0 引言

　　 大直径超长灌注桩一般指桩径不小于0.8m、桩长不小于50m且长径比不小于50的灌注桩 ^[1]。超长灌注桩受力机理与常规桩基有所不同,其设计计算和施工检测要求与常规桩基也存在明显差异。本文结合实际工程,对大直径超长大直径灌注桩进行了专门的研究。

　　 昆明景成大厦位于云南省昆明市东南面的原巫家坝机场,即新规划的昆明新中心,距离滇池约7.5km。地下4层,地上47层,为大屋面结构高度249.1m的超高层建筑,主要功能为办公及酒店,结构体系采用钢管混凝土外框柱-钢外框梁-钢筋混凝土核心筒的框架核心筒混合结构体系。塔楼基础采用直径为1.0m、有效桩长不小于75m的旋挖成孔灌注桩基础,桩身采用C55水下混凝土。

1 桩基选型及试桩设计

1.1 场地地质情况

　　 基底下土层均为由第四系冲湖相沉积成因的黏性土、泥炭质土、粉土组成,其中基底以下从上至下依次为⑤,⑥,⑦,⑧,⑨,⑩,(11)粉质黏土层和⑤₂,⑥₂,⑦₂,⑧₂,⑨₂,⑩₂,(11)₂粉土层及⑤₁,⑥₁,⑦₁,⑧₁,⑨₁,⑩₁,(11)₁泥炭质土层夹杂分布,钻探深度范围内未揭露基岩。

1.2 桩基选型

　　 本建筑塔楼范围结构总荷载标准值为2 588 616kN,其中,核心筒总荷载标准值为1 377 215kN,最大柱脚荷载标准值为5 600kN,基础底板厚度为3.6m。

　　 根据场地地质情况和上部荷载要求,本项目塔楼基础采用旋挖成孔灌注桩基础,桩顶标高-23.0m,因在地面下75～95m范围分布有较厚不规则分布的泥炭质土层,为避开此范围并满足所需承载力,有效桩长拟定为不小于75m,桩径1.0m,以⑧层粉质黏土层或⑧₂层粉土层为桩端持力层。为提高超长下端侧阻和端阻效率,提高桩基竖向承载力,并有效减少基础沉降,可采用后注浆工艺,有效消除孔底沉渣影响,提高桩侧与土体的黏结力,并加固桩端和桩周边土体,使得单桩承载力得以大幅提高。

　　 塔楼超长桩布桩较密,群桩效应明显,桩传递给土的应力相互叠加,竖向压应力最终传递到桩周边及桩端以下土层,与单桩受力不同。采用桩侧后注浆时,桩间土得到有效的加固,但因塔楼以外无桩基,群桩四周的土并未得到后注浆的加固,其对桩基整体承载力提高是有限的。采用全桩段的后注浆得到的单桩承载力可能比群桩情况下偏高,从而导致不安全,且全桩段侧注浆注浆量太大、成本偏高。因此本项目试桩及工程桩仅对桩端及桩侧下端20m范围采用后注浆工艺。

1.3 试桩承载力估算

　　 试桩设计根据《建筑桩基技术规范》(JGJ 94—2008) ^[2](简称桩基规范),按下式估算单桩极限承载力标准值Q_uk:

　　 Quk=Qsk+Qpk=u∑ψsiqsikli+ψpqpkAp         (1)Quk=Qsk+Qpk=u∑ψsiqsikli+ψpqpkAp         (1)

　　 式中:Q_sk,Q_pk分别为总极限侧阻力标准值和总极限端阻力标准值; u为桩身周长; q_sik为桩侧第i层土极限侧阻力标准值; q_pk为极限端阻力标准值; ψ_si,ψ_p分别为大直径桩侧阻力、端阻力尺寸效应系数; l_i为第i层土厚度; A_p为桩身横截面面积。

