1、岩土工程2023 年74砂土条件下超长灌注桩自平衡法试验的研究郑少辉（福建省建筑科学研究院有限责任公司，福建省绿色建筑技术重点实验室，福建 福州 350108）摘 要 以福州滨海新城砂土地质条件下的超长灌注桩为试验对象，进行了自平衡法试验，得到了试桩的单桩竖向抗压极限承载力，通过分析该地质条件下桩基的侧摩阻力和端阻力的发挥情况，得出了以下结论，砂土为主的地质条件下，可以为桩基提供更多的侧摩阻力；在该地质条件下，采用后注浆加固技术可以显著提高承载力。这为同类地质条件下的桩基设计、施工和检测提供了宝贵经验及重要参考。关键词 砂土条件；自平衡法；桩侧摩阻力；桩端摩阻力；后注浆加固0 引言近年来，随着
2、工程技术的不断提高，建筑结构对地基的承载能力要求也越来越高。采用传统的静载荷试验既费事又费力，而且成本也较高，在遇到大直径大吨位的桩和大开挖的桩基工程，若采用堆载法，试验安全性得不到保障，或者试验设备无法安装。对此，国内外知名学者通过研制一种特殊的荷载箱，将它放置于桩身的特定部位，通过对荷载箱进行加压，调动桩周土的摩阻力和端阻力，得到单桩抗压承载力，称之为“自平衡法”试验1。目前，国内许多学者对自平衡法在实际工程中的应用展开了研究。徐长节等2通过自平衡法和传统静载法试验对比研究，发现随着荷载的增大，自平衡法和静载法试验的Q-s 曲线趋于一致，验证了自平衡法的可靠性。李彬等3对自平衡法静载试验中
3、桩身内力测试数据进行了分析，发现试验时桩身轴力、桩侧摩阻力和桩端阻力随荷载增加而增大，荷载箱位置处桩身轴力最大，向桩身两端逐渐减小。鉴于福州地区缺少自平衡法试验的相关经验及数据，本文针对福州砂土地区的超长桩基自平衡试验进行研究，获取相关工程数据，可为类似工程提供参考。1 工程概况1.1 地质概况工程位于福州市长乐区滨海新城，共有2根试桩，编号分别为S1和S2。根据地质勘查报告及试桩的钻孔记录，2根试桩的土层物理力学参数如表1所示。场地地下水位顶标高为0.2m，地下水深度为4m。表1 各土层物理力学参数表层数 土层名称层厚/m层顶标高/m极限侧摩阻力标准值/kPa极限端阻力标准值/kPa1 填粉
4、砂 2.0 4.2 20 2 淤泥质土 1.1 2.2 18 3（含泥）中细砂 8.2 1.1 40 4（泥质）粉砂 1.7-7.1 30 5（含泥）粉砂 10.7-8.8 50 6 淤泥质土 10.4-19.5 20 7（泥质）粉砂 5.0-29.9 45 8 淤泥质土 6.4-34.9 25 9（含泥）粗砾砂 2.3-41.3 70 10强风化花岗岩（砂土状）8.5-43.6 90 300011强风化花岗岩（碎块状）3.6-52.1 130 500012中-微风化花岗岩1.3-55.7 250 100001.2 试桩参数由于2根试桩相邻，力学参数基本一致，第一次自平衡法试验采用S1试桩为试
5、验对象。S1试桩采用冲孔灌注桩，桩身混凝土为水下C50，桩径为1200mm，桩顶标高为4.20m，桩底标高为-57.00m，桩端持力层为12层中-微风化花岗岩。试桩的单桩竖向抗压承载力特征值为17000kN，最大试验荷载为特征值的2倍，为34000kN。由于试验荷载较大，采用传统的堆载法成本较高，难度较大，且安全系数较低，因此推荐采用自平衡法对承载力进行检测。自平衡法荷载箱安装于上部荷载（荷载箱以上桩作者简介：郑少辉（1990），男，研究生，硕士，工程师，主要从事工程试验检测工作。岩土工程75第 1 期（总第 261 期）身自重及有效桩顶以上土层自重与桩侧摩阻力之和）与下部荷载（荷载箱以下桩侧
6、摩阻力与桩端阻力之和）平衡点的位置，为方便试验及平衡点的选取，该试验桩混凝土超灌至地面标高处，即试验桩长为61.2m。由于条件限制，现场缺少堆载条件，故该试桩按照无堆载自平衡法试验进行试算。经计算，可以得到该桩的平衡点在距离桩底1.5m处，拟将荷载箱安装至该处，荷载箱高度为0.55m，荷载箱底部距离桩底1.5m，荷载箱顶部距离桩顶59.15m。通过试验，验算该试桩的端阻力和侧摩阻力是否能完全发挥。2 测试系统自平衡法测试原理主要是将千斤顶放置在桩身的特定位置，向上顶桩身的同时，向下压桩底，使桩的向上的阻力和向下的阻力互为反力，分别得到荷载-位移曲线，叠加后得到桩顶荷载-位移曲线，从而推算出桩的
