软土地区桩基静载试验支墩地基处理方式实例研究

常永浩，许宇星，丁洪亮，何楚煌，赵仕源

（广州建设工程质量安全检测中心有限公司 广州510440）

0 引言

单桩竖向抗压静载试验是目前公认的检测基桩竖向抗压承载性能最直观、最可靠的传统方法［1-2］。静载的加载反力装置常见有4种：锚桩横梁反力装置、压重平台反力装置、锚桩压重联合反力装置和地锚反力装置。目前，静载抗压试验最常用反力装置是压重平台反力装置，但是超大吨位静载试验难点在于支墩地基处理方式［3-6］。尤其在超厚层软土地区，如果支墩地基处理不当，易造成平台的下沉、倾斜和压台。软土地基处理通常采用换填、夯实或支墩底部打入桩方式提高支墩地基承载力［7］。

本文通过工程实例，对2 种支墩处理方式的相关技术进行分析和研究，并且结合桩身轴力对桩承载力特性进行浅析，为软土地区的超大吨位静载检测试验提供参考。

1 工程概况

本试验位于广州南沙某工程场地内，根据试桩技术要求，灌注桩成孔工艺为旋挖成孔。试桩桩径为800 mm 或1 000 mm，桩长为35.72～46.84 m，桩身混凝土为C40，桩端持力层为中风化泥岩或微风化泥岩或中风化泥质粉砂岩或微风化泥质粉砂岩。本次试桩共6 根，800 mm 及1 000 mm 桩径的试桩各3 根，800 mm桩径试桩最大试验荷载为12 480 kN，1 000 mm 桩径试桩最大试验荷载为25 080 kN。其中，“换填压实”处理支墩地基的试桩包括3 根800 mm 桩径的试桩和1 根1 000 mm 桩径的试桩，剩余2 根桩处理支墩地基方式为“桩+桩帽”。本文选取1 000 mm 桩径的2根试桩，不同方式处理支墩地基的试桩各1根进行讨论，分别为试桩T1#（“换填压实”）和试桩T2#（“桩+桩帽”）。

拟建区土层情况自上而下分别为：①1、①2杂填土∕素填土，层厚0.4～9.5 m；②1淤泥∕淤泥质土，层厚2.1～23.0 m；②2淤泥质粉砂，层厚1.0～12.2 m；③1粉质黏土，层厚0.5～9.2 m；③2粉砂，层厚1.4～2.9 m；③3中砂，层厚1.8～21.2 m；④粉质黏土，层厚1.0～8.0 m；⑤21、⑤22强风化泥质粉砂岩，层厚0.4～17.6 m；⑤3中风化泥岩∕泥质粉砂岩，层厚1.2～9.0 m；⑤4中风化泥岩∕泥质粉砂岩，层厚6.4～15.2 m。

2 地基处理

试桩T1#和试桩T2#分别采用“换填压实”和“桩+桩帽”处理支墩地基，以下讨论支墩地基处理方式，并验算处理后地基的承载力是否合格。

2.1 换填压实地基处理

试桩T1#采用“换填压实”处理支墩地基，换填深度为3 m，将桩周围16 m×19 m 范围的淤泥或软弱地层，换以碎石、砖渣和角砾等材料并经过分层压实，试验装置示意图如图1⒜所示。

⑴垫层承载力验算。根据《建筑地基基础检测规范：广东省标准DBJ∕T 15-60—2019》［8］表5.4.5-5 可知，稍密碎石承载力特征值为200～400 kPa，结合实际情况，本文取200 kPa。T1#试桩最大试验荷载为25 080 kN，根据文献［8］第14.2.1规定，加载反力装置提供的反力不得低于最大加载量的1.2 倍，压重平台支墩施加于地基土上的压应力不宜大于地基土承载力特征值的1.5 倍，支墩采用6 m×12 m 的钢筋混凝土板支墩，分置两侧，作用于垫层的平均压应力Pk=25 080×1.2∕（6×12×2）=209 kPa，209<200×1.5，垫层承载力满足文献［8］要求。