　　 根据地勘报告提供的参数计算结果(表1),单桩极限承载力标准值不考虑后注浆时约为18 000kN,考虑后注浆时约为21 500kN。参考地勘原位测试数据,试桩采用的单桩极限承载力标准值按计算值乘以1.1考虑,即预估单桩极限承载力标准值为24 000kN; 静载试验加载荷载按极限承载力的1.2倍准备,即28 800kN。

　　 试桩极限承载力计算/kN 表1

钻孔号	不考虑后注浆			考虑后注浆
	桩侧 阻力	桩端 阻力	桩 承载力	桩侧 阻力	桩端 阻力	桩 承载力
ZK47(A1)	16 181	1 337	17 518	18 101	3 118	21 219
ZK49(A2)	16 973	891	17 864	19 092	2 078	21 170
ZK23(A3)	16 170	1 337	17 507	18 257	3 118	21 375
ZK25(A4)	17 781	891	18 672	19 867	2 078	21 945
ZK33 (塔楼中心点)	16 363	1 337	17 700	18 644	3 118	21 762

 

　　 注:A1～A4为试桩编号。

　　  

1.4 试桩开挖段桩侧阻力的扣除

　　 因有效桩长以上还有约23m长的无效桩段,为合理考虑其侧阻力的扣除,设计采用在有效桩长以上设置约23m长的双层钢套管,以消除无效桩段的桩侧阻力。

1.5 单桩静载试验加载方式

　　 因单桩承载力较高,每根试桩均设4根锚桩作为反力装置,并专门定制钢反力架及锚桩钢筋连接装置。单桩静载试验装置如图1所示。

　　 图1 单桩静载试验装置照片  

　　  

2 单桩静载试验结果

　　 本建筑塔楼共做了4组试桩,试桩A1～A4共4根,锚桩16根。单桩静载试验前,先进行了基桩声波透射检测,所有桩的桩身质量合格,混凝土强度等级为C55,满足桩基规范要求,其中A2,A4为Ⅰ类桩,A1,A3为Ⅱ类桩。单桩竖向静载荷试验结果详见表2。

　　 试桩单桩静载试验结果 表2

试桩号	后注浆 量/kg	终止试 验荷载 /kN	对应沉 降量 /mm	单桩竖向 极限承载力 /kN	极限承载力 对应沉降量 /mm
A1	26 030	26 534	43.82	25 307	36.56
A2	12 033	22 764	44.69	21 624	31.61
A3	11 701	24 342	45.92	23 115	35.76
A4	26 235	28 814	33.74	28 814	33.74

 

　　  

　　 本项目主楼下土层分布基本均匀,试桩桩长基本相同,桩端土层和注浆量有所差异,其中A2,A3试桩注浆量(以水泥质量计)约12t,A1,A4试桩注浆量约26t。从单桩静载试验结果来看,提高后注浆量可显著提高单桩的承载力。根据试桩结果,最终确定工程桩的单桩承载力特征设计值不小于12 000kN,注浆量按不小于24t控制。

　　 表3为工程桩静载试验复检结果,各桩均达到设计要求且有一定安全储备,说明桩基设计承载力取值和施工工艺控制措施合理。

　　 工程桩单桩静载试验复检结果 表3

桩号	终止试验 荷载/kN	对应沉降量 /mm	单桩竖向 承载力特 征值/kN	承载力 特征值对应 沉降/mm
18#	24 800	18.34	12 400	1.90
267#	24 800	37.22	12 400	3.53
280#	24 800	35.89	12 400	3.73

 

　　  

3 单桩轴力测试

　　 为研究单桩受力特性,本项目对A2,A4两根试桩埋设了应力测试仪,在单桩静载试验时进行单桩轴力测试,以得出各桩段轴力和桩侧阻力、端阻力分布情况。

3.1 桩身轴力装置的设置

　　 在A2,A4两根试桩的各典型土层变化处及桩端均埋设了应力计,每个断面3个,其中A2试桩在12个断面埋设了36个应力计,A4试桩在13个断面埋设了39个应力计,埋设位置详见图2。

