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摘 要：随着超高层建筑和大跨度桥梁的建设，超长桩的应用越来越广泛，超长桩的受力性状与中长桩有所区别，分析和认识超长桩的工作性状有充分的现实意义。
关键词：超长桩；灌注桩；竖向静载荷试验；单桩承载力
1．引言
超高层建筑和大跨度桥梁的建设，使得基底荷载越来越大，超长桩的应用越来越广泛（有的桩长达100米以上），对基桩承载力和变形都提出了更高的要求。结合相关文献的理论与实测研究，可普遍认为桩长L≥50m且长径比L/D≥50的桩为超长桩[1]。理论研究和工程实践均表明，超长桩的受力性状与中长桩（包括短桩）有所区别。充分分析和认识超长桩的工作性状，包括荷载-沉降曲线特性，轴力测试分析，桩侧摩阻力发挥性状分析，桩侧摩阻力与桩土相对位移的关系，桩端阻力发挥性状分析，有充分的现实意义，研究超长桩不仅是桩基理论自身发展的需要，更是工程界的迫切要求。
2．工程背景
本次试验结合山东凯宝皇都国际商会中心桩基工程进行。拟建建筑物结构形式为框剪结构，结构层数为37层，基础形式为桩筏基础。试验桩共3棵，设计桩径为1000mm，设计桩长为71m，试验要求最大加载值超过20000kN，确定单桩竖向极限承载力值及相应荷载下桩端阻力，为设计提供依据。
3．工程地质概况
本试验场区勘察深度范围内，表层为素填土，其下为第四纪晚更新世（Q3、Q2）土层，地基土自上而下分为如下几层：（1）素填土（2）粉质粘土（2）-1粉土（3）粉质粘土（4）粉土（4）-1粉砂（4）-2粉质粘土（5）粉质粘土（5）-1粗砂（5）-2胶结砂（6）粗砂（7）粉质粘土（7）-1姜石（7）-2粗砂（8）粉土（9）粉质粘土（9）-1粗砂（9）-2姜石（10）粉质粘土（10）-1胶结砂（11）粉质粘土（12）粉质粘土（13）粉质粘土
4、桩身应力测试
为给设计单位提供桩端阻力值，因甲方要求施工工期紧，我们并没有按每层土分别在土层界面处布置钢筋应力计以便测得每层土的侧摩阻力。试桩SZ1在桩顶和桩端1倍桩径处沿周长分别均匀布置了三只钢筋应力计；试桩SZ2、 SZ3除在桩顶和桩端与试桩SZ1一样布置了应力计外，在桩长50m处又增加布置了一组（三只）钢筋应力计。
试桩施工前，将钢筋应力计与主筋对焊连接，焊接时采取湿毛巾连续浇水降温措施，保证钢筋计在允许的温度范围内不致产生附加应力。试验前在试验室内将钢筋计逐个标定，得出每只应力计实际的率定系数，在试桩进行静载试验时，钢筋应力计中钢弦的振动频率就会发生变化，用频率仪测出钢弦的频率变化即可得出钢弦的受力大小，通过下述公式，计算出每级荷载下桩身轴力[2]。
式中N(i,j)-第i级荷载下第j截面桩身轴力(kN)；
-分别为桩身砼和钢筋的弹性模量（MPa），本次试验中，试桩混凝土强度等级为C40，取=3.25×104 MPa，钢筋采用 25，HRB335，取=2.0×105 MPa
-分别为桩身截面积和单根主筋的截面积(m2)；
-加载前第j截面钢筋应力计的频率（Hz）；
-第i级荷载下第j截面钢筋应力计的频率（Hz）；
K-钢筋应力计的率定系数（kN/Hz）。
根据式（1）算出各级荷载下桩身各截面处轴力，如图1所示[3]（仅以SZ3为例）
5．静载试验结果综述
SZ1试桩分级为12级，前11级分级加载增量为2000kN，第一次加两级，以及逐级等量加载，第12级单级加载增量为1000kN，加载至23000kN，已达到设计要求最大加载量大于20000kN的要求，本级沉降稳定，终止加载而卸载，未到极限荷载。最终桩顶累计沉降量30.25mm，卸载后残余沉降13.30mm，回弹率56%；SZ2试桩分级为12级，前10级分级加载增量为2000kN，第一次加两级，以后逐级等量加载，第11、12级单级加载增量为1000kN，加载至22000kN，桩顶沉降急剧增大，单级沉降已超过前级沉降的5倍，且桩顶累计沉降量超过60mm，终止加载而卸载，取前一级荷载为极限荷载；SZ3试桩分级为13级，前10级分级加载增量为2000 kN，第一次加两级，以后逐级等量加载，第11、12、13级单级加载增量为1000kN，加载至23000kN，已达到设计要求最大加载量大于20000kN的要求，本级沉降稳定，终止加载而卸载，未到极限荷载。最终桩顶累计沉降量32.1mm，卸载后残余沉降量14.48mm，回弹率55%，试验荷载-沉降曲线见图2[3]