⑵下卧层素填土承载力验算。根据《建筑地基基础设计规范：广东省标准DBJ 15-31—2016》［9］第5.2.7 条进行验算，碎石垫层厚度取z1=3 m，天然重度取γs1=20.0 kN∕m3，变形模量E01=18 MPa［10］，压缩模量Es1≥E01，取Es1=18 MPa；素填土厚度z2=2.94 m，天然重度取γt=18.0 kN∕m3，压缩模量Es2=3.43，承载力特征值fak1=70 kPa。 支墩宽b1=6 m，长l1=12 m，Es1∕Es2=5.2≈5，z1∕b1=0.5，θ取25°。则传递到垫层底面处的附加压力值Pz1=b1l1（Pk-Pc）∕［（b+2z1tanθ）（l+2z1tanθ）］=116 kPa，基底压力Pc=0 kPa，碎石的自重压力Pcz1=γs1×z1=60 kPa，Pz1+Pcz1=176 kPa。素填土的承载力修正值fa1=fak1+ηbγ1（b-3）+ηdγm1（d-0.5）=120 kPa，Pz1+Pcz1<1.5fa1，满足文献［8］要求。

⑶淤泥承载力验算。淤泥厚度为5.7 m，天然重度取γn=16.5 kN∕m3，压缩模量为Es3=2.41，承载力特征值fak1=50 kPa。Es2∕Es3=1.42 m，θ 取0°。则传递到素填土底面处的附加压力值Pz2=Pz1=116 kPa，碎石和素填土的自重压力Pcz2=γs1×z1+γt×z2=113 kPa，Pz2+Pcz2=229 kPa。淤泥的承载力修正值fa2=fak2+ηbγ2（b-3）+η γm2（d-0.5）=154 kPa，Pz2+Pcz2<1.5fa2，满足文献［8］要求。

2.2 桩基处理

试桩T2#采用“桩+桩帽”处理支墩地基，试验装置示意图如图1⒝所示，平台通过两侧垫梁传递到船阀，船阀作用在锚桩桩帽传递到锚桩。共施工6根800 mm灌注桩，入中风化岩3 m，每根桩静载承载力特征值要求不小于25 080×1.2∕6∕1.5=3 314 kN。

图1 试桩静载装置示意图Fig.1 Schematic Diagram of Test Pile Static Load Device（mm）

以试桩T2#附近钻孔柱状图厚度为依据，验算锚桩承载力。锚桩土层自上而下分别为：①2素填土，层厚4.3 m，侧摩阻力特征值8 kPa；②1淤泥，层厚4.7 m，侧摩阻力特征值7 kPa；②2淤泥质粉砂，层厚5.1 m，侧摩阻力特征值10 kPa；③3中砂，层厚10.7 m，侧摩阻力特征值18 kPa；⑤21强风化泥质粉砂岩，层厚4.0 m，侧摩阻力特征值35 kPa；⑤22强风化泥质粉砂岩，层厚2.1 m，侧摩阻力特征值80 kPa；⑤3中风化泥岩∕泥质粉砂岩，层厚9.6 m。

根据文献［9］第10.2.4条可知，桩端进入中风化嵌岩桩，单桩竖向承载力特征值为Ra=Rsa+Rra+RPa=4 648 kN>3 314 kN，满足锚桩承载力要求［8］。其中，Rsa=u ∑qsiali=1 554 kN，Rra=upC2frshr=1 688 kN，Rpa=C1frpAp=1 406 kN。岩石天然抗压强度勘察报告建议值为7.0 MPa，C1取0.400，C2取0.032。

3 试验结果与分析

本次静载试验检测了常规桩顶沉降，同时进行了桩身应力测试和沉降测试。轴向应力测试采用弦式钢筋应力计，桩身压缩量测试采取单点位移计，数据采集采用频率接收仪。钢筋应力计和单点位移计纵向主要布置在各岩土层分界面处，具体布置测试断面数量依据设计要求，每个测试断面布置标高依据勘察资料和设计要求确定。依据设计要求每个桩身测试断面对称布置4个钢筋应力计和1个单点位移计，测试断面均有8个，从上往下依次为断面1至断面8，断面8距离桩端0.2 m。

3.1 沉降量和Q-s曲线分析

Q-s曲线能够从宏观反映出荷载传递性状、桩土相互作用以及桩受荷载破坏模式［11-13］。所以，有必要对Q-s曲线进行分析。静载试验结果如表1 所示，根据试验结果绘制Q-s曲线，如图2所示。

图2 试桩Q-s曲线Fig.2 Test Pile Q-s Curve

从表1、图2 中可以看出，试桩T1#和试桩T2#嵌岩桩的Q-s曲线均为缓变型，随着荷载的增加沉降率增加，幅度较大。试桩沉降量较大，说明基岩提供了较大的承载力。1 000 mm 桩径的试桩，对应桩顶累计最大沉降量为50 mm，因此，试桩T1#和试桩T2#桩顶沉降量均超出文献［8］规定。沉降量50 mm 前一级荷载值为未考虑桩身弹性压缩量单桩竖向抗压极限承载力，分别为21 945 kN、16 720 kN。

