软土地区静钻根植竹节桩竖向承载性能试验研究

周佳锦1,2，王奎华1,2，龚晓南1,2，张日红3，严天龙3，许远荣3
（1.浙江大学 滨海与城市岩土工程研究中心，杭州 310058；2. 浙江大学 软弱土与环境土工教育部重点实验室，浙江 杭州 310058;
3.浙东建材集团，浙江 宁波 315000）

　　摘 要：为了研究静钻根植竹节桩在软土地区中的抗压、抗拔承载性能，进行了静钻根植竹节桩的抗压、抗拔静载试验，并进行了钻孔灌注桩的抗压静载试验。通过一组静钻根植竹节桩与钻孔灌注桩的抗压静载试验对静钻根植竹节桩的抗压承载性能进行了研究，并将静钻根植竹节桩与钻孔灌注桩的抗压承载特性进行比较和分析；通过一组静钻根植竹节桩的抗压、抗拔静载试验对静钻根植竹节桩的抗拔承载性能进行了分析，并分别用幂函数、双曲线和指数函数对试桩抗拔荷载位移曲线进行了拟合。试验结果表明，静钻根植竹节桩在软土地区中的抗压承载性能很可能要好于钻孔灌注桩；采用指数函数对静钻根植竹节桩抗拔荷载位移曲线进行拟合的效果较好，且静钻根植竹节桩抗拔荷载位移曲线较为平缓。
　　关键词：静钻根植工法；竹节桩；水泥土；抗压承载性能；抗拔承载性能；荷载传递机理

　　中图分类号：TU 473　 文献标识码：A

　　Abstract: A series of field tests of the static drill rooted nodular piles under compression and under tension as well as a group of field tests of the bored piles were conducted to investigate the bearing capacity of the static drill rooted nodular piles in soft soil areas. A group of field tests of static drill rooted nodular piles and bored piles under compression were conducted to investigate the bearing capacity of the static drill rooted nodular pile under compression and give a comparison on the bearing capacity of the static drill rooted nodular pile and the bored pile. A group of field tests of the static drill rooted nodular piles under compression and under tension were conducted to study the uplift bearing capacity of the pile, moreover, power function, hyperbolic function and exponential function models were used to fit the load-displacement curve of the pile, respectively. The test results showed that: the compressive bearing capacity of the static drill rooted nodular pile is probably better than the bored pile in soft soil area; the exponential function model can be used to fit the load-displacement curve of the static drill rooted nodular pile under tension well, and the curve of the static drill rooted nodular pile under tension is relatively flat.
　　Key words: the static drill rooted method; nodular pile; compressive bearing capacity; uplift bearing capacity; load transfer mechanism
 

　　1 引 言
　　随着我国基础建设的高速发展，桩基础已经成为工程建设中十分重要的一种基础形式；我国东南沿海地区地质条件较差，往往有深厚的软土层存在，桩基承载性能较差。许多学者提出在钻孔灌注桩施工过程中可以采用桩侧后注浆和桩端后注浆技术以改善桩基的承载性能；相关文献中指出进行桩侧后注浆或桩端后注浆的钻孔灌注桩的抗压、抗拔承载性能相比于注浆前都有所提高[1-4]。一些学者也提出了由混凝土和水泥土进行组合形成组合桩基，董平[5]对一种混凝土芯水泥土搅拌桩进行了详细的试验研究和有限元模拟分析，并提出了这种桩基的单桩极限承载力计算公式以及荷载传递的双层模式；刘汉龙[6]等通过大模型尺寸试验对高喷插芯组合桩的承载力及荷载传递机制进行了研究，并指出高喷插芯组合桩与同桩长、同桩径灌注桩相比承载力能提高30%以上，说明组合桩基承载性能相比于传统混凝土桩有一定的优势。
　　静钻根植竹节桩也是由预制混凝土桩和通过将水泥浆注入钻孔土体中形成的水泥土组合而成的一种新型组合桩基。静钻根植竹节桩由预制桩承担上部荷载，通过桩周水泥土相比于预制桩较大的桩土接触面积以及水泥土—土体接触面相比于混凝土—土体接触面摩擦性质的改善来提高桩基的桩侧摩阻力；同时桩侧摩阻力的提高能够增加桩身轴力，改善在软土地区桩侧摩阻力较小使得桩身轴力较小，桩身强度很难得到充分发挥的情况。因此，可以认为静钻根植竹节桩结合了预制桩桩身强度高以及水泥土—土体接触面摩擦性能较好的优点，具有较好的工程应用前景。
　　笔者课题组通过对静钻根植竹节桩现场静载试验数据分析以及有限元模拟对其承载性能以及荷载传递机理进行了一些研究[7-8]，为了对其抗压、抗拔承载性能进行更加详细的研究，本文通过一组静钻根植竹节桩和钻孔灌注桩的静载试验对两种桩基的抗压承载性能进行比较，通过一组静钻根植竹节桩的抗压、抗拔静载试验对其抗压、抗拔承载性能进行分析。
　　2 静钻根植竹节桩与灌注桩抗压静载试验
　　2.1 试验概况
　　该静载试验基于温州某大型电厂基础工程，前期勘察资料显示厂区地质条件较差，软土层厚度达16～20m，主厂房及附属构建筑物必须采用桩基础。桩基础初步设计过程中拟选择钻孔灌注桩与静钻根植竹节桩中的一种，为了将钻孔灌注桩与静钻根植竹节桩的抗压承载性能进行比较，在试验场地内设置了6根试桩，其中4根静钻根植竹节桩，2根钻孔灌注桩。4根静钻根植竹节桩试桩中2根试桩钻孔直径为850 mm，内部预制桩为800 mm管桩和800（600） mm竹节桩（850 mm静钻根植桩）；另外2根试桩钻孔直径为700 mm，内部预制桩为600 mm管桩和650（500） mm竹节桩（700 mm静钻根植桩）。800（600） mm竹节桩和650（500） mm竹节桩尺寸如图1所示。

