的设计参数如表2所示。
表2 桩基设计参数Table 2 Design parameters of piles试桩编号桩长L/m桩径D/mm承载力设计值/MNSZ1281 20016.1SZ22516.1SZ3302 50041.0SZ43516.1SZ5451 20016.1SZ65116.1 1.2 场地地质条件
场地地貌属太湖流域(湖)冲积平原与低山丘陵交接部位地貌单元，场地分布土层和相应物理力学性质指标如表3所示。
根据建筑桩基技术规范(JGJ 94—2008)[10]，表4给出了根据场地土的状态(液性指数IL)、标准贯入及重型触探击数确定的极限侧阻力标准值和极限端阻力标准值，以估算桩的总极限侧阻力标准值和总端极限阻力标准值，并以此确定在桩身平衡点处设置荷载箱。
表3 场地土层与物理力学性质指标Table 3 Site soil and physical-mechanical property indexes层号土层名称w/%ρ/(kN·m-3)孔隙比e塑性指数IP液性指数 ILα1-2/MPa-1ES1-2/MPac/kPaφ/(°)②粉质黏土29.2 18.8 0.8 13.0 0.7 5.0 5.8 33.6 7.2 ③淤泥质粉质黏土46.8 17.1 1.3 15.2 1.6 1.1 2.8 13.4 7.7 ④粉质黏土28.3 19.2 0.8 14.5 0.5 0.3 5.8 40.2 8.4 ⑤粉土夹粉砂29.2 19.1 0.8 8.2 1.1 0.2 9.0 13.0 22.8 ⑥粉质黏土25.1 19.6 0.7 16.8 0.1 0.2 10.7 75.3 12.8 ⑦粉质黏土
32.6 18.6 0.9 12.2 1.0 0.4 4.9 22.1 11.0 ⑧黏土26.1 19.3 0.7 17.4 0.1 0.2 9.9 68.9 13.2 ⑨含砾粉质黏土33.7 18.3 1.0 22.3 0.2 0.2 9.6 63.0 11.7 强风化砂砾岩
表4 极限侧阻力和极限端阻力Table 4 Friction resistance and tip resistance层序液性指数IL标贯击数重型触探击数极限侧阻力/kPa极限端阻力/kPa②0.7 5.150③1.6 1.6 50④0.5 6.060⑤1.1 10.645⑥0.1 7.972⑦1.0 2.925⑧0.18.470⑨0.211.780 21.02202 600 1.3 自平衡载荷试验设计
自平衡载荷试验是在桩身安装荷载箱，利用桩的自身反力平衡，通过高压油泵向埋设在桩体内的荷载箱在垂直方向分级加载，同时获得荷载箱上段桩和下段桩两者的荷载-位移曲线。试验装置如图1所示。每根试桩布设4个位移计，分为2组，分别测读荷载箱顶板的向上位移Su和荷载箱底板的向下位移Sd。在桩身不同断面上对称焊接两钢筋计，以测定桩身轴力，钢筋计布置在土层交界面处，并且尽量保持间隔均匀。根据表2桩的设计参数和表4极限侧阻力和极限端阻力建议值，预估桩的总极限端阻力小于总的极限摩阻力，故需将荷载箱置于桩身平衡点处。6根试桩所在土层分布以及荷载箱、钢筋计位置如图2所示。
图1 自平衡静载试验示意Fig.1 Schematic diagram of self-balanced loading test
2 桩的承载特性 2.1 桩的荷载-位移曲线
自平衡载荷试验按基桩自平衡静载试验技术规程(DGJ 32/TJ 77—2009)[11]进行，6根试桩的上段桩和下段桩的荷载-位移(Q-s)曲线如图3所示。6根试桩加载得到的Q-s曲线近似对称分布，表明荷载箱位置设置基本合理。对于桩径2 500 mm的试桩SZ3和试桩SZ4，荷载箱上段桩的位移量较下段桩的位移量略偏小，说明
荷载箱位置位于真正“平衡点”位置的下方。Q-s曲线呈现非线性特性，试桩卸荷后其位移部分得到恢复，表明试桩的工作状态已进入弹塑性阶段。