　　 图2 试桩应力计安装位置示意图  

　　  

3.2 桩身轴力计算方法

　　 根据预埋在桩上的应变片得出的应变,可计算出各处桩的轴力,根据轴力计算出侧阻力和端阻力。计算方法如下:

　　 (1)由下列公式计算出各级荷载下桩身混凝土的轴力,进而计算得到的各截面的桩身轴力P_h为:

　　 Ph=AhEcεh         (2)εh=εs         (3)Ρh=AhEcεh         (2)εh=εs         (3)

　　 式中:A_h为混凝土的截面面积,m²; E_c为混凝土的弹性模量,MPa; ε_h为混凝土应变量; ε_s为钢筋应变量。

　　 (2)由各截面的轴力计算得到的桩侧阻力f_s为:

　　 fs=ΔPA侧         (4)fs=ΔΡA侧         (4)

　　 式中:ΔP为相邻截面间的轴力差,kN;A_侧为相邻截面间的侧面面积,m²。

　　 (3)桩端持力层土的极限承载力q_s为:

　　 qs=QPA底=Qd−FdA底         (5)qs=QΡA底=Qd-FdA底         (5)

　　 式中:Q_p为桩端轴力,kN; Q_d为最下层断面轴力,kN; F_d为最下层断面以下桩侧阻力,kN; A_底为桩底端的截面面积,m²。

3.3 桩身轴力测试结果

3.3.1 桩的轴力测试曲线

　　 根据A2,A4试桩在各级桩顶荷载P作用下的各测试断面钢筋应力,可计算得出桩在断面1～12处的轴力, A2,A4试桩轴力测试曲线如图3,4所示。

3.3.2 桩侧阻力和桩端阻力值测试

　　 根据A2,A4试桩在单桩极限承载力标准值对应的测试断面轴力差,可计算出桩在各测试断面间的桩侧阻力和端阻力值,结果如表4,5所示。

4 单桩承载力特性分析

4.1 单桩极限承载力对应的桩侧阻力分析

　　 A2试桩位于地勘钻孔ZK49位置,A4试桩位于地勘钻孔ZK25位置,地勘报告给出的A2,A4试桩的桩侧阻力值及单桩极限承载力对应的桩侧阻力测试结果对比见表6,7。当测试相邻断面间存在多个土层时,表中地勘建议值为按多个土层厚度的加权平均值。

　　 图3 A2试桩轴力测试曲线  

　　  

　　 图4 A4试桩轴力测试曲线  

　　  

　　 A2试桩侧阻力与端阻力测试结果 表4

部位	距桩顶 /m	上一断面 至本断面 土层	土层厚 度/m	轴力 /kN	轴力差 /kN	侧阻力 (端阻力) /kPa
断面1	1	①	1	22 756
断面2	23.5	②～⑤1	22.5	22 334	442
断面3	31	⑤,⑤1,⑤2	7.5	20 461	1 873	79.50
断面4	38.6	⑤,⑤1,⑤2	7.6	18 755	1 705	71.43
断面5	45.9	⑥,⑥1,⑥2	7.3	16 917	1 838	80.15
断面6	58.8	⑥	12.9	13 370	3 547	87.54
断面7	62	⑦,⑦1	3.2	12 629	740	73.65
断面8	69.1	⑦,⑦1,⑦2	7.1	10 786	1 843	82.63
断面9	75.4	⑦,⑦1	6.3	9 216	1 570	79.34
断面10	82.8	⑦,⑦1,⑦2	7.4	6 806	2 409	103.65
断面11	90.7	⑧,⑧1	7.9	4 015	2 790	112.45
桩端	97.7	⑧,⑧1,⑧2	7	1 517	2 498	113.60(1 932)

 

　　  