由表1可知，最大加载量时试桩T1#桩顶累计沉降量为68.68 mm，截面8 累计沉降量为44.00 mm，即截面8 标高至桩顶标高长度发桩身压缩量为24.68 mm；卸载至0 kN荷载时截面8标高至桩顶标高长度的桩身剩余压缩量为0.64 mm，桩身弹性压缩量为24.04 mm。最大加载量时试桩T2#桩顶累计沉降量为96.39 mm，截面8 累计沉降量为77.20 mm，截面8 标高至桩顶标高长度桩身压缩量为19.19 mm；卸载至0 kN 荷载时截面8标高至桩顶标高长度桩身剩余压缩量为0 mm，桩身弹性压缩量为19.19 m。

表1 静载试验结果Tab.1 Static Load Test Result

桩身压缩量较大，宜考虑桩身弹性压缩量。考虑桩身弹性压缩量时，试桩T1#和试桩T2#的单桩竖向抗压极限承载力分别为25 080 kN、20 900 kN。试桩T1#和试桩T2#桩身弹性压缩量分别为24.04 mm、19.19 mm，表明2根试桩弹性工作比较明显，具有一定的压缩性，占桩顶最大沉降量的40%左右。

3.2 桩身轴力测试结果与分析

试桩T1#和试桩T2#的支墩地基处理方式分别为“换填压实”和“桩+桩帽”，试桩T1#和试桩T2#的桩身轴力分布如图3 所示。由图3⒝可知，当基桩顶部的荷载不发生变化时，桩身轴力自桩顶向下随着深度的增加而逐渐变少，桩端处的轴力与桩端阻力大小相等，这是桩身轴力分布的典型规律［14-16］。但是，试桩T1#的支墩地基虽然按文献［8］要求进行换填处理，但是静载台以下土层与桩身产生较大的相对位移，桩周土位移大于桩身位移，产生负摩阻力，引起下拽力，对桩身内力产生一定影响，导致桩身轴力异于正常分布。

图3 试桩桩身轴力分布Fig.3 Test Pile Axial Force Distribution

试桩T1#的桩身轴力先增大后减小，在桩身轴力最大点位置所对应断面即为中性点位置，该深度位于标高-17.1 m 处，该截面在淤泥质粉砂与中砂层的分界线附近。在该截面以上轴力随深度增大递增；截面以下轴力随深度增大递减。说明该区域淤泥、淤泥质粉砂和部分填土处于欠固结状态。负摩阻力导致桩身轴力增加，将桩身最大轴力与最大试验荷载之比为轴荷比，表征负摩阻力导致实际试验荷载增大程度。试桩T1#轴荷比113.7%，也就是说，负摩阻力导致桩身增加竖向荷载超过最大试验荷载的13.7%。对静载试验造成很严重的影响，可能桩身增加竖向荷载导致桩基承载力检测不合格。而试桩T2#处理支墩方式是“桩+桩帽”，有效地避免了负摩阻力的产生。T2#试桩桩身轴力分布为典型的桩身轴力分布图，轴力随着深度增大递减，对桩基无任何明显的影响。

4 结论

本文对广州南沙某工程静载试验的支墩地基处理方式进行技术分析，并对桩顶沉降、桩身压缩量和桩身轴力进行测试，从Q-s曲线、桩身位移和桩身轴力对试验结果进行分析，得出以下结论：

⑴灌注桩的桩身弹性压缩量较大，占桩顶最大沉降量40%左右，桩顶沉降量宜考虑弹性压缩量。

⑵软土地区超大吨位静载试验，采用“换填压实”方式处理压重平台支墩，承载力满足规范后，还应保证支墩的变形不易过大。桩土沉降大于桩沉降，导致桩侧出现负摩阻力，桩身轴力增加幅度较大，严重时影响静载合格的结果。“换填压实”处理支墩地基不适用此类超厚层软土地区超大吨位桩基静载试验。

⑶超厚层软土地区，采用“桩+桩帽”方式处理支墩地基，压重平台通过锚桩桩帽传递到锚桩，对桩影响很小，有效的避免了负摩阻力的产生。“桩+桩帽”处理支墩地基非常适用于超厚层软土地区超大吨位桩基静载试验。