高荷载水平下超长桩承载性状试验研究

岩石力学与工程学报 V ol.24 No.13

2005年7月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering July ，2005

收稿日期：2004–03–26；修回日期：2004–05–17 基金项目：国家自然科学基金资助项目(50478080)

作者简介：辛公锋(1979–)，男，2000年毕业于山东大学交通工程专业，现为博士研究生，主要从事基础工程与桩基础方面的教学与研究工作。E-mail ：wouiuv@zju.edu.cn 。

高荷载水平下超长桩承载性状试验研究

辛公锋1

，张忠苗1

，夏唐代1，陈2

(1. 浙江大学 岩土工程研究所，浙江 杭州 310027；2. 杭州市民中心，浙江 杭州 310027)

摘要：通过对深厚软土地基中超长桩静荷载试验和桩身应力测试结果的分析，研究了高荷载水平下超长桩的荷载传递机理和承载性状。研究表明，超长桩在高荷载水平下表现为端承摩擦桩，桩侧摩阻力和桩端摩阻力的发挥是异步发挥且互相耦合。桩底沉渣会同时影响桩侧摩阻力和桩端摩阻力的发挥，在高荷载水平下，超长桩存在清渣干净的要求。在高荷载水平下，超长桩会产生桩侧土摩阻力软化，出现软化的桩土相对位移临界值与桩顶沉降有较好的相关性，表现为桩径D 的正比例函数，软土中当桩顶位移为(0.01～0.02)D 时，桩土将发生滑移而使桩侧摩阻力软化。同时，基于其承载机理对超长桩的设计应用作了进一步的探讨，得到的结论对超长桩的理论研究和工程设计具有重要的指导意义。

关键词：土力学；超长桩；高荷载；承载性状；试验研究；摩阻力软化

中图分类号：TU 473 文献标识码：A 文章编号：1000–6915(2005)13–2397–06

EXPERIMENTAL STUDY ON THE BEARING BEHA VIORS OF

OVERLENGTH PILES UNDER HEA VY LOAD

XIN Gong-feng 1

，ZHANG Zhong-miao 1，XIA Tang-dai 1，CHEN Zhang-lin 2

(1. Institute of Geotechnical Engineering ，Zhejiang University ，Hangzhou 310027，China ；

2. Hangzhou Townpeople ′s Center ，Hangzhou 310027，China )

Abstract ：Based on the static load test and stress measurement of overlength piles in deep soft soil foundation ，the load transfer mechanism and bearing behavior of overlength piles under heavy load have been studied. Under heavy load ，the overlength piles behave as end-bearing frictional piles ，and their frictional resistance and end resistance are asynchronous and coupling. The slime affects the exertion of frictional resistance and end resistance ，so it is necessary to clear up the slime of overlength piles ′ bottom under heavy load. At the same time ，the frictional resistance will be degraded. The critical value of pile-soil relative displacement has a good correlation with settlement of pile top ，and it is a function of pile diameter. When the settlement of overlength piles ′ top exceed (0.01-0.02)D in soft soil ，the soil around pile will slide. Some suggestions for design and appliance of overlength piles have been discussed farther on the bearing mechanism ；and guidances for theoretical research and technical design of overlength piles have been provided.

Key words ：soil mechanics ；overlength piles ；heavy load ；bearing mechanism ；experimental study ；frictional resistance degradation

1 引 言

近几年来，随着高、大建(构)筑物的大规模建

设，要求单桩高承载力的超长桩得到大量应用，目前已成为软土地区该类建(构)筑物的常用基础形式。虽然超长桩得到了越来越多的应用，但关于超长桩的理论还很不完善，在设计中很难做到既合理

• 2398 • 岩石力学与工程学报 2005年

又经济[1]。超长桩的受力性状以及如何最大限度地发挥其承载性能是众所关心的课题[2]，对这一课题开展研究，既是桩基理论自身发展的需要，也是工程界的迫切要求。

本文根据温州世贸中心静荷载试验来研究超长桩在高荷载水平下的承载性状。

2 工程概况

温州世贸中心位于温州市南路荷花路口。该工程主楼68层，裙楼8层，地下室4层，高322 m ，建成后将为浙江省第一高楼。总建筑面积229 450 m 2，采用筒中筒结构。场地上部为20多米的淤泥、淤泥质粘土，软土总厚达50多米，工程性状较差，属典型的深厚软土地基。地基土物理力学性质指标见表1。