　　 从试桩侧阻力测试值与地勘建议值的对比来看,试桩各桩段侧阻力基本均匀,在各桩段均有较好的发挥,仅在靠近桩端位置侧阻力有明显下降。

　　 A2试桩的侧阻力测试值在深度75.4m以上与地勘建议值基本相同,说明地勘根据大量原位测试得出的理论值有较好的精度; 在深度75.4m以下基本为设定的后注浆范围,除桩端断面外,其余测试值约为地勘建议值的1.31～1.47倍,因理论计算考虑了大直径桩侧阻力修正系数0.956,可认为后注浆对桩侧阻力提高系数约为1.37～1.54。

　　 A4试桩侧阻力与端阻力测试结果 表5

部位	距桩顶 /m	上一断面 至本断面 土层	土层厚 度/m	轴力 /kN	轴力差 /kN	侧阻力 (端阻力) /kPa
断面1	1.2	①	1.2	28 803
断面2	24	②～⑤	22.8	28 279	524
断面3	31.7	⑤,⑤2	7.7	25 280	2 998	123.97
断面4	39.2	⑤,⑤1	7.5	22 785	2 494	105.89
断面5	46.3	⑥,⑥1,⑥2	7.1	20 252	2 532	113.56
断面6	48.8	⑥,⑥2	2.5	19 343	908	115.73
断面7	60.8	⑥	12	14 467	4 876	129.35
断面8	66.7	⑦,⑦2	5.9	11 981	2 485	134.12
断面9	72.9	⑦,⑦1,⑦2	6.2	9 499	2 481	127.42
断面10	79.6	⑦,⑦1,⑦2	6.7	66 871	2 812	133.61
断面11	86.4	⑧,⑧1,⑧2	6.8	4 320	2 367	110.81
断面12	95.2	⑧	8.8	754	3 565	128.96
桩端	97.7	⑧2	2.5	150.27	604.6	76.98(191)

 

　　  

　　 A2试桩侧阻力地勘建议值与测试值对比 表6

部位	距桩顶 /m	上一断面 至本断面 土层	土层厚 度/m	地勘建议 值/kPa	测试值 /kPa	测试值地勘建议值测试值地勘建议值
断面3	31	⑤,⑤1,⑤2	7.5	73.1	76.290	1.044
断面4	38.6	⑤,⑤1,⑤2	7.6	61.6	65.640	1.066
断面5	45.9	⑥,⑥1,⑥2	7.3	66.0	77.420	1.173
断面6	58.8	⑥	12.9	78	85.580	1.097
断面7	62	⑦,⑦1	3.2	70.6	69.340	0.982
断面8	69.1	⑦,⑦1,⑦2	7.1	77.6	78.640	1.013
断面9	75.4	⑦,⑦1	6.3	72.5	76.970	1.062
断面10	82.8	⑦,⑦1,⑦2,⑧1	7.4	74.6	97.970	1.313
断面11	90.7	⑧,⑧1	7.9	80.2	108.54	1.353
桩端	97.7	⑧,⑧1,⑧2	7	73.2	107.60	1.470

 

　　  

　　 A4试桩侧阻力地勘建议值与测试值对比 表7

部位	距桩顶 /m	上一断面 至本断面 土层	土层厚 度/m	地勘建议 值/kPa	测试值 /kPa	测试值地勘建议值测试值地勘建议值
断面3	31.7	⑤,⑤2	7.7	73.4	123.97	1.689
断面4	39.2	⑤,⑤1	7.5	60.5	105.89	1.750
断面5	46.3	⑥,⑥1,⑥2	7.1	66	113.56	1.721
断面6	48.8	⑥,⑥2	2.5	72.6	115.73	1.594
断面7	60.8	⑥	12	78	129.35	1.658
断面8	66.7	⑦,⑦2	5.9	83.8	134.12	1.600
断面9	72.9	⑦,⑦1,⑦2	6.2	81	127.42	1.573
断面10	79.6	⑦,⑦1,⑦2	6.7	82.6	133.61	1.618
断面11	86.4	⑧,⑧1,⑧2	6.8	79.8	110.81	1.389
断面12	95.2	⑧	8.8	90	128.96	1.433
桩端	97.7	⑧2	2.5	82	76.98	0.939