 
图1 竹节桩示意图 (单位: mm)
Fig.1 Sketch of the nodular piles (unit: mm)

　　2根钻孔灌注桩直径都为1000 mm，且6根试桩桩长都为61 m，其中钻孔直径为700 mm的静钻根植桩上部600 mm管桩长度为46 m，下部650（500） mm竹节桩长度为15 m；钻孔直径为850 mm的静钻根植桩上部800 mm管桩长度也为46 m，下部为15 m长的800（600） mm竹节桩。试验场地工程地质条件如表1所示，试桩持力层均为（7）层砾（卵）石层，进入持力层深度1 m。700 mm静钻根植桩设计极限承载力为7 500 kN，850 mm静钻根植桩和1000 mm钻孔灌注桩设计极限承载力均为10 000 kN。
　　2.2 单桩静载试验
　　单桩竖向抗压静载试验执行标准为中华人民共和国行业标准建筑基桩检测技术规范（JGJ106- 2003）[9]，工程试桩均采用锚桩横梁反力装置，采用千斤顶反力加载和百分表测读桩顶沉降的试验方法，采用慢速荷载维持法进行分级加载。根据静载试验所测得荷载、沉降数据经整理后所得各试桩荷载位移曲线如图2所示。图中Q为桩顶荷载，S为桩顶位移，试桩S1-1和S1-2为700 mm静钻根植桩，试桩S2-1和S2-2为850 mm静钻根植桩，S3-1和S3-2为1 000 mm钻孔灌注桩。
　　从图2中可以看出，各试桩曲线走向相似，各级沉降稳定、连续、无突变，均为缓变形曲线。其中S1-1和S1-2试桩在加载到8 250 kN时桩顶位移分别为28.97 mm和30.69 mm，均未超过40 mm，即700 mm静钻根植桩极限承载力为8 250 kN，满足设计要求；S2-1和S2-2试桩在桩顶荷载为11 000 kN时，桩顶位移分别为25.44 mm和24.4 mm，即850 mm静钻根植桩极限承载力为11 000 kN，也满足设计要求；S3-1和S3-2试桩在加载到11 000 kN时桩顶位移分别为30.47 mm和27.65 mm，1 000 mm钻孔灌注桩也满足设计要求。对比850 mm静钻根植桩和1 000 mm钻孔灌注桩试桩荷载位移曲线可以发现，两种类型试桩极限承载力相同，都为1 1000 kN，而当桩顶荷载为11 000 kN时，850 mm静钻根植竹节桩桩顶位移要小于1 000 mm钻孔灌注桩桩顶位移，且850 mm静钻根植桩桩身直径要小于1 000 mm钻孔灌注桩，这可能是因为静钻根植桩桩侧摩阻力由水泥土—土体界面提供，其摩擦性质要好于钻孔灌注桩桩土界面摩擦性质，并且静钻根植桩中桩端水泥土扩大头也能够改善桩端承载性能。从上述分析中可以得出静钻根植桩在软土地区中的抗压承载性能很可能要好于钻孔灌注桩。

