摘 要：本文通过总结大量北京地区非均质互层地基土钻孔灌注长桩载荷试验资料，对传统的荷载传递函数及分析方法进行改进，建立了预估单桩极限承载力的方法。通过对具体工程实例的应用分析，表明采用本文提出的荷载传递分析方法，计算结果能够反映互层地基土层的单桩竖向荷载传递特征，确定单桩极限承载力的方法和得出的结果是可靠和可行的。
　　关键词：非均质地层；钻孔灌注桩；荷载传递分析；竖向承载力

　　1 引言
　　大直径钻孔灌注长桩因具有竖向承载力高、变形小等特点，在北京地区的高层建筑、桥梁工程中已得到广泛使用[1]。与此同时，对基桩竖向荷载传递分析及承载力研究也已取得了诸多有价值的成果。但围绕大直径长桩荷载传递特征、承载力的可靠评价、岩土设计参数取值等方面，仍迫切需要从理论与工程实践结合和技术应用角度，提出更为科学、合理、安全和适用的研究方法、评价手段和设计施工参数。
　　在桩基承载力的计算分析与评价方面，传统的荷载传递方法具有概念明确、计算简便等特点[2][3]。本文针对北京地区典型的岩土工程条件，在综合大直径钻孔灌注长桩现场竖向载荷试验资料和相关研究成果的基础上，对传统的荷载传递函数及分析方法进行改进，提出了适用于北京地区非均质互层地基土大直径钻孔灌注长桩极限承载力的预估方法。采用具体的工程实例，对本文提出的单桩极限承载力估算方法进行工程验证。本文研究成果，对非均质地层条件下的同类桩基工程承载力分析和桩基设计优化有重要意义和借鉴作用。
　　2 单桩荷载传递分析方法
　　2.1 荷载传递函数
　　摩阻力的发挥程度与桩土相对位移有关，通常将它们之间的关系称作传递函数。传递函数曲线的形状比较复杂，它与土层性质、埋深、施工工艺和桩径大小有关，根据土性不同，曲线形式大致有如下三种，即加工硬化型，加工软化型及理想塑性型[2][3]。
　　北京中心城区地层为第四纪冲洪积形成的粗细颗粒土交互沉积土层，基础桩通常采用卵砾石、砂土层作为桩端持力层，桩侧为层状交互的非均质土层。桩、土体系的荷载传递与地基土条件、桩长、桩土刚度变化及成桩工艺等关系密切。通过总结近年来大量的大直径钻孔长桩静载试验结果和相关研究成果[2][3]，桩侧应力下的荷载传递函数形式总体符合加工硬化型规律，桩土体系荷载传递函数可用三折线函数（式1）来描述。随着桩顶荷载增加，侧摩阻力发挥可概化分为三个阶段（图1）：阶段Ⅰ为线弹性阶段，即桩侧摩阻力随桩土相对变形增大而线性递增；阶段Ⅱ为加工硬化阶段，侧摩阻力随桩土相对变形增大继续增加；阶段Ⅲ为残余变形阶段，桩侧摩阻力得到充分发挥。与之对应的荷载传递参数为k1、su1和k2、su2。
　　2.2 荷载传递函数的改进
　　为使荷载传递法合理、准确地应用于单桩承载力分析，基于对桩基载荷试验资料的研究，考虑非均质互层地基土条件、桩长及地基土原始应力状态、桩侧和桩端后压浆工艺，从以下几方面简化和改进荷载传递函数。
　　在非均质地层条件下，将基桩桩周土层划分为n层；计算某级荷载-位移条件下相邻土层界面处的桩身位移和轴力，并将轴力、位移作为对应下一土层顶面的桩截面处的荷载和位移；依次对每一土层迭代计算，得出桩身变形和轴力的分布结果。为合理考虑桩长及地基土埋深条件，按以下方法确定式（1）中参数k1、k2： 　　式中，k10、k20――仅根据土层性质确定的荷载传递阶段Ⅰ和阶段Ⅱ斜率参数；
　　k1、k2――考虑埋深影响下的荷载传递阶段Ⅰ和阶段Ⅱ斜率参数；
　　ξ σ――荷载传递阶段Ⅰ和阶段Ⅱ斜率的埋深影响系数。