 

　　  

　　 A4试桩与A2试桩理论计算的单桩承载力基本相同,而A4试桩的注浆量为A2试桩的2倍,A4试桩的单桩极限承载力标准值比A2试桩高33%。除桩端部外,A4试桩侧阻力测试值均比地勘建议值有较大提高,约为地勘建议值的1.38～1.75倍,且呈上大下小的规律。原因可能是随着A4试桩及其锚桩后注浆量的增大,水泥浆对土层的加固作用增强,虽然仅在下半段桩设置了后注浆孔,但水泥浆上返明显,对上部土层也有一定增强作用。

　　 上述测试结果得出如下规律:1)超长桩的侧阻力分布与普通桩基本相同,在对桩下段采用后注浆进行增强后,桩侧在无后注浆段与理论值基本吻合; 2)采用后注浆工艺后,超长桩单桩承载力可显著提高,提高值与规范建议值能够较好吻合(黏土、粉土的提高值在1.4～1.8之间,泥炭质土的提高值在1.2～1.3之间); 3)提高注浆量可明显提高超长桩的单桩承载力; 4)超长桩即使采取了后注浆进行处理,桩端附近侧阻力和端阻力仍比理论值偏小,存在明显的桩端软化现象,桩侧阻力发挥越大,桩端软化现象越明显; 5)在进行初步计算时,超长桩采用桩基规范的理论公式及后注浆计算桩侧阻力提高系数仍有较好的精度,但桩端附近的侧阻力宜折减。

4.2 单桩极限承载力对应的桩端阻力分析

　　 A2,A4试桩的端阻力的地勘建议值与测试值对比如表8所示。

　　 试桩端阻力地勘建议值与测试值对比 表8

桩号	桩端土层	地勘建议值 /kPa	测试值 /kPa	测试值地勘建议值测试值地勘建议值
A2	⑧	1 800	1 932	1.073
A4	⑧2	1 200	191	0.159

 

　　  

　　 A2试桩端阻力测试值与地勘建议值基本一致,虽然采用了后注浆工艺,但桩端阻力没有明显提高; 而A4试桩端阻力测试值则仅为地勘建议值的0.159。根据桩端阻力的测试结果可得出如下规律:1)超长桩存在明显的桩端软化现象,端阻力明显低于理论值; 即使采用后注浆工艺,超长桩的端阻力仍难以提高。 2)随着后注浆量的提高,侧阻力可明显增大,但桩端阻力反而下降。3)在进行超长桩初步计算时,桩端侧阻力应折减。

4.3 不同荷载水平下桩侧阻力和端阻力发挥情况

　　 为研究不同桩顶荷载水平下桩侧阻力和端阻力的发挥情况,根据各测试断面的轴力差,可计算出各桩段贡献的承载力随桩顶荷载的变化图,如图5,6所示。

　　 图5 不同荷载水平下A2试桩各桩段承载力占比图   

　　  

　　 图6 不同荷载水平下A4试桩各桩段承载力占比图  

　　  

　　 从图5,6可以看出,随着桩顶荷载的逐步增加,中上段桩侧阻力占比从大逐渐减小至缓慢减小; 下段桩承担比例从小逐渐增加至缓慢增大,桩端附近的侧阻力和桩端阻力占比在前几级荷载情况下为0或很小,随后随桩顶荷载缓慢增加。这说明了超长桩由于桩身的压缩变形使桩下端变形低于上段,下段桩受力滞后于上段。可得出超长桩承载力发挥的规律为:中上段桩身侧阻力较早发挥并逐渐软化,下段桩身侧阻力发挥滞后于中上段; 端阻力发挥呈明显的滞后现象。