6．荷载-沉降曲线特征分析
本次试验三棵桩在成桩后分别进行了桩端桩侧后注浆处理工艺，解决了桩端沉渣及泥皮过厚问题，SZ1、SZ3试桩Q-S曲线呈缓变形，没有明显的拐点，SZ2试桩加载至22000kN，沉降突然加大荷载迅速掉至14000kN，继续补载也加不上两级，沉降继续发展，从预埋钢筋应力计反映到频率仪上，在50m处同一端面出现两侧频率值向相反方向变化，说明此时桩身出现弯折或已发生严重偏斜，观察桩顶，已明显出现向侧边偏移。可以判断若不出现上述情形，SZ2试桩Q-S曲线仍会和SZ1、SZ3一样呈缓变形，不会出现明显的拐点。
7．结论
（1）桩端桩侧采用后注浆工艺的超长灌注桩，Q-S曲线在试验荷载作用下，呈缓变型，无明显拐点，其极限承载力往往由桩顶变形值或控制桩身强度来确定。
（2）由于桩身长，浅部侧摩阻力小，在极限荷载下，桩顶沉降主要表现为桩身压缩，压缩量由弹性压缩和塑性变形两部分组成，在高应力水平下，桩身塑性压缩量大，不能把超长桩作为弹性杆件进行计算。超长桩的沉降计算，除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，还要充分考虑桩身压缩变形。
（3）上部土层的侧摩阻力先于下部发挥作用，荷载达到一定水平后，下部土层的侧摩阻力才逐渐发挥出来。桩身下部位移小，下部侧摩阻力存在不能充分发挥现象，即超长桩侧摩阻力本身的发挥是一个异步过程。超长桩的端阻力发挥有明显的滞后性，端阻力在整个承载力中所占的比例远小于侧摩阻力，超长桩为摩擦桩或端承摩擦桩。
（4）超长桩桩身长径比大，刚度较小，桩顶荷载不易向下传递，承载效率较低，极限承载力往往由桩顶变形和桩身强度来控制，由于桩身压缩量大，在桩顶沉降达到控制值时，桩端沉降量还不大，还远未达到桩端阻力完全发挥所需要的桩端沉降量，这就严重影响了超长桩端承力的发挥。所以设计时要选择合适的桩长及长径比。
关键词：超长桩；灌注桩；竖向静载荷试验；单桩承载力
1．引言
超高层建筑和大跨度桥梁的建设，使得基底荷载越来越大，超长桩的应用越来越广泛（有的桩长达100米以上），对基桩承载力和变形都提出了更高的要求。结合相关文献的理论与实测研究，可普遍认为桩长L≥50m且长径比L/D≥50的桩为超长桩[1]。理论研究和工程实践均表明，超长桩的受力性状与中长桩（包括短桩）有所区别。充分分析和认识超长桩的工作性状，包括荷载-沉降曲线特性，轴力测试分析，桩侧摩阻力发挥性状分析，桩侧摩阻力与桩土相对位移的关系，桩端阻力发挥性状分析，有充分的现实意义，研究超长桩不仅是桩基理论自身发展的需要，更是工程界的迫切要求。
2．工程背景
本次试验结合山东凯宝皇都国际商会中心桩基工程进行。拟建建筑物结构形式为框剪结构，结构层数为37层，基础形式为桩筏基础。试验桩共3棵，设计桩径为1000mm，设计桩长为71m，试验要求最大加载值超过20000kN，确定单桩竖向极限承载力值及相应荷载下桩端阻力，为设计提供依据。
3．工程地质概况
本试验场区勘察深度范围内，表层为素填土，其下为第四纪晚更新世（Q3、Q2）土层，地基土自上而下分为如下几层：（1）素填土（2）粉质粘土（2）-1粉土（3）粉质粘土（4）粉土（4）-1粉砂（4）-2粉质粘土（5）粉质粘土（5）-1粗砂（5）-2胶结砂（6）粗砂（7）粉质粘土（7）-1姜石（7）-2粗砂（8）粉土（9）粉质粘土（9）-1粗砂（9）-2姜石（10）粉质粘土（10）-1胶结砂（11）粉质粘土（12）粉质粘土（13）粉质粘土
4、桩身应力测试
为给设计单位提供桩端阻力值，因甲方要求施工工期紧，我们并没有按每层土分别在土层界面处布置钢筋应力计以便测得每层土的侧摩阻力。试桩SZ1在桩顶和桩端1倍桩径处沿周长分别均匀布置了三只钢筋应力计；试桩SZ2、 SZ3除在桩顶和桩端与试桩SZ1一样布置了应力计外，在桩长50m处又增加布置了一组（三只）钢筋应力计。