表1 地基土物理力学性质指标

Table 1 Physico-mechanical parameters of soils

层号 岩土名称 层底埋 深/m 含水 量/% 重度

/(kN ・m －

3)I p I L

f k /kPa q sk /kPa q pk

/kPa

1

杂填土

1.33～

3.82 43.5 17.38 20.4 0.9323–1 淤泥

10.50～

11.40 70.1 15.67 23.9 1.74742103–2 淤泥

19.18～

21.21 .7 16.10 23.5 1.56152163–3 淤泥质粘土

20.85～

23.36 50.5 17.27 22.5 1.12170204–1 粘土

22.48～

24.36 32.9 19.06 20.5 0.501150455004–2 粘土

28.47～

30.90

40.9 18.20 22.1 0.734100354005–1

粉质粘土夹 粘土

31.01～

33.55 29.9 19.33 16.2 0.519160475505–2 粘土

34.26～

38.85

37.0 18.55 20.9 0.8130404506–1

粘土夹粉质 粘土

38.96～

45.60 29.6 19.49 18.1 0.431180558006–2 粘土

41.97～

46.43

36.8 18.40 20.1 0.8130404507–1

粘土夹粉质

粘土

47.46 30.7 19.12 17.6 0.520180558008 粉质粘土混 礁石

42.92～

52.30 170

50

700

9–1–1全风化基岩

58.68～

69.52 19055 1 2009–1–2全风化基岩

75.46～

105.76 25070 2 500

9–2 强风化基岩

84.48～

114.50 40090 5 0009–3

中风化基岩 未打穿

2 50050010 000

基础设计采用钻孔灌注桩，桩长80～120 m ，桩径φ 1 100 mm ，桩身采用C40混凝土，持力层分别为中风化和强风化基岩，入持力层深度分别为大于等于0.5和9 m ，单桩竖向承载力设计值为13 000

kN ，最大试验荷载25 200 kN 。试验在3根试桩中进行，试桩参数见表2。同时，在桩中埋设钢弦式钢筋应力计，以研究不同荷载水平下超长桩的承载性能。

表2 试桩参数表

Table 2 Parameters of tested piles

试桩

号

桩长L /m

桩径D /mm 长径比L /D 入持力层深度 /m 桩顶沉降s tu /mm 桩端沉降

s bu /mm S 1 119.85 1 100108.95中风化基岩47.92 6. S 2 92.54 1 10084.13中风化基岩96.82 55.81 S 3 88.17

1 100

80.15

中风化基岩

49.52 8.29

3 静荷载试验

静荷载试验采用堆载—反力架装置，慢速维持荷载法加载。按照文[3]规定布置基准梁系统，使用5台6 300 kN 千斤顶并联加载，采用徐州建筑工程研究所的JCQ 静荷载自动测试仪。在每级加载时，同时观测桩顶沉降、桩端沉降和各断面应力。