5 试桩变形分析

　　 桩沉降可表示为桩身压缩与桩端沉降(土层沉降)之和。由于桩身较长,超长桩的桩身压缩变形比普通桩要大。张忠苗 ^[3]的超长嵌岩和非嵌岩钻孔灌注桩静载试验结果表明,超长桩的桩身压缩量占桩顶总沉降量很大部分,极限荷载下可占80%以上。桩身压缩对桩的沉降影响不可忽略。

5.1 桩身压缩量计算

　　 根据A2,A4试桩的各段桩身轴力N_i,可计算出试验桩的弹性压缩变形S_e为_:

　　 Se=∑NiLiEcAps         (6)Se=∑ΝiLiEcAps         (6)

　　 式中:N_i为第i桩段轴力; L_i为第i桩段长度; E_c为混凝土弹性模量,其中强度等级为C55的混凝土弹性模量为3.55N/mm²; A_ps为桩的截面面积。

　　 试桩上半段配筋为2825,下端30m长范围减为1425,另外,在试桩上端约23m长的无效桩段设有钢套筒,桩身压缩计算时的桩轴向刚度考虑相应段钢筋及内钢套筒按弹性模型折算。

　　 A2,A4试桩在各级荷载下桩身压缩变形曲线见图7,8。从图7,8可以看出,超长桩的桩身为非刚性桩,压缩变形较大。按实测桩身轴力计算的桩身压缩变形量随着荷载的增加逐渐变大; 桩身压缩量随深度不是线性关系,上半段承担比重较大,下半段占比较小,桩端基本为0。A2,A4试桩的单桩极限承载力标准值对应的桩身压缩量分别为32.14,39.51mm,单桩承载力特征值对应的桩身压缩量约为17.23,19.6mm。

　　 图7 A2试桩桩身压缩变形曲线  

　　  

　　 图8 A4试桩桩身压缩变形曲线  

　　  

　　 为验证轴向弹性压缩计算的准确性,采用等直径的圆形截面柱进行模拟计算,柱顶作用了26 534kN的竖向力,柱侧作用了-271.6kN/m的轴向线荷载(-26 534/97=-271.6kN/m),计算得出柱的轴压压缩变形为38.75mm,与按桩身分段计算的桩身总压缩值36.14mm基本一致,这说明上述桩身压缩变形计算是正确的。

5.2 试桩实测沉降与桩身压缩量对比

　　 桩身压缩量计算值与桩顶沉降实测值对比见表9。

　　 桩身总压缩量计算值与桩顶沉降实测值对比 表9

荷载 /kN	A2试桩		A4试桩
	桩身压缩 量/mm	实测桩顶 沉降/mm	桩身压 缩量/mm	实测桩顶 沉降/mm
4 877	5.22	3.62	4.86	3.05
7 420	8.95	6.17	8.49	4.55
9 963	13.23	9.39	12.49	6.58
12 330	17.23	12.69	16.09	8.64
14 698	21.05	15.82	19.60	11.20
17 065	24.80	19.61	22.69	14.11
19 432	28.60	25.62	26.12	17.68
21 800	32.14	31.61	29.87	21.23
24 079	34.04	44.69	33.18	25.14
26 534			36.56	29.45
28 814			39.51	33.74
0(卸载)	0	20.49	0	15.14

 

　　  

　　 从表9可以看出,各级荷载下桩身压缩量较大,与桩的沉降持平甚至超过了桩顶沉降。这说明超长桩试桩时的桩顶沉降主要为桩身压缩。因桩身压缩为上大下小,桩端基本为0。

　　 由于桩侧土的侧阻力主要是由桩土产生的相对位移引起的,因此桩上部变形较大,使桩侧阻力得到了充分发挥,而由于相对位移较小,下部并不能充分发挥其侧阻力。同时,桩端承力的发挥需要一定的桩土相对位移,由于桩端沉降量小,使得桩端力不能完全发挥 ^[4]。下半段桩变形不足使其侧阻力和端阻力难以发挥,导致下半段桩侧阻力和端阻力呈明显的软化现象。