试桩施工前，将钢筋应力计与主筋对焊连接，焊接时采取湿毛巾连续浇水降温措施，保证钢筋计在允许的温度范围内不致产生附加应力。试验前在试验室内将钢筋计逐个标定，得出每只应力计实际的率定系数，在试桩进行静载试验时，钢筋应力计中钢弦的振动频率就会发生变化，用频率仪测出钢弦的频率变化即可得出钢弦的受力大小，通过下述公式，计算出每级荷载下桩身轴力[2]。
式中N(i,j)-第i级荷载下第j截面桩身轴力(kN)；
-分别为桩身砼和钢筋的弹性模量（MPa），本次试验中，试桩混凝土强度等级为C40，取=3.25×104 MPa，钢筋采用 25，HRB335，取=2.0×105 MPa
-分别为桩身截面积和单根主筋的截面积(m2)；
-加载前第j截面钢筋应力计的频率（Hz）；
-第i级荷载下第j截面钢筋应力计的频率（Hz）；
K-钢筋应力计的率定系数（kN/Hz）。
根据式（1）算出各级荷载下桩身各截面处轴力，如图1所示[3]（仅以SZ3为例）
5．静载试验结果综述
SZ1试桩分级为12级，前11级分级加载增量为2000kN，第一次加两级，以及逐级等量加载，第12级单级加载增量为1000kN，加载至23000kN，已达到设计要求最大加载量大于20000kN的要求，本级沉降稳定，终止加载而卸载，未到极限荷载。最终桩顶累计沉降量30.25mm，卸载后残余沉降13.30mm，回弹率56%；SZ2试桩分级为12级，前10级分级加载增量为2000kN，第一次加两级，以后逐级等量加载，第11、12级单级加载增量为1000kN，加载至22000kN，桩顶沉降急剧增大，单级沉降已超过前级沉降的5倍，且桩顶累计沉降量超过60mm，终止加载而卸载，取前一级荷载为极限荷载；SZ3试桩分级为13级，前10级分级加载增量为2000 kN，第一次加两级，以后逐级等量加载，第11、12、13级单级加载增量为1000kN，加载至23000kN，已达到设计要求最大加载量大于20000kN的要求，本级沉降稳定，终止加载而卸载，未到极限荷载。最终桩顶累计沉降量32.1mm，卸载后残余沉降量14.48mm，回弹率55%，试验荷载-沉降曲线见图2[3]
6．荷载-沉降曲线特征分析
本次试验三棵桩在成桩后分别进行了桩端桩侧后注浆处理工艺，解决了桩端沉渣及泥皮过厚问题，SZ1、SZ3试桩Q-S曲线呈缓变形，没有明显的拐点，SZ2试桩加载至22000kN，沉降突然加大荷载迅速掉至14000kN，继续补载也加不上两级，沉降继续发展，从预埋钢筋应力计反映到频率仪上，在50m处同一端面出现两侧频率值向相反方向变化，说明此时桩身出现弯折或已发生严重偏斜，观察桩顶，已明显出现向侧边偏移。可以判断若不出现上述情形，SZ2试桩Q-S曲线仍会和SZ1、SZ3一样呈缓变形，不会出现明显的拐点。
7．结论
（1）桩端桩侧采用后注浆工艺的超长灌注桩，Q-S曲线在试验荷载作用下，呈缓变型，无明显拐点，其极限承载力往往由桩顶变形值或控制桩身强度来确定。
（2）由于桩身长，浅部侧摩阻力小，在极限荷载下，桩顶沉降主要表现为桩身压缩，压缩量由弹性压缩和塑性变形两部分组成，在高应力水平下，桩身塑性压缩量大，不能把超长桩作为弹性杆件进行计算。超长桩的沉降计算，除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，还要充分考虑桩身压缩变形。
（3）上部土层的侧摩阻力先于下部发挥作用，荷载达到一定水平后，下部土层的侧摩阻力才逐渐发挥出来。桩身下部位移小，下部侧摩阻力存在不能充分发挥现象，即超长桩侧摩阻力本身的发挥是一个异步过程。超长桩的端阻力发挥有明显的滞后性，端阻力在整个承载力中所占的比例远小于侧摩阻力，超长桩为摩擦桩或端承摩擦桩。
（4）超长桩桩身长径比大，刚度较小，桩顶荷载不易向下传递，承载效率较低，极限承载力往往由桩顶变形和桩身强度来控制，由于桩身压缩量大，在桩顶沉降达到控制值时，桩端沉降量还不大，还远未达到桩端阻力完全发挥所需要的桩端沉降量，这就严重影响了超长桩端承力的发挥。所以设计时要选择合适的桩长及长径比。