一般桩基础主要承受竖向荷载, 能将上部结构荷载传递到深部较硬的持力层, 通过桩周阻力和桩端阻力来支承轴向荷载, 目前已广泛应用于建筑工程、桥梁工程、海洋工程等领域。实际工程中, 为了获得桩基竖向承载力, 一般需要进行一定数量的原位静载试验, 如根据GB50007—2011《建筑地基基础设计规范》规定, 检验桩数不得小于同条件下总桩数的1%, 且不少于3根。常见的静载试验方法主要有堆载试验、锚桩试验、自平衡试验等方法, 而常规的压重平台堆载法所需现场空间大、速度慢、安全性低, 反力架钢梁一般单件质量较大, 须用起重机和大型车辆配合运输和安装, 因此在实际工程中有很大的局限性。锚桩试验法由于邻近的锚桩受反力荷载, 对试桩周围土体摩阻力影响也较大, 而且对于高承载力的试桩, 需要埋设较深或者更多的锚桩以满足足够大的抗拔承载力, 在工程中已显示出很大的不经济性。自平衡法虽然测试较简易, 可以测试较大吨位的承载力, 但是对于桩径较小且承载力较高的试桩, 很难在小截面布置足够大吨位的荷载箱, 而且测试的荷载位移曲线并不是直接的桩顶荷载位移, 与工程桩使用过程的受荷模式存在一定的差异。伞形架法从堆载法试验基础上发展, 通过特制的伞形架结构体系, 可现场拼装, 可用人力搬运和安装, 运输可用小型车辆, 甚至手扶拖拉机, 方便使用, 而且加载吨位也容易满足常规桩基设计要求, 还可以充分使用现场土体堆载作为反力荷载, 因此, 已在很多工程中得到应用。目前已形成了8 000k N级以上测试吨位的伞形反力架。

为了研究伞形架静载试验过程嵌岩桩的荷载传递机理, 以下选取了杭州某工程3根试桩, 测试过程中伞形反力架较稳定, 测试结果均满足设计要求。

拟建的临安城中街地下车库位于临安锦城片区东部, 城中街与环东路交界处, 拟建地下车库为2层 (长约160.0m, 宽约37.0m) 。本工程重要性等级初步定为二级, 场地复杂程度等级为二级, 地基复杂程度等级为三级。底板埋深地表下约9.70m。基础形式主要采用ф1 200mm和ф1 400mm人工挖孔灌注桩, 单桩竖向最大荷载约20 000k N。桩端持力层为 (10) ₃中风化石英砂岩, 其饱和单轴抗压强度达到27.2MPa。为了确定设计桩基的承载力是否满足要求, 本工程选用3个不同位置的试桩 (分别记为SZ1, SZ2, SZ3) , 桩径均为1.4m。根据现场实际情况, 试桩接长至自然地面下0.7m处, 试桩竖向抗压极限荷载标准值≥20 000k N, 桩身混凝土强度等级采用水下C30, 桩头二次浇筑部分为C35。

本工程灌注桩的静载荷试验在满足桩身混凝土养护龄期 (即28d) 以后进行, 静载荷试验加载方式均采用慢速维持载荷法, 按照《建筑地基基础设计规范》进行加载。

在现有地面做桩基静载荷试验时, 应检测桩身不同深度的受力状况, 主要在桩顶以下3.13~3.3, 8.95, 12.95, 16.95m 4个不同位置埋设钢筋计。各试桩桩侧土层厚度如表1所示, 平面布置如图1所示, 土的物理力学参数如表2所示。

本工程桩基承载力试验采用伞形架堆载测试方法, 伞形架主要由主梁、斜拉杆、小梁 (搁栅) 以及中心圆柱组成。伞形架如图2所示, 平面如蜘蛛网状, 剖面如斜拉桥, 各部件全拼装, 施工较简便, 中心圆筒可分节制作连接, 根据测试荷载大小调整中心圆柱高度, 各部件主要采用法兰、螺栓、榫头、销子等连接。压重物可就地取用砂或土, 本次试验主要采用现场的土作为伞形架上的堆载。

本次试验按照设计值20 000k N分10级加载, 每级按2 000k N增加。第1次加载为2倍的分级荷载。

3根试桩加载至设计值20 000k N时开始卸载, 卸载分5次进行。各试桩加载卸载曲线如图3所示。从图3中可看出, SZ1, SZ2, SZ3分别加载至最大值20 000k N时, 均表现为缓变形, 且SZ3荷载位移曲线斜率变化最小, 而SZ2荷载位移曲线斜率变化最大。加载至最大值时, SZ1, SZ2, SZ3的桩顶沉降分别为11.45, 16.71, 8.71mm。卸载至零时, 残余沉降值分别为6.96, 13.2, 6.13mm。回弹率分别为39.2%, 21.0%, 29.6%。由于SZ2沉降量最大, 回弹率最小, 说明SZ2产生了较大的塑性沉降变形, 虽然试桩没有加载至极限破坏, 但根据实测的荷载位移曲线可预测SZ2的极限承载力最小。

为测试试桩桩侧摩阻力和桩端阻力, 测试前在试桩钢筋笼指定位置焊接已经过标定的应力计, 通过标定结果, 可根据测试所得频率求出指定位置处的钢筋应力。然后根据钢筋与混凝土变形协调关系, 则任意第i截面的桩身轴力可由下式计算得到:

式中:σ_si为第i截面由钢筋计测得并转换后的应力值 (k Pa) ;A_si为该截面全部钢筋横截面积 (m²) ;E_c, A_s分别为混凝土弹性模量 (k Pa) 和横截面积 (m²) ;E_s为钢筋的弹性模量 (k Pa) 。