　　 另外,深度23m以上的无效桩段的桩身压缩占了不少比重,极限承载力对应的压缩量达到了约15mm(计算时已考虑了内侧的钢套管对桩刚度的贡献),约占总压缩量的1/3。这说明无效桩段的桩身压缩占比较大,在试桩不可忽略。按桩基规范方法以总沉降量40mm判断是否达到极限承载力时,应扣除无效桩段的变形量。本项目试桩以地面位置的桩顶沉降量40mm作为终止加载条件,低估了桩的承载力。

5.3 桩身沉降测量误差分析

　　 按桩的变形机理,桩的沉降应为桩端沉降与桩身压缩之和,桩身压缩量大于桩的沉降显然是不合理的,存在测量误差。本项目试桩采用锚桩方式,锚桩与试桩间距仅为3.2d(d为柱径)。文献[5]指出,采用锚桩法进行静载试验时,由于锚桩和试桩锚桩的相互作用,使试桩记录的沉降量小于真实的沉降量,试桩测试承载力结果大于实际承载力。本项目A2,A4试桩的锚桩平均上拔变形量分别达16.06,18.66mm,其对试桩的影响是不能忽略的。

　　 还有,本项目测量试桩位移的百分表安装于距桩侧0.5m的地面,可能存在桩侧地面沉降导致试桩实测沉降值偏小。这些因素都可能造成本项目试桩测量沉降量小于实际沉降量,试验方法存在误差。另外,可能还存在实际混凝土强度偏高、桩身实际面积大于理论值导致桩身的实际刚度被低估的因素。

　　 建议进行大直径超长灌注桩进行静载试验时,应注意采取合理测试方法和测量手段,避免试验方法导致的误差,必要时应进行修正。

6 试桩采用双层钢套筒消除无效桩段侧阻力的效果分析

　　 因在地面试桩,存在约23m长的无效桩端,为消除无效桩端而设置了双层钢套管。钢套管顶部(断面1)和底部(断面2)的轴力差即为钢套管间的侧阻力,A2,A4试桩在两个测试断面间的轴力差分别为442,524kN,约为其极限承载力标准值的2%,说明双层钢套筒发挥了很好的作用,消除了绝大部分桩侧阻力,但难免还是承担了少量的桩侧阻力。

7 与国内其他项目大直径超长灌注桩承载特性的对比分析

　　 为进一步研究大直径超长桩的承载特性,搜集了国内类似软土地区大直径超长灌注桩的研究资料,进行对比分析。

　　 文献[6]对西安某项目的3根桩径1.0m、长76m(有效桩长70m)的超长桩的研究显示,抗压桩端阻力为零,为纯摩擦桩,呈现桩顶桩端阻力小、桩中间桩侧阻力相对较大的趋势。

　　 文献[7]通过对上海中心的1根桩径1.0m、长87.4m(其中0～25m设置了双套管)及天津117大厦的2根桩径1.0m、长98.5m(有效桩长76m,无效桩段设双护筒)的超长后注浆钻孔灌注桩进行对比分析显示,桩身上部土层随荷载增加会出现不同程度的软化特征而下部土层则呈现强化的特征。对应最大试验荷载时,传至桩端的荷载与桩顶荷载的比值分别为3.23%,0.66%。根据京津沪三地超长后注浆钻孔灌注桩试桩资料对比分析,桩顶沉降量主要来源于桩身压缩变形量,应通过增加桩身配筋及提高桩身混凝土强度等措施来减小桩顶沉降。