图2 试桩所在土层剖面及钢筋计、荷载箱布置Fig.2 Geological profile of piles and position of strain gauges and loading boxes 图3 试桩荷载-位移曲线Fig.3 Load-settlement curves
如表5所示，对于试桩SZ1和试桩SZ3—SZ6，上段桩的回弹率较下段桩大，这是由于荷载箱对上段桩向上加载，卸载后受桩身自重影响产生了多余回弹量；而下段桩在卸载后，受到上段桩和荷载箱自重影响，下段桩卸载不充分导致下段桩部分回弹量偏小。试验结果表明，除SZ2外上段桩的残余位移均小于下段桩。对于试桩SZ2，下段桩几乎完全回弹，表明该桩段处于弹性工作状态。
表5 试桩卸载后回弹量Table 5 Rebound values after unloading试桩编号上段桩位移/mm上段桩残余位移/mm上段桩回弹率/%下段桩位移/mm下段桩残余位移/mm下段桩回弹率/%SZ131.5 19.7 37.431.3 20.3 35.2SZ214.1 2.9 79.313.9 0.9 93.4SZ312.5 4.4 64.819.7 12.6 36.0SZ414.0 4.7 66.517.7 10.9 38.5SZ520.2 6.9 65.618.3 12.2 33.8SZ618.7 5.5 70.419.6 6.3 67.9 2.2 桩身轴力分布
桩身轴力由桩身混凝土和钢筋共同承担，通过钢筋计获得钢筋受力后的应变，根据桩身混凝土与钢筋的变形协调条件求得桩身轴力。自平衡静载试验得到的桩身轴力随着深度的分布如图4所示。
图4 试桩轴力分布Fig.4 Axial load distributions
由图4可知：受荷载箱设置位置的影响，荷载箱处的桩身轴力最大，由于桩侧摩阻力作用，使得上下桩段的桩身轴力随离荷载箱距离的增大而减小。由此可知，强风化砂砾岩中桩身轴力衰减明显，表明强风化砂砾岩提供了较大的桩侧摩阻力。 如表6所示，在最大加载量时，桩端阻力占总荷载量的4.1%～9.4%，表明桩的承
载能力主要由桩侧摩阻力提供。
表6 桩端阻力占施加荷载比值Table 6 Ratios of tip resistance to the total load试桩编号桩端阻力/kN荷载箱施加总荷载/MN比值
/%SZ1696.6174.1SZ2766.7174.5SZ34 025.3439.4SZ42 336.2435.4SZ51 205.4177.1SZ6918.7175.4 2.3 桩端阻力发挥
图5给出了桩端阻力与荷载箱施加总荷载的关系曲线。桩端阻力随着施加总荷载不断增加，桩端阻力与总荷载之间近似呈线性关系。相同荷载作用下，桩端阻力随桩径的增大而减小。
图5 桩端阻力占总荷载比值Fig.5 Ratios of tip resistance to the total load 图6 桩端阻力-位移Fig.6 Displacements-tip resistances
图6桩端阻力-位移曲线表明：不同直径的桩端阻力随位移增大而增大，近似呈线性变化。最大加载量时桩端阻力平均值约为745 kPa，远小于勘察报告提供的建议值2 600 kPa，表明桩端强风化砂砾岩处于弹性工作状态。 2.4 桩侧摩阻力分布
自平衡静载试验中上段桩的桩侧摩阻力使得桩周土体减压松散，传统静载试验中桩侧摩阻力使得桩周土体压密，导致自平衡静载试验测得的桩侧(负)摩阻力小于传统静载试验得到的桩侧(正)摩阻力。如表7所示，在国内行业和地区性自平衡静载试验规程中，黏性土的转换系数取0.8，砂性土转换系数取0.7的建议值[11-17]。 桩侧摩阻力可根据自平衡静载试验得到的桩身轴力计算，试验得到的桩侧摩阻力分布如图7所示，荷载箱上段桩为负摩阻力，下段桩为正摩阻力。