每级加载时可计算得到不同深度位置的轴力, 3根试桩的桩身轴力随深度变化曲线如图4所示。

从各级荷载作用下桩身轴力分布图可见, 桩顶受竖向加载后, 桩身受压而产生沉降位移, 桩侧产生向上的摩阻力, 桩顶荷载通过发挥出来的摩阻力传递到桩周土层中去, 从而使桩身轴力随深度递减, 且荷载的传递深度也逐渐加深, 斜率越大反映桩周土体摩擦阻力也越大。随着荷载值增加, 桩端阻力也慢慢发挥, 由于3根试桩均表现出缓变形, 嵌岩段侧阻力以及桩端阻力均没有达到极限。

通过相邻两侧测试元件位置的轴力, 可根据下式计算得到各土层桩侧摩阻力q_s:

式中:q_s为桩侧各土层的摩阻力 (k N/m²) ;ΔN_i为桩身量测截面之间的轴向力N_i差值 (k N) ;S_i为桩身量测截面之间桩段的侧表面积 (m²) 。

根据试验数据, 可计算得到各试桩桩侧摩阻力随深度的关系曲线如图5所示。由图5可知, 随着加载等级的增加, 桩侧的摩阻力逐渐发挥出来。桩侧摩阻力主要由卵石层、强风化石英砂岩以及中风化石英砂岩土层分担, 其中卵石层侧摩阻力达到120~150k Pa, 强风化石英砂岩侧摩阻力达到150~250k Pa, 中风化石英砂岩侧摩阻力达到300k Pa以上。实测的土层摩阻力均明显大于表1中相应土层摩阻力特征值的2倍, 说明地勘及规范给出的各土层摩阻力相对较保守, 有必要根据实测结果对桩基承载力进行重新计算。

根据实测的各截面位置的轴力, 可换算得到桩端阻力, 不同加载等级下的桩端阻力变化曲线如图6所示。由图6可知, 加载至第1级之后, 端阻力基本呈线性增长, 由于3根试桩未达到极限破坏, 使得端阻力随着加载等级线性增加, 端阻力也未达到极限。桩端持力层均为中风化石英砂岩, 各试桩的端阻力增长规律相似, 桩端阻力最大可达到4 500k Pa左右。由于最大加载值已满足设计要求, 故试桩达到20 000k N后开始卸载, 桩端阻力极限值只能通过理论计算方法进行推算。

根据测试结果, 可计算得到桩端阻力与桩端位移的变化关系。由计算结果可知, 桩端位移<2mm时, 3根试桩的变化曲线差别较小。而且整个加载过程, SZ1和SZ3桩端阻力与位移变化曲线相似, 均比SZ2测试结果变化缓慢, 可能SZ1和SZ3的桩端清孔质量较好, 随着荷载增加, 桩端沉降较小。实测3根试桩SZ1, SZ2和SZ3最大端阻力分别为4 356, 4 502, 3 889k Pa。

根据上述测试结果, 可计算得到不同桩段的摩阻力位移发挥程度, 计算结果如图7所示。

由上述摩阻力位移曲线结果可以看出, 桩顶以下的杂填土摩阻力较小, 约为25k Pa, 而且位移达到6mm即充分发挥。而卵石层桩土相对位移为8mm时摩阻力对应地达到极限。由于测试加载未达到极限破坏, 中风化石英砂岩摩阻力位移曲线尚未达到极限, 中风化石英砂岩摩阻力充分发挥时桩土相对位移应>12mm。

试桩承载力及端阻力、摩阻力构成如表3所示。从表3中可知, 在加载等级范围内, 试桩的摩阻力在桩的承载力构成中占主要部分, 达到65%~70%。

由上述计算结果可以看出, 在设计荷载加载范围内测试得到的3根试桩承载力差别较小, 测试得到的中风化石英砂岩层桩端阻力分别为4 356, 4 502, 3 889k Pa。而地勘中给出的中风化岩的端阻力标准值为7 000k Pa, 说明桩端阻力还有很大的富余度, 富余度分别达到37.7%, 35.6%, 44.4%。此外, 从上述结果可以看出, 3根试桩基本为端承摩擦桩, 而由于加载未到极限, 后期的端阻力所占的比例是否会提高需增加试桩的极限破坏试验。

本次现场试验对中风化石英砂岩地层中嵌岩桩进行伞形架静载试验, 试验结果表明中风化石英砂岩中桩基承载力较高。主要结论如下。

1) 由于实测加载未到极限, 桩端阻力和部分土层的侧摩阻力未完全发挥, 特别是中风化石英砂岩, 侧摩阻力充分发挥时桩土相对位移应>12mm。

2) 通过3根试桩结果发现, 承载力均满足设计荷载要求, 并且SZ1和SZ3位移沉降均较缓慢, 桩身质量较好, 而SZ2荷载位移变化较陡, 说明桩基极限承载力小于其他2根试桩, 可能受桩底沉渣影响显著, 建议工程桩应按照SZ1和SZ3施工工艺和施工质量进行控制。

3) 通过对比实测值和桩端承载力特征值, 实测得到的3根试桩的中风化石英砂岩层桩端阻力分别为4 356, 4 502k Pa和3 889k Pa。而地勘中给出的桩端承载力特征值为3 500k Pa, 则标准值可认为是7 000k Pa。说明桩端阻力还有很大的富余度, 富余度分别达到37.7%, 35.6%, 44.4%。