河南发展大厦试桩的现场试验研究

3．3．1　工程概况

河南发展大厦由主楼、附楼、群楼等组成。主楼27层高100m，框架剪力墙结构；附楼15层高64m，框架剪力墙结构；群楼3层，框架结构。建筑物采用桩筏基础。

建筑场地土层情况如下：

①层：杂填土，层厚0．5～1．5m，平均厚度0．9m。②层：粉土，褐黄色，稍湿，稍密，平均厚度1．8m。③层：粉土，褐黄色，饱和，稍密，平均厚度3．1m。④层：粉质黏土，灰色，湿，软塑，平均厚度6．6m。⑤层：粉质黏土，灰色—深灰色，湿，软塑，平均厚度5．1m。⑥层：粉砂，灰色，饱和，中密—密实，平均厚度1．7m。⑦层：中砂，灰色，饱和，密实，平均厚度10．0m。⑧层：粉土，灰黄色，湿，密实，平均厚度7．2m。⑨层：细砂，褐黄色，湿，密实，平均厚度6．1m。⑩层：粉质黏土，褐黄色，湿，硬塑，平均厚度7．9m。层：粉质黏土，黄褐—褐红色，湿，硬塑，平均厚度7．8m。层：粉质黏土，棕红色，湿，硬塑，平均厚度6．4m。层：粉土，褐黄色，湿，密实，平均厚度7．6m。

试桩持力层选在⑩层粉质黏土层，桩长40m，桩径800mm，进行桩端、桩侧注浆，桩侧注浆部位选在⑦层中砂层。本工程对8根试桩进行了静载荷试验，并在桩S1～S6的桩身埋设钢筋应力计。试桩有关参数见表3－23。

表3－23　试桩有关参数

注：Y1、Y2为具有相同地质条件的邻近场地2根试桩。

3．3．2　静载荷试验结果

本次试验采用锚桩横梁反力装置，为“六锚一”方式，加载方式为慢速维持荷载法。试验得到的荷载－沉降关系曲线见图3－38，试验成果汇总见表3－24。

由图3－38及表3－24可知，注浆后桩的荷载－沉降关系曲线皆为缓变型，且未加载至极限值，桩顶变形以弹性变形为主，弹性变形所占比例为71．34%～82．83%；未注浆桩M1、M2的荷载－沉降关系曲线为陡变型，桩顶变形以塑性变形为主。

图3－38　荷载－沉降关系曲线

表3－24　试验成果

在S3、S5桩身6个断面埋设钢筋计，S1、S2、S4、S6在桩顶下2m及桩端埋设钢筋计。图3－39为S3轴力分布图，图3－40为S5轴力分布图，图3－41为桩顶荷载－桩端阻力曲线。

图3－39　S3轴力分布图

图3－40　S5轴力分布图

图3－41　桩顶荷载－桩端阻力曲线

3．3．3　注浆后桩的承载性能研究

3．3．3．1　桩的荷载－沉降关系分布规律及极限承载力

由静载荷试验结果，注浆后桩的荷载－沉降关系曲线皆为缓变型，未加载至极限值，不便于对桩的承载特性进行比较。通过对荷载－沉降关系曲线的分布特点进行分析，得出以下规律：

（1）注浆后桩的桩顶荷载－沉降关系曲线符合幂函数分布特点，其表达式为：P＝c·Sa，c＝eb，式中a和b为系数，分别为图3－42中lnP－lnS关系曲线表达式的第一项和第二项。由图3－43，采用幂函数来表示S1～S6各桩的荷载－沉降关系曲线，其R2（R为相关系数）为0．9905～0．9998，相关性非常好。

图3－42　S1～S6各桩的lnP－lnS关系曲线

图3－43　M1、M2桩的S－S／P关系曲线

（2）未注浆桩的桩顶荷载－沉降关系曲线符合双曲函数分布特点，其表达式为：P＝，式中k1和k2为系数，分别为图3－43中S－S／P关系曲线表达式的第一项和第二项。采用双曲函数来表示M1、M2桩的荷载－沉降关系曲线，其R2分别为0．9997和0．9998。根据各桩的桩顶荷载－沉降关系函数，取S＝3%D（D为桩径），及S＝24mm相对应的荷载作为桩的极限承载力对比值。各桩外推的极限承载力见表3－25。