图2 试桩荷载位移曲线
Fig. 2 Load-displacement curves of test piles

表1 试验场地土体性质
Table 1 Properties of soils in test site

土层	土名	土层厚度H / m	管桩		钻孔灌注桩		承载力特征值
			qsa / kPa	qpa / kPa	qsa / kPa	qpa / kPa
1	黏土	0.50～3.00	25		22		90
2-1	淤泥	0.30～15.90	14		12		50
2-2	淤泥	6.50～16.90	18		16
3-1	淤泥质粉质粘土	1.00～16.25	22		20
3-2	粉细砂	0.70～5.90	40		35
3-3	粉质粘土	0.80～11.90	30		25
4-1	粉土	0.65～13.70	40	2500	35
4-2	粉质粘土	0.91～5.00	40		35	550
4-3	粉土	0.50～6.10	40		35
5-1	砾（卵）石	0.05～17.25	200	11500	150	2200
6-1	粉质粘土	0.80～7.20	50		45
6-2	粉质粘土	4.00～8.00	60	3000	55	750
6-3	粉土	0.30～11.50	40		35
7	砾（卵）石	2.10～14.10	200	11500	150	2200
8	粉质粘土	1.00～22.10	60	3000	55	750
9	碎石	2.50～3.00	200	11500	150	2200	350

 

　　注：表中qsa为桩侧阻力特征值；qpa为桩端阻力特征值。

　　3.3 抗拔静载试验
　　试桩抗拔静载试验也按照建筑基桩检测技术规范（JGJ106-2003）[9]进行，采用慢速维持荷载法。使用千斤顶横梁反力装置，路基板做支撑，并分级加载进行试验。根据试验所得桩顶荷载以及桩顶上拔位移经整理后所得试桩抗拔荷载位移曲线如图4所示，图中P为桩顶上拔荷载，L为桩顶上拔位移。从图4中可以看出，3根试桩抗拔荷载位移曲线比较接近，其中4号试桩和5号试桩的极限抗拔承载力都为3 200 kN，而6号试桩极限抗拔承载力为3 680 kN。结合建筑桩基检测技术规范，试桩抗拔极限承载力为3 360 kN。
 

　　徐宏发等[10]提出在实际应用和理论分析中需要对抗拔桩的荷载位移曲线进行数学描述，并提出双曲线模型和指数模型不能全面反映各种类型的上拔荷载位移曲线，用幂函数模型描述抗拔桩荷载位移曲线适应性更强，模拟结果比较合理。考虑到静钻根植竹节桩中桩周水泥土以及桩端水泥土扩大头的存在，其抗拔承载特性很可能会与传统桩基有所不同，本文分别采用双曲线模型、指数函数模型和幂函数模型对本次抗拔试验中试桩的荷载位移曲线进行拟合。根据文献[10]中所述，描述试桩荷载位移曲线的双曲线函数可以表示为：

 

　　式中，P为桩顶上拔荷载；L为桩顶上拔位移；K为初始抗拔刚度；Pm为极限抗拔力。
　　指数函数可以表示为:

 

　　幂函数可以表示为：

 

　　n为桩身截面系数，等截面桩n=2.122，扩底桩n=2.902。
　　试桩初始抗拔刚度K可以根据图4中实测试桩抗拔荷载位移曲线初始阶段数据计算得到，考虑到静钻根植竹节桩桩端存在水泥土扩大头，而水泥土强度要低于扩底桩中混凝土强度，在用幂函数进行拟合时考虑了等截面桩和扩底桩两种形式，试桩拟合曲线如图5所示。从图5中可以看出，当桩顶荷载较小时，三种拟合曲线均能够较好地模拟静钻根植竹节桩的抗拔荷载位移曲线，随着桩顶荷载的增加，双曲线与幂函数拟合曲线与实测数据出现了一定的偏差，只有指数函数能够较好地反应试桩的荷载位移变化规律。从图5中还可以发现，指数函数拟合曲线相比于双曲线和幂函数拟合曲线要显得较为平缓，说明静钻根植竹节桩中桩周水泥土以及桩端水泥土扩大头的存在使得其抗拔承载性能与传统抗拔桩基有所不同，其抗拔荷载位移曲线比较平缓。

　　4 结 论
　　本文通过对一组静钻根植竹节桩与钻孔灌注桩抗压静载试验以及一组静钻根植竹节桩抗压、抗拔静载试验数据进行分析可以得出以下结论：
　　（1）在软土地区，静钻根植竹节桩的抗压承载性能很可能要好于钻孔灌注桩。
　　（2）静钻根植竹节桩中桩周水泥土以及桩端水泥土扩大头的存在使其抗拔承载性能与传统桩基有所不同，采用指数函数对其抗拔荷载位移曲线进行拟合的效果较好，且静钻根植竹节桩抗拔荷载位移曲线比较平缓。
　　（3）静钻根植竹节桩作为一种新型组合桩基，其在软土地区中的抗压、抗拔承载性能很可能要好于钻孔灌注桩，具有广阔的发展前景。本文对静钻根植竹节桩在软土地区中的承载性能进行了简要的分析，随着静钻根植竹节桩进一步的推广与应用，可以对其荷载传递机理与承载特性进行进一步的分析与研究。
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