表7给出了6根试桩所在土层的桩侧摩阻力平均值，因荷载箱上下强风化砂砾岩中的桩侧摩阻力工作状态不同，影响桩侧摩阻力的发挥和大小，总体上，荷载箱下部的桩侧摩阻力大于上部桩侧摩阻力。
2.5 强风化砂砾岩转换系数
由自平衡静载试验得到的荷载箱向上位移、荷载箱向下位移以及桩身压缩量，可获得桩身截面位移。荷载箱上下桩段的强风化砂砾岩层中桩身位移-桩侧摩阻力关系曲线如图8和9所示，转换系数及平均值如表8所示。
强风化砂砾岩中，上下桩段的桩侧摩阻力发展规律相似，近似呈现双曲线模型发展规律。随着位移的不断增加，桩侧摩阻力趋向极限值。尤其上段桩的双曲线特征明显，表明上段桩中桩侧摩阻力发挥充分，桩土相互作用达到极限状态。下段桩的双曲线特征不完全，桩侧摩阻力有随位移继续增大的趋势，桩土相互作用未达到极限状态。
已有研究成果表明，大直径钻孔灌注桩发挥桩侧摩阻力需要的桩-土相对位移可达20 mm以上[18]，在强风化岩中桩侧摩阻力充分发挥需要的桩-土相对位移为13 ～25 mm[19-21]。从本次试验的结果看，强风化砂砾岩中，上段桩的桩侧摩阻力充分发挥需要的极限位移约为15 mm，而下段桩在位移15 mm时桩侧摩阻力有继续发挥的趋势。表明桩在抗拔、抗压状态下桩侧摩阻力充分发挥的极限位移不同，抗拔状态下的极限位移小于抗压状态下的极限位移。 表7 桩侧摩阻力Table 7 Friction resistances土层编号
qSZ1/kPaqSZ2/kPaqSZ3/kPaqSZ4/kPaqSZ5/kPaqSZ6/kPa平均值q/kPa②8.513.023.515.0 ③14.92.68.8 ④49.524.637.1 ⑤20.543.537.833.9 ⑥37.252.367.552.3 ⑦18.914.920.128.028.922.2 ⑧32.032.0
⑨84.437.554.0104.698.898.4 ⑩195.7157.9204.0242.8211.0⑩荷载箱上246.5234.1243.0267.0269.4252.0⑩荷载箱下230.5238.3286.0319.4284.2297.8277.8
图7 桩侧摩阻力分布Fig.7 Friction resistance distributions
图8 桩侧摩阻力-位移 (上段桩)Fig.8 Upward displacement-friction resistances
图9 桩侧摩阻力-位移 (下段桩)Fig.9 Downward displacement-friction resistances
表8 强风化砂砾岩的摩阻力转换系数Table 8 Conversion coefficient of friction resistance in strong weathered glutenite试桩编号桩侧摩阻力(上段)qsu/kPa桩桩侧摩阻力(下段)qsd/kPa转换系数γ=qsu/qsd转换系数平均值
γSZ1246.5230.51.070.94SZ2234.1238.30.98SZ3243.0286.00.85SZ4267.0319.40.84SZ5269.4284.20.95 4 结论
1) 通过自平衡静载试验获得了大直径钻孔灌注桩的承载特性，分析了桩身轴力和桩侧摩阻力分布规律。上下桩段的荷载-位移曲线的对称分布表明，自平衡静载试验中荷载箱设置合理。
2) 桩身轴力在强风化砂砾岩中变化明显，表明桩侧摩阻力大，对桩的承载力有较大贡献。桩端阻力与位移呈线性变化，强风化砂砾岩的承载能力没有充分发挥。 3) 强风化砂砾岩中上段桩中桩侧摩阻力发挥较下段桩充分，但极限摩阻力较下段桩小。试验得到的抗压摩阻力转换系数为0.84～1.07，平均值为0.94，为类似工程地质条件下合理确定单桩竖向抗压极限承载力提供了试验依据。 参考文献：
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