7、极限承载力。自平衡装置由荷载箱、高压油管、加载油泵、油压测量仪表组成的加载装置，位移传递装置、位移传感器、位移基准装置组成的位移测量系统，采集压力和位移数据并据此对加载进行控制的数据采集系统与控制系统3部分组成（如图1所示）。图1 自平衡装置3 试验结果分析3.1 试验结果自平衡试验过程按照规范 建筑基桩自平衡静载试验技术规程（JGJ/T 4032017）进行。根据现场自平衡试验结果，试桩的每级荷载增量为3400kN（向上荷载和向下荷载各为1700kN），在最大试验荷载34000kN（向上荷载和向下荷载各为17000kN）作用下，试验进展顺利，未出现异常。荷载箱上段位移量为15.92mm，上段
8、桩未破坏，试验过程中并未利用上部荷载提供的反力；下段位移量超过80mm，荷载-下位移曲线为缓变型；试桩未达位移相对稳定标准，荷载箱上、下段位移已超过荷载箱行程，按规范JGJ/T 4032017要求终止加载，并开始卸载。Q-s 曲线图与s-logt曲线图如图2与图3所示。图2 S1试桩自平衡法试验Q-s 曲线图3 S1试桩自平衡法试验s-logt曲线根据规范JGJ/T 4032017要求，荷载箱上段桩极限加载值Quu取终止加载时的前一级向上方向试验荷载值为15300kN；荷载箱下段桩极限加载值Qud取荷载箱下段位移量为60mm（0.05D=60mm，桩端直径D为1200mm）对应的荷载值与终止加
9、载时的前一级向下方向试验荷载值的小值为下段桩极限加载值，取14741kN；计算得出荷载箱上段桩自重W 为1004kN；试桩的抗摩阻力转换系数1可取值0.81.0（长桩及结性土取大值，短桩或砂土取小值），根据该工程地质资料岩土工程2023 年763.2 结果分析根据图2和图3可以看出，S1试桩在荷载作用下，上段桩的位移明显小于下段桩的位移。上段桩在极限荷载17000kN作用下位移量为15.92mm，扣除桩身弹性变形（Ql/2EA）12.89mm，理论实际位移量仅为3.03mm，桩身侧摩阻力尚未得到充分发挥。根据地勘数值计算，上段桩的侧摩阻力仅为10788kN 依据 建筑桩基技术规范（JGJ 94
10、2008），Qsk=u qsikli，比实际试验值低很多，产生这种差值的原因初步分析如下：（1）在当前地质条件下，该试验桩的侧摩阻力大部分由砂层提供，砂层的密实度随着深度的增加而增大，提供的摩阻力也会随之增加。而地质勘察报告内的极限侧摩阻力标准值为理论数值，偏保守，未根据实际的深度或地质情况进行调整，因此，实际的荷载值会比理论荷载值偏大。（2）自平衡法上段桩的受力特点为自下而上加载，与实际的桩受力情况相反，因此，桩侧摩阻力是由下部先开始发挥作用。由于下部土层更密实，提供的承载力更高，因此，要发挥相同的侧摩阻力情况下，自平衡法试验引起的位移值更小。下段基桩本位于桩底部分，中-微风化花岗岩可提供的
11、端阻力约为11304kN（依据JGJ 942008，Qpk=qpkAp），根 据 Q-s 曲线可以看出，荷载在11900kN之前，位移均比较稳定，呈线性变化，当荷载加到13600kN后，位移曲线斜率明显变大，但增长稳定，尚未出现陡降的现象，实际位移未达到规范要求的最大沉降量，可以继续加载。该变化规律符合岩基载荷试验的基本变化规律，桩端的承载力得到很好的发挥，但位移量偏大。分析认为该试验桩的底部强度偏低，或存在沉渣等现象，建议对底部进行后注浆加固。4 后注浆加固处理针对该工程特点，对试验桩S2采用后注浆加固，并参照试验桩S1布置荷载箱，进行自平衡法试验。最大试验荷载同样为34000kN，试验进展
12、顺利，未出现异常。荷载箱上段位移量为27.14mm，下段位移量为34.20mm。Q-s 曲线图与s-logt 曲线图如图4和图5所示。该试桩的抗摩阻力转换系数1取值与S1试桩取值一致，为0.91，计算得到该桩的极限承载力为34578kN，相比S1试桩极限承载力提高13.6%；总位移为61.34mm，相比S1试桩，总位移显著减少。对比图2与图4可知，采用后注浆加固处理，下段桩的沉降明显减少，承载力也得到显著的提高。后注浆法加固工艺在福州砂土地区的超长桩基中可以得到很好的推广。图4 S2试桩自平衡法试验Q-s 曲线图5 S2试桩自平衡法试验s-logt曲线5 结论（1）该工程基桩试验荷载为3400
