桩基承载力及桩－土－岩共同作用体系检测与研究

桩基承载力及桩－土－岩共同作用体系检测与研究

万遂

广东省建筑科学研究院集团股份有限公司 广东省广州市 510500

摘要：桩基在桥梁工程中具有更广泛地使用。目前的桩基竖向承载力测算理论和现实的承载力形式之间有较大的差异，因此必须研究。对钢筋混凝土基桩强度测试分析和桩土相互作用系统的研究，有着很大的现实意义。作者根据施工实际，系统讨论了文中提供的测试方法和理论计算公式及其在实际施工中的运用，并在此基础上给出了改善桩基强度与加固措施的对策，从而达到了良好的效果。

关键词：桩基；施工检测技术；桩土相互作用；竖向承载力

Test and research on pile bearing capacity and pile-soil-rock interaction system

Wan Sui

(Guangdong Provincial Academy Of Building Research Group Co.,Ltd,Guangzhou 510500)

Abstract:Pile foundation is widely used in bridge engineering. At present, there is a great difference between the calculation theory of vertical bearing capacity of pile foundation and the actual bearing capacity form, so it must be studied. It is of great practical significance to study the strength test and analysis method of reinforced concrete foundation pile and the pile-soil interaction system. According to the construction practice, the author systematically discusses the test method and theoretical calculation formula provided in this paper and their application in the actual construction, and on this basis, gives the countermeasures to improve the strength of pile foundation and strengthen the measures, so as to achieve good results.

Key words: pile foundation; Construction detection technology; Pile-soil interaction; Vertical bearing capacity

一、工程实例

广惠高速公路小金口立交桥，是连通广汇高速公路、河惠高速与324线的大型立交桥。二号主桥长299m，上部构造为多跨连续刚构。据施工勘测资料，全桥桩基础设计为嵌岩桩，并嵌在软（微）风化层中1.5~2.0m。全桥φ120cm桩基81个，φ150cm桩基6个。在桩基施工过程中，发现实际地质条件与设计中的实际情况有很大的不同。部分桩基的抽芯试验表明，桩端持力层中存在不同程度的风化夹层，与设计条件不符（地质条件见图1），桩的承载条件由嵌岩桩变为摩擦桩。因此，必须认真验证桩基承载力，以确定其是否满足设计要求。如果设计承载力不足，则必须进行加固。

图1试桩位置地质柱状图

为了充分掌握桥梁基础的实际承载力，进行了平行比较试验，并选择了两个检测单位进行高应变动力试桩。同时，为了更准确地掌握桥桩基础的极限承载力，分析了桩周土层的极限摩阻力和桩支撑层的承载力等设计参数，并随机选取了两组桩基进行了锚桩反力梁法的竖向承载力的静荷载试验。

二、桩基承载力试验结果

2.1高应变动力试桩结果

本次高应变动力试桩所用设备为美国PDI公司生产的PDA Pak打桩分析仪，锤击设备重量为10吨。测试项目主要包括桩的动测承载力、桩周摩擦力和持力层端承力，同时可以得到桩顶的力波、速度波和最大动位移。

作为一种分析方法，采用更复杂的桩土力学模型，选择力波和速波作为拟合边界条件，并采用使适当计算曲线和设计曲线之间的残余误差最小的曲线拟合方法。然后，有必要根据波形的应变程度估计桩的竖向承载力，并判断桩身的完整性。桩侧土摩阻力与实测值一致。根据国家和地方相关基桩高应变动力试验检测技术规范，进行了严格的试验过程。高应变动力试验结果如下表1所示。

表1高应变动力试桩结果

	桩号	桩径 mm	桩长	设计承载力 （kN）	动测承载力（kN）	摩阻力合力（kN）	端承力 （kN）	最大动位移（mm）
第一次 动测	21左t	1200	22.72	2500	8765	5454	3311	/
	4右2	1200	20.81	5000	8666	7215	1451	/
	8右2	1500	20.79	5000	13313	12808	505	5.9
第二次 动测	8左2	1200	19.66	5000	13817	11404	2414	8.5
	4右2	1200	20.81	5000	10603	6217	4385	9.0
	23左2	1200	21.22	2500	12949	12818	130	7.9