作者通过方案设计，成功实现了堆载28 000 kN ，试验荷载25 200 kN ，这在浙江省尚属首次。静荷载试验布置图如图1所示。

图1 温州世贸中心静荷载试验布置图

Fig .1 Static load test of Wenzhou World Trade Center

对超大吨位的堆载式静荷载试验，方案设计时

要充分考虑到以下

4点：

(1) 满足地基土承载强度的要求，构造一个稳定的承压区，避免因地基土失稳而导致配重滑落； (2) 尽量扩大承压区底面积，降低地基土的附

加应力，避免引起过大的桩基负摩擦力；

(3) 注意上部主、次梁上的荷载合理分配，保证通过主梁作用于千斤顶的荷载处于中心位置，以

第24卷 第13期 辛公锋等. 高荷载水平下超长桩承载性状试验研究 • 2399 •

使各梁共同作用，同时应对梁的强度进行验算；

(4) 尽量降低上部配重的重心，并验算其稳定性。

4 超长桩承载性状分析

4.1 Q - s 曲线分析

将3根试桩试验数据整理成Q - s 曲线如图2～4所示。桩顶和桩端沉降如表2所示。

图2 试桩S 1静载荷试验曲线 Fig .2 Static load test curves of test pile S 1

图3 试桩S 2静载荷试验曲线 Fig .3 Static load test curves of test pile S 2

图4 试桩S 3静载荷试验曲线 Fig .4 Static load test curves of test pile S 3

从图2和4中可以看出，试桩S 1，S 3的Q - s 曲线为缓变型，不存在明显的拐点，而且随着沉渣的压实，曲线有进一步变缓的趋势，2根试桩没有达到极限荷载。加载到25 200 kN 时，桩端沉降为6～9 mm ，说明持力层性状较好，清渣干净。桩顶沉降主要由桩身压缩产生，此时应按控制桩顶变形的原则来确定承载力，因为虽未出现拐点，但在高荷载水平下，桩顶由于桩身压缩已经有较大沉降。在加载到25 200 kN 时，试桩S 1，S 3桩顶沉降分别为47.92和49.52 mm ，达到了文[3]的要求。

从图3中可以看出，试桩S 2加载到第6级荷载16 800 kN 时，桩顶沉降由15.27 mm 增加到44.32 mm ，对比桩端沉降曲线可以看出，桩端沉降也相应的由0.55 mm 增加到21.04 mm ，可见试桩S 2存在较厚的桩端沉渣，发生刺入破坏。随着荷载水平的提高，桩顶和桩端沉降也增加明显。在最后加载到24 000 kN 时，桩顶和桩端沉降分别达到96.82和55.81 mm 。因此，在高水平荷载下，对超长桩也存在清渣干净的要求，且当桩端存在较厚沉渣时，易发生刺入破坏。

4.2 Q -

s s (桩身压缩量)曲线分析

图5为3根试桩的桩身压缩量曲线。从图5中

可以看出，在低荷载水平下，3根试桩压缩量曲线重合性较好，桩身压缩呈线性，表现为混凝土的弹性压缩。随着荷载的增加，压缩曲线不再呈直线形，表现出较大的塑性变形。卸荷后，试桩S 1，S 2，S 3的塑性压缩量分别为20.60，26.15和27.83 mm 。

图5 桩身压缩量曲线 Fig .5 Curves of pile compression

表3为桩身压缩量表。从表3可以看出，试桩S 1，S 3由于桩端沉渣较小，使得桩身压缩量占桩顶沉降百分比较大，均超过80%。试桩S 2由于桩端有较厚沉渣，使得桩身压缩量占桩顶沉降百分比降低。因此，超长桩不能以刚性桩定义，在沉降计算中除

Q /kN

s /m m

Q /kN

s /m m

Q /kN

s /m m

Q

/kN s s /m m

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表3 桩身压缩量表

Table 3 Compression values of pile shaft

试桩 号 桩长 /m 桩顶 沉降

s tu

/mm

桩身 压缩量 s s /mm 弹性压 缩量 s e /mm (s e /s s ) /% 塑性压

缩量 S p /mm

(s p /s s ) /%

最大荷载下

桩身压缩量

占桩顶沉降

百分比/%

S 1 119.90 47.92 41.03 20.43 49.79 20.6 50.21 85.62 S 2 92.54 96.82 41.01 14.86 36.24 26.15 63.76 42.36 S 3 88.17 49.52 41.23 13.40 32.50 27.83 67.50 83.26

要计算桩端力及桩侧摩阻力传递到桩端引起的桩端沉降外，还要充分考虑到桩身压缩变形量引起的沉降。

清渣干净时，桩顶沉降主要由桩身压缩变形产生，这导致了桩上部位移相对较大，使得上部土层的极限桩侧摩阻力先于下层发挥，沿桩身位置不同，其发挥度不同。这也是超长桩承载力长度效应的一个表现。