13、0kN，承载力极限值较大，采用传统的堆载法成本较高，和桩型取1=0.91；综上计算得出单桩竖向抗压极限承 载力Qu为30451kN，具体结果见表2。（下转第80页）表2 S1试桩自平衡试验结果上段桩自 重W/kN上段桩的极限加载值Quu/kNQuu作用下的上位移/mm向上残余位移/mm下段桩的极限加载值Qud/kNQud作用下的下位移/mm向下残余位移/mm单桩竖向抗压极限承载力Qu/kN1004 15300 12.75 8.55 14741 60.00 67.33 30451岩土工程2023 年80（2）当基础顶施加的总荷载较大时，桩身轴力沿深度减小的速率也越大，最后曲线基本呈线性减小。这是
14、因为随着荷载的逐级增大，桩和土之间的相对位移也在慢慢变大，表现出桩侧摩阻力的增强，因此桩身轴力减小速率加大。（3）对于内圈桩，在桩身深度6m范围内，当施加的荷载较小时，轴力几乎没有变化，当荷载为28MN远超过18.5MN的极限承载力时，桩身轴力才开始变化。这是因为基础破坏之前时，由于基础承台的存在，限制了承台下一定范围内桩土之间的相对位移，内圈桩的摩阻力还没有发挥出来，而外圈桩离承台边缘很近，摩阻力发挥得较快，这也说明承台的存在可削弱桩侧摩阻力的发挥。（4）比较图4（a）和图4（b）可知，外圈桩的桩顶轴力大于内圈桩，桩端轴力几乎相等，并且桩身轴力的减小速率也快于内圈桩。这是由于内圈桩处于群桩基
15、础承台中心且桩数较少，外圈桩和桩周土体对内圈桩有种类似包裹牵制的作用，故内圈桩桩侧摩阻力难以发挥出来。（5）当施加在内圈桩和外圈桩的荷载达到一定值时（内圈桩42MN，外圈桩28MN），再增加荷载曲线也基本完全重合，这是因为群桩基础已经达到破坏状态，当外圈桩达到承载力极限时，内圈桩还没破坏，承台下的土体和桩侧摩阻力继续发挥，直到也达到极限状态。当桩顶荷载足够大时（如49MN），群桩基础处于完全破坏状态，承载力几乎不再增加。4 结论以江苏某沿海滩涂风电场低承台群桩基础工程为例进行了研究，采用ABAQUS有限元软件对实际工程中的低承台群桩基础进行了三维有限元模拟，可得到如下结论和建议：（1）竖向荷载
16、作用下外圈桩的桩身轴力随埋置深度的衰减速率快于内圈桩，同级荷载下外圈桩的桩顶轴力大于内圈桩，桩端轴力则差别很小。（2）荷载较小时，内圈桩桩身轴力在距桩顶一定深度内几乎没有变化，承台的存在削弱了桩侧摩阻力的发挥。（3）外圈桩先于内圈桩达到承载力极限状态，破坏首先发生在外圈桩上。当桩顶荷载足够大时，群桩基础完全破坏，承载力不再增加。综上所述，本文模拟的低承台群桩基础主要由外圈桩承载，在符合相关规范的条件下，建议加强外圈桩的强度和刚度，尽量使外圈桩靠近承台的边缘，以充分发挥桩间土的承载能力。在进行群桩基础的建设施工前，建议有关单位开展针对性的数值模拟来对比分析其承载性能，同时采取相应的措施防范可能产
17、生的风险。参考文献1 吴鸣,彭雅洁,颜爽.层状地基中大直径超长群桩的承载特性研究J.汕头大学学报（自然科学版）,2018,33（3）:62-71.2 陈培震,栾茂田,罗强.大直径超长群桩有效桩长问题的有限元参数分析J.中国科学院研究生院学报,2012,29（3）:307-311.3 许宏发,吴华杰,郭少平,等.桩土接触面单元参数分析J.探矿工程（岩土钻掘工程）,2002（5）:10-12.4 风电机组地基基础设计规定（试行）:FD 0032007S.北京:水利水电规划设计总院,2007.5 陈仁朋,任宇,陈云敏.基于沉降控制的竖向下压循环荷载作用下的桩基设计方法J.岩土工程学报,2015,37
18、（4）:622-628.难度较大，且安全系数较低，因此采用自平衡法对其单桩竖向抗压极限承载力进行检测。（2）采用自平衡法对砂土为主地质条件下的基桩进行检测，该桩的端阻力得到了很好的发挥，但是侧阻力还有很大一部分没发挥出来，砂土为主的地质条件应多考虑其侧阻力的发挥情况。这为同类地质条件下的桩基设计、施工和检测提供了宝贵经验及重要参考。（3）在砂土地质条件下，对基桩端部采用后注浆加固，承载力得到了显著的提高，取得良好的效果。后注浆法加固工艺在砂土地区的超长桩基中可以得到很好的推广。参考文献1 冷曦晨,佴磊,刘永平.自平衡法桩基承载力测试中一些问题的探讨J.地震工程与工程振动,2005,25（2）:160-164.2 徐长节,李碧青,蔡袁强.自平衡法试桩的承载特性试验研究J.浙江大学学报（工学版）,2012,46（7）:1262-1268.3 李彬,黎春燕.基桩自平衡法静载试验中桩身内力测试研究J.工程质量,2021,39（7）:42-26.（上接第 76 页）