2.2单桩静载试验结果

单桩竖向静载试验结果概要见表2：单桩静载试验Q~s曲线见图2. 该图显示了半对数曲线s-logt曲线上各荷载等级的沉降持续时间曲线。

为了掌握不同荷载作用下桩的桩侧土摩阻力和桩端阻力对桩的影响，在不同位置的不同变化处，将振动钢筋（jxg025）埋设在每个截面中，测试每个截面的钢筋应力，并用荷载传感器测试桩底反力。

利用埋置钢筋的应变数据，通过以下公式计算具有埋置钢筋截面的混凝土桩的轴力。

式中；-－为第j级荷－作用下第i截面的轴力

A－桩身截面面积

－回归分析所得应力应变关系二次方程

表2单桩竖向静载试验结果总表

序号	荷载（kN）	历史（min）		沉降（mm）
		本级	累计	本级	累计
0	0	0	0	0.000	0.000
1	2,000	45	45	0.658	0.658
2	3,000	60	105	0.476	1.134
3	4,000	90	195	0.876	2.009
4	5,000	75	270	0.809	2.818
5	6,000	90	360	0.947	3.76S
6	7,000	75	435	1.249	5.015
7	8,000	225	660	1.534	6.548
8	8,800	105	765	1.005	7.554
卸1	7,000	395	1,160	-0.285	7.269
卸2	5,000	45	1,205	-1.220	6.049
卸3	3,000	45	1,250	-0.858	5.191
卸4	0	75	1,325	-2.610	2,581

图2单桩竖向静载试验Q~s曲线

图3单桩竖向静载试验s~logt曲线

数据处理后得到各级荷载下测试断面的轴力见表3.

表3试桩各级荷载下测试断面轴力表

各级荷载下测试断面轴力表
土层 吨位（kN）	2000	3000	4000	5OOO	6000	7000	8000	8800
0	2000	3000	4000	5000	6000	7000	8000	8800
0-1	1952	2937	3929	4920	5922	6893	7890	8691
1-2	1777	2565	3677	4352	5184	6153	7044	7717
2-3	1725	2449	3541	4171	5022	5962	6818	7431
3-4	1716	2416	3449	4056	4820	5710	6539	7115
4-5	1587	2255	3228	3782	4546	5352	6129	6679
5-6	1335	1804	2593	3118	3729	4448	5127	5622
6-7	828	1102	1632	1945	2370	2850	3329	3585
7-8	504	671	1018	1238	1509	1856	2164	2342
8-9	130	175	268	343	423	517	620	693

试验段轴力在各种载荷下的变化见图4。

图4各级荷载下测试断面轴力变化图

表4为各级试验荷载下各土层摩阻力的发挥情况。

表4各级试验荷载下各土层的摩阻力

土层	2000	3000	4000	5000	6000	7000	8000	8800
素土层	7.64	10.05	11.32	12.77	12.36	17.10	17.56	17.42
黏土	12.41	26.34	17.84	40.22	52.31	52.41	59.96	69.00
亚黏土	10.32	23.08	27.17	36.09	32.32	38.11	44.91	56.97
中砂	1,80	7-04	19,38	24,35	42,86	53.30	59,25	66,97
亚黏土	37.45	46.70	64.10	79.32	79.27	103.78	118.42	126.03
强风化碳质、泥 质粉细砂岩	42.22	75.42	106.35	111.30	136.93	151.42	167.87	177.14
弱风化碳质、砂 质页岩	62.09	86.04	117,59	143.51	166.31	195.59	220.18	249.37
弱风化碳质，泥 质粉细砂岩	85.84	114.17	112.S1	187.64	228.28	263,57	308,79	329.55
强风化碳质、砂 质页岩	71.22	94.63	142.96	170.59	207.07	255.28	294.40	314.25

表5显示了在各种试验荷载下由桩底压力箱测得的桩端反作用力。

表5各级试验荷载下桩端反力

荷载记号	荷载（kN）	桩底反力（kN）
0	0.00	0.00
1	2000	0.00
2	3000	0.51
3	4000	6.07
4	5000	14.63
5	6000	23.20
6	7000	34.93
7	8000	53.39
8	8800	66.88

三、桩基承载力确定和工程处理

3.1

桩基承载力

动、静载试验结果汇总如下表6。从表6所列试验结果来看‚第二次高应变试验与静载荷试验结果接近。

表6 2号主桥高应变、静载试验结果汇总表.