4.3 Q - (Q b / Q )曲线分析

图6为3根试桩在不同荷载水平作用下桩端摩阻力比Q b / Q 曲线。

图6 桩端摩阻力比Q b / Q 曲线 Fig .6 Q b / Q curves of test piles

由图6可以看出，对超长桩，在低荷载水平下，表现为摩擦桩性状，3根试桩在加载到设计值14 400 kN 时，试桩S 1，S 2和S 3的桩端荷载Q b 占桩顶荷载Q 的比例(即桩端摩阻力比)分别为2%，13%和14%，可见此时主要是由桩侧摩阻力提供其承载力。随着荷载水平提高，桩端摩阻力开始发挥作用，其所占承载力的比例逐渐提高，表现为端承摩擦桩性状。在最后荷载条件下，试桩S 1，S 2和S 3的桩端摩阻力比分别为15%，25%和32%。

4.4 桩侧摩阻力发挥性状及桩端沉渣对其影响

桩侧摩阻力的发挥与上部荷载水平、土层性质、

桩土相对位移以及桩的几何参数(长度、直径和刚度)等密切相关[4]。随着荷载的增加，桩侧摩阻力逐步发挥出来，且上部土层的摩阻力先于下部发挥作用，其发挥是一个异步的过程。

图7为试桩S 2与S 3桩侧摩阻力沿桩身分布图。从图7可以看出，对桩长及地质条件相近的试桩S 2和S 3，在相同的桩顶荷载下，沉渣较小时的试桩S 3的中上部土层桩侧摩阻力比沉渣较大的试桩S 2大。试桩S 2其下部土层摩阻力较沉渣小的试桩S 3桩侧摩阻力小，但随着沉渣被压实，下部土层的摩阻力得到发挥，其后期增长速度较大。

(a) 试桩S 2

(b) 试桩S 3

图7 试桩S 2和S 3桩侧摩阻力沿桩身分布图 Fig .7 Curves of lateral friction resistance of test piles S 2

and S 3

可见沉渣的存在，不但会降低桩端摩阻力，而且会降低桩侧摩阻力。分析原因，当桩底沉渣较厚时，桩整体位移量较大，故桩土相对位移速率较大，

桩侧摩阻力/kPa

深度/m

桩侧摩阻力/kPa

深度/m Q /kN (Q b / Q )/%

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此时桩土界面产生剪切滑移，桩土界面摩擦角降低，桩侧摩阻力也相应降低。相对位移速率越大，桩侧摩阻力损失越大。桩侧摩阻力与桩端摩阻力的发挥是一个耦合的过程。

4.5 桩侧摩阻力与桩土相对位移曲线分析

试桩S 1桩侧摩阻力与桩土相对位移曲线如图8所示。

图8 试桩S 1桩侧摩阻力与桩土相对位移曲线 Fig .8 Curves of average lateral friction resistance vs. pile-soil

relative displacement of test pile S 1

从图8可以看出，随着上部荷载的增加，桩侧摩阻力逐步得到发挥。当上部土层在达到极限桩侧摩阻力时，随着荷载的增加，其值反而会有所降低。分析其原因是在达到极限摩阻力后上部土体结构产生了滑移破坏，降低了桩侧摩阻力值。随着荷载的进一步增加，发生滑移的区域逐渐向下发展。当下部土层发挥极限桩侧摩阻力时，上面的土层由于桩侧摩阻力软化而使极限承载力有所降低，使得(超)长桩的承载力具有长度效应[5

，6]

。

通过对温州地区部分静荷载试验结果的总结可以看出，发生滑移的临界值与桩顶沉降有较好的相关性，表现为桩径的正比例函数关系。在软土地基中，当桩顶位移为(0.01～0.02)D 时，桩土将发生滑移。

5 超长桩设计的讨论

(1) 超长桩极限承载力的确定

目前，实际过程中对超长桩极限承载力的确定，一是根据室内试验参数或者规范推荐值结合本地经验计算；二是通过静荷载试验结合上述设计值确定。由于在取样和运输过程中的扰动，室内试验结果往