表3－25　极限承载力外推值

3．3．3．2　注浆后桩的承载特性分析

注浆后桩的承载特性主要表现为：

（1）由桩的荷载－沉降关系及桩身应力测试资料，可得到桩端阻力及桩侧阻力占总荷载比例随桩顶荷载的变化情况，见图3－44。桩端阻力占总荷载比例为6．4%～18．4%，桩侧阻力占总荷载比例为81．6%～93．6%。桩端阻力所占比例明显提高（未注浆桩约6%）。

图3－44　桩端阻力及桩侧阻力占总荷载比例与桩顶荷载的关系

（2）注浆后桩身摩阻力在较小的相对位移（4～6mm）下即基本发挥出来，见图3－45，并随着桩顶荷载的增加，荷载增量逐渐向桩端转移，使桩端阻力所占比例快速增长。

图3－45　S3的摩阻力－相对位移关系曲线

（3）未注浆桩的荷载－沉降关系符合双曲线函数，而注浆后桩的荷载－沉降关系符合幂函数，说明桩侧、桩端注浆后改变了桩的荷载传递特性。桩端注浆增大了桩端承载面积，并对桩端以上一定范围的桩侧土进行了加固；桩侧注浆在注浆部位（中砂）形成扩大头，并提高了较大范围内桩侧土的摩阻力。由于承载面积、桩土作用方式、桩端和桩侧土刚度的改变，使桩的荷载－沉降关系发生改变。

3．3．3．3　注浆效果及注浆影响因素的灰色关联分析

1）注浆效果

取未注浆桩极限承载力的平均值7770kN进行比较，注浆后各桩的提高幅度见表3－26。其中Y1、Y2为具有相同地质条件邻近场地的2根试桩，Y1、Y2只进行桩端注浆。

表3－26　桩承载力的提高幅度及有关参数

由表3－26数据可看出：①无论桩侧桩端注浆还是桩端注浆，对桩承载力的提高效果非常显著；②相同注浆量情况下，桩侧桩端注浆效果好于桩端注浆；③注浆量对极限承载力的影响很明显。对桩端注浆桩，注浆量相差0．8t，提高幅度相差41．7%；对桩侧桩端注浆桩，注浆量在3～4t之间时，随注浆量增加，提高幅度增大，但超过4t后，不增反降。S1、S2、S3之间的区别可看作是由工艺因素造成的，因此注浆存在一个合理注浆量，超过该值以后，无助于承载力的提高。

2）注浆影响因素的灰色关联分析

总注浆量W由桩端注浆量Wb和桩侧注浆量Ws组成，W、Wb、Ws与承载力提高幅度的关联关系是未知的，是一个灰色系统，可采用灰色关联分析来评价其影响程度。

分析步骤：

（1）原始数据初始化：设有系列X0＝｛X0（1），X0（2），X0（3），…，X0（n）｝；令Y为X的初始化系列，则：

原始数据初始化结果见表3－27。

（2）灰色关联系数的计算：

表3－27　原始数据初始化结果

式中：Δ0i（k）为差异信息，Δ0i（k）＝；ζ为分辨系数，ζ∈（0，1），一般取0．5。

差异信息数据见表3－28，灰色关联系数的计算结果见表3－29。

表3－28　差异信息数据

表3－29　灰色关联系数

（3）灰色关联度计算：灰色关联度为：

由表3－29及上式可得：

γ（X0，X1）＝0．7558，γ（X0，X2）＝0．7482，γ（X0，X3）＝0．5848

由计算结果可知，γ（X0，X1）＞γ（X0，X2）＞γ（X0，X3），总注浆量的影响最大，桩端注浆量的影响略小，桩侧注浆量的影响最小。说明：①无论哪种注浆工艺，起主要作用的是注浆量总量；②桩端注浆对承载力的影响大于桩侧注浆。