	桩号	桩径(mm)	桩长(mm)	设计承载力(kN)	实验总承载力(kN)	摩阻力(kN)	端承力(kN)	桩端持力层	最大位移(mm)	换算 (kPa)
第一次高应变	21-左1	1200	22.72	2500	8765	5454	3311	/	/	/
	4-右2	1200	20.81	5000	8666	7215	1451	/	/	/
第二次高应变	8-右2	1500	20.97	5000	13313	12808	505	有软弱层	5.9	287、130.4
	8-左2	1200	19.66	5000	13817	11404	2414		8.5	2136、152.1
	4-右2	1200	20.81	5000	10603	6217	4385	强风化	9.0	3880、78.7
	23-左2	1200	21.22	2500	12949	12818	130		7.9	115、160
静载实验	1#	1000	22.23	/	8800	8733	67	强风化炭质岩	7.554（-2.58）	、139
	2#	1000	22.79	/	10000	8000	2000		9.222（-3.54）	2547、127

第二次高应变

静载试验

由于静载荷试验未达到破坏载荷，相应的沉降为7.55 mm和9.22 mm。因此，对应于第1号验桩880吨和第号的1000吨荷载的桩侧摩阻力作为确定1号、2号主桥桩基的极限摩阻力高而可靠。

特别是通过静载试验，通过高应变试验与静载试验的对比分析，从根本上验证了桩周地基的设计参数。由于桩基未按原设计要求埋设，桩基础承载力由摩擦桩计算。根据静载试验得出的桩侧摩擦力，结合数值数据得出岩土工程勘察数据。根据相关规范，对小金口互通立交桩基承载力进行综合检测。

3.2 工程实际处理方法及承载力检测

3.2.1处理原则

根据以上分析计算及相关工程经验确定本工程的处理原则：

通过试验和承载力计算。基本满足了桩基承载力的要求。因此，考虑桩基础作为摩擦桩，几十根桩基可以满足设计强度的要求，不需要加固，节省了加固时间和不必要的加固成本。

对承载力不满足设计要求的两根桩，因承载力欠缺不多，决定增加桩与桩周围桩之间的摩擦力，以进行高压旋喷体。为了提高桩基础的承载力，桩与旋喷体之间形成一个共同的应力系统。

3.2.2 高压旋喷注浆补强

在这种加固方法中，在原始桩周围等间距布置四个高压旋喷体孔，用于旋喷体（见图5）。旋喷桩的平均桩径不小于50 cm，旋喷桩的60天平均单轴抗压强度小于5 MPa，旋喷桩从支撑平台底部到底部的长度为1.0 m。

实施要点：开孔后按常规旋喷法施工。为确保处理效果，桩身可一次重新喷涂，再附着时间和时间可在桩底1.0m范围内增加。因此，四根旋喷桩在原桩底处相互连接，形成桩底伸缩头。旋喷钻孔顺序必须跳钻，如1、3、2或4。并加入适量的增塑剂；旋喷压力为23至25 MPa，旋喷速率为15至18 r/min，提升速度为15至18 cm/min，位移为70 L/min，位移为70 L/min。在进一步提升钻孔高压旋喷后，完成旋喷桩和桩周围的摩擦。孔口的低压灌浆在泥浆初凝之前进行。灌浆压力为1至3 MPa。