　　 文献[8]通过对3根桩径1.0m、长84.65m的超长桩研究也显示,软土地区大直径超长桩的桩身侧阻力是由上向下逐步发挥的,上部桩身侧阻力发挥至接近极限值时,下部侧阻力可能还没有发挥出来,该规律是由超长桩的桩身压缩造成的。超长桩侧阻力软化的现象主要发生在桩身中上部侧阻力发挥较早的部分,桩身下部侧阻力由于发挥较晚而未出现软化现象,超长桩端阻比通常非常小,所研究的试桩在极限荷载下的端阻比仅4%左右。

　　 文献[9]指出,超长桩的桩身压缩量占桩顶总沉降量很大部分,极限荷载下可占80%以上。对于超长桩,大量实测结果表明,桩身在工作荷载下,中下部桩身侧阻力较难发挥,所以也不会再发生桩身的压缩变形。

　　 文献[10]通过研究指出,超长桩在高荷载作用下的桩身压缩变形占整体沉降量的75%以上,其受力特性表现为非刚性桩的特征,桩侧阻力呈现“驼峰形”分布,且随着上部荷载不断增加,受力重心逐渐向桩端移动,其发挥是一个随着荷载增加的异步过程。。

　　 上述研究结果与本文的测试结果呈现相同的规律。这说明软土地区的大直径超长灌注桩,上部桩身侧阻力较早发挥并逐渐软化,下部桩身侧阻力发挥滞后于上部桩身; 端阻力发挥呈明显的滞后现象,且桩端阻力占比很小,难以发挥。

　　 对于试验桩,由于长径比较大,桩身的压缩变形较大,而此时桩周土层尚未在上部附加应力作用下完成沉降,直接测试得出的桩顶总沉降主要为桩端的刺入变形+桩身压缩变形,桩身压缩变形占总沉降量的绝大部分,桩身较大的压缩变形形成了上述桩的承载规律。对于软土地区的实际工程桩,荷载为缓慢加载的过程,其最终沉降也比测试桩40mm的控制沉降要大得多,随着刺入变形的增加,其下部桩身贡献的承载力比重也会得到改善。

8 结论与建议

　　 根据本文对该项目不同的大直径超长灌注桩的设计计算及测试研究,揭示了大直径超长灌注桩的承载特性的基本规律。

　　 研究表明:1)超长灌注桩的上部和下部侧阻力发挥是一个异步的过程,上部土层的侧阻力先于下部发挥作用,而桩身下段及端阻力发挥呈明显的滞后现象。2)超长灌注桩压缩变形较大,试桩时的沉降主要为桩身压缩。3)较大的桩身压缩导致桩身沉降上大下小,下半段桩变形不足使其侧阻力和端阻力难以充分发挥,即使采用后注浆工艺仍难以达到理论值; 设计时应合理考虑下部侧阻力和端阻力,避免高估。为了提高超长桩的效率,桩的长径比不宜过长,并可采取增加混凝土强度等级、桩身配筋等方式增加桩身刚度。4)采用桩端部和下段进行后注浆可显著提高超长灌注桩承载力,提高超长灌注桩端部承载力的发挥效率,增大注浆量可提高超长灌注桩承载力并可改善桩侧阻和端阻力的分布。

　　 需要注意的是,上述结构是单桩在较短时间的测试结果,实际工程桩为群桩,在长期荷载下的沉降一般比试桩大得多,特别是在软土地区有密集群桩的超高层建筑,总沉降越大,桩身压缩量占比就越小,实际桩基受力特性与试桩是有明显区别的。

　　 另外,超长桩静载试验应注意如下问题:1)静载试验应注意消除因试验装置及试验方法带来的误差,必要时进行修正; 2)过长的无效桩段的桩身压缩变形较大,桩顶沉降不是实际有效桩顶位置的沉降,应注意扣除; 3)超长桩试桩时桩沉降以桩身压缩为主,桩下部侧阻力和端阻力不能充分发挥,其承载特性与实际群桩有明显不同,且影响沉降测量因素较多,静载试验不宜以40mm的总沉降量作为终止加载条件,桩基极限承载力根据实际情况综合分析后合理取用。