往与天然土样存在一定的差异，使得承载力存在较大误差。在实际工程中，考虑到经济因素，试桩一般都采用工程桩，试验仅做到设计荷载的2倍即停止。此时，静荷载试验变成了对设计结果和施工工艺的验证，而不是用来确定极限承载力。笔者在所做的大量超长桩的静荷载试验中发现，仅做到设计值2倍，大量试桩沉降较小，有的仅有20～30 mm ，远小于规范的允许变形量。这在很大程度上造成了桩基承载力的浪费。

对大直径超长桩，其承载力有3个控制标准：① 桩顶沉降变形；② 地基土强度；③ 桩自身强度。对清渣干净的超长桩，其Q - s 曲线表现为缓变型，此时可以以桩顶沉降变形来控制其承载力，但同时要进行桩身强度验算。

在桩身强度满足要求的前提下，建议可通过变形控制的原则由静荷载试验来确定超长桩的极限承载力。

(2) 桩端沉渣对承载力的影响

从前面分析可以看到，在高荷载水平下仍有较大桩端摩阻力发挥，对超长桩也有清渣干净的要求，同时桩端沉渣的存在，不但降低了桩端摩阻力，而且降低了桩侧摩阻力。因此，应该适当提高桩端沉渣控制标准，建议尽量将沉渣厚度控制在50 mm 以下，而不是文[3]规定的100 mm(端承摩擦桩)和300 mm(摩擦桩)，这将利于大直径超长桩承载性能的发挥。

由于钻孔灌注桩在成孔成桩过程中无法避免对持力层扰动，而且孔底沉渣难以清除，使得持力层应力状态发生变化，影响了桩端摩阻力的发挥，进而影响到桩侧摩阻力的发挥，使超长桩承载力降低。因此，对持力层合适的土层，除采用反循环清孔外，还可以采用桩端(侧)后注浆技术[7]。

(3) 桩侧摩阻力的软化

天然软土一般具有结构性，而这种具有结构性的软粘土在应力–应变关系上有明显的峰值[8]，即表现为软化型。在试验中可以看到，软土中桩侧摩阻力在达到极限值后，往往发生滑移而维持一个残余强度。

大直径超长桩具有较高的承载力，要达到其极限承载力，桩顶要产生较大的沉降变形，从而使上部土层发生较大的桩土相对位移，桩土产生滑移，桩侧摩阻力软化。而现有的极限承载力确定方法都

桩土相对位移/mm

桩侧摩阻力/k P a

没有考虑到这一特性。今后有必要进一步开展这方面的研究。

6 结论

(1) 超长桩在低荷载水平下，表现为摩擦桩性状，在高荷载水平下，表现为端承摩擦桩性状。在清渣干净的前提下，超长桩Q - s曲线表现为缓变型，此时可以按控制沉降变形的原则进行静荷载试验以确定其极限承载力，关键是要保证桩身强度满足要求。

(2) 桩底沉渣对超长桩单桩承载力影响较大。当桩底沉渣厚度较大时，桩的破坏形式以刺人破坏为主。沉渣的存在同时会降低桩侧摩阻力和桩端摩阻力，因此对超长桩也存在清渣干净的要求。对持力层条件合适的，可采用桩底(侧)后注浆。

(3) 超长桩在低荷载水平下，桩身压缩主要为弹性压缩；而在高荷载水平下，则表现为较大的塑性变形。清渣干净时，桩顶沉降主要由桩身压缩产生，这导致了上、下部土层极限侧摩阻力的异步发挥。单桩沉降计算时，还要充分考虑桩身压缩引起的沉降。

(4) 超长桩在高荷载水平下会产生较大的桩土相对位移，出现桩侧摩阻力软化，承载力具有长度效应。出现软化的临界值与桩顶沉降有较好的相关性，表现为桩径的正比例函数关系。在软土地基中，当桩顶位移为(0.01～0.02)D时，桩土将发生滑移而使桩侧摩阻力软化。

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