图5小金口立交桩基旋喷补强示意图

3.2.3高压旋喷注浆加固效果检验

在复喷过程中，提取回填旋喷浆液，并制备三组。从旋喷体体中采集芯样进行单轴抗压强度试验，在标准硬化28天后进行单轴抗压强度试验。试验结果表明，旋喷体单轴抗压强度满足要求。开挖检查在最终固化后进行。旋喷体与原桩连接良好，旋喷体直径大于50cm，旋喷体施工质量满足设计要求。为确定旋喷体与原桩的组合，现场开挖旋喷体体横断面进行剪切试验。当垂直压缩达到200 kN时，没有损坏迹象，接合面抗剪强度大于570 kPa。

对加固后的原桩进行承载力验算；加固完成后，四根旋喷桩在原有桩基周围进行了“粘贴”。参照旋喷体抗剪试验成果进行验算。原桩承载力满足设计承载力要求和使用要求。

四、桩基承载力分析探讨

（1）地基土工程参数的选用

根据地基的各种参数，设计计算了桩基承载力。在本设计中，基本工程参数的取值主要参照公路桥梁涵洞基础值和基本设计标准，并以地质调查报告为依据。由于码头场地地质条件复杂，有限的地勘点不能充分反映地质条件。以小金口立交桩周土的摩阻力为例，不同方法的参数值如下表7所示。

表7桩周土层摩阻力实测值与规范值、勘测报告值比较

土层	规范取值（kPa）	地质勘探值（kPa）	试验实测值 (kPa)	建议值 (kPa)
素土层	40-60	35~45	17.4	18
黏土	30-50	45-55	69.0	70
亚黏土	55-85	55	60.0	60
中砂	40-60	80	67.0	80
亚黏土	55-85	55	126.0	130
强风化碳质、泥质粉细砂岩	/	100-120	177.1	180
弱风化碳质、砂质页岩	/	140	249.4	250
弱风化碳质、泥质粉细砂岩	/	/	329.6	330
强风化碳质、砂质页岩	/	120	314.3	300

根据地质报告的规范和推荐值采用基本设计参数时，桩基设计趋于保守。在我国建筑工程中，通过静载试验确定单桩的沉降规律和极限承载力。然而，在桥梁工程中，桩基静载试验难度大，不适用，不能提供可靠的单桩承载力数据。对于桩支护数据的不当使用，必须采用相对较大的安全系数和桩基础设计，或者桩基础承载力的安全系数不能满足设计要求。

（2）基桩的承载力检测方法

在桥梁施工中，由于施工技术的松弛控制、地质变化或结构本身的变化，往往需要确定桩基础完成后是否满足设计要求的承载力。静载试验法和高应变法是检测桩承载力的两种常用方法。静态负载测试结果直观且准确，但通常成本较高且耗时较长。虽然高应变测试方法简单、快速、成本低，但其可靠性受到质疑。

（3）桩身质量问题的处理方法探讨。

在桩基结构过程中，由于地质和施工原因，桩的断桩、地面沉降和桩基础强度等问题不符合设计要求。这种疾病的治疗往往很困难。很难达到预期的效果，再加工是多余的。其中一种较为有效的方法是“粘贴”旋喷桩，扩孔桩体，扩宽桩身，在桩身上形成缺陷，提高桩基础的承载力。该方法用于小金口互通立交桩基的加固处理。

五、结论

（1）动力试桩结果与静载试验结果接近。结合静载试验结果，经过对比分析，对动力试桩进行了分类，可在该场地推广。

（2）一般情况下，静载试验属于检查桩，荷载未达到破坏荷载。桩头侧土层摩阻力作为参考值较高，可靠性较高。试桩的Q~s曲线为缓变曲线。由于相应的沉降为7.55 mm，因此认为桩的极限承载力远高于8000 kN，因此在不具备采用锚桩反力梁法的条件时，可以考虑桩的自荷载试验方法。试验桩的桩－地摩擦力完全调动和浮动，但发现桩端阻力出现在桩阻力之前。未激发的桩端反力可作为可靠的安全储备，确保工程顺利进行。

（3）工程地质勘察中各层的摩擦阻力小于实际值，桩基设计往往保守。桩的极限承载力由静载荷试验确定。测量各土层的摩擦阻力后，重新评估桩的设计参数。

（4）桩底注浆可提高桩基承载力。

参考文献

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