　　根据现场桩基载荷试验资料和土层室内压缩模量的对比关系研究[4][5]，以及北京市勘察设计研究院有限公司开展的大型现场足尺试验结果及研究成果[6]，埋深影响系数ξ σ可按下式计算： 　　其中，γm――桩侧第i层土以上土的加权平均重度，地下水位以下取浮重度；
　　hi――桩侧第 层土以上的土层厚度；
　　δ――埋深系数，粘性土、粉土取0.08，砂土、碎石土取0.09。
　　北京地区大直径灌注长桩通常会采用后压浆工艺提高单桩承载力，在考虑桩端和桩侧后压浆工艺影响时，按式（4）确定荷载传递参数： 　　式中，k1, pg、k2, pg――考虑后压浆工艺条件下的荷载传递参数；
　　ξ pg――荷载传递的后压浆工艺影响系数。后压浆工艺影响系数受地层条件及施工工艺影响较大，特别是桩身多处部位采用后压浆工艺条件下，需根据实际工程载荷试验结果分析确定。
　　2.3 单桩竖向极限承载力的预估
　　采用荷载传递法进行单桩竖向极限承载力估算，考虑如下假定：
　　（1）考虑到超长桩Q-s曲线具有的缓变型特点，单桩极限承载力由桩顶变形控制。
　　（2）假设在各级桩顶变形下，桩身变形分布均呈指数函数分布。
　　（3）根据我公司搜集的大直径超长桩载荷试验资料，此类桩在极限荷载下，桩端阻力发挥仍较小，因此荷载传递分析可忽略桩端阻力，其计算虽偏于安全，但仍在合理评价范围内。
　　在上述假定基础上，采用如下分析过程：首先选定桩顶变形序列值s0i，计算对应不同深度桩身和土层界面的桩侧摩阻力和桩端阻力，进而确定相应的桩顶荷载Q0i，得出Qi - si曲线。当Qi - si曲线出现陡降拐点，按陡降始点确定单桩极限承载力；对缓变形Qi - si曲线，按桩顶沉降确定极限承载力。单桩竖向极限承载力预估流程见图2。
　　3 荷载传递方法预估单桩极限承载力的工程应用
　　3.1 工程概况
　　北京某地块工程为集甲级办公楼、高端商业、酒店于一体的综合性建筑，占地范围约为136m×84m，建筑总高度约528m。根据相关设计资料，本工程由主塔楼及外围纯地下室组成，各部分建筑设计条件如表1。
　　根据岩土工程勘察成果，最大勘探深度180.00m范围的土层为人工堆积层和第四纪沉积层两大类。场区内人工堆积层厚度和岩性的分布不均匀，人工堆积层以下为第四纪沉积的粘质粉土，岩性主要为粘性土、粉土、砂类土、卵砾石等互层。根据本工程岩土工程勘察资料所反映的地层情况，采用有效桩长43m、桩径1000mm、桩端持力层卵石层的初步桩基设计方案，预估单桩竖向极限承载力。
　　3.2 参数取值
　　荷载传递分析方法应用的关键是确定反映荷载传递机理、分层土特性的传递计算参数。本文作者通过搜集北京地区桩长20m ~ 40m、桩径800mm ~ 1200mm的数十根大直径钻孔桩载荷试验资料。根据对其荷载－变形规律的研究，以及结合地基土层抗剪强度、压缩模量等土性参数的统计计算、数值模拟及拟合Q–s曲线的反分析，得出在按桩顶沉降确定单桩竖向极限承载力条件下，考虑层状非均质地基条件、桩长与桩侧土埋深、灌注桩后压浆等因素的改进荷载传递参数取值范围。
　　根据与本工程邻近类似超长桩静载荷试验结果，本工程采用如下荷载传递参数，见表2。 　　注：本工程采用后压浆工艺，按本工程岩土工程勘察资料所反映的地层情况，桩侧有三处地层适宜分别进行压浆，因此后压浆工艺提高系数略有不同，桩身上部该系数取较大值，下部取较小值。
　　3.3 单桩竖向极限承载力估算结果
　　图3为单桩Q-s曲线分析结果，由图3可知，Q-s曲线具有缓变型特点，曲线上未出现明显破坏点。当桩顶变形s＝33mm时，对应桩顶荷载Q＝36085kN，达到压桩试验竖向承载力极限值（36000kN）。经插值计算，单桩竖向承载力极限值（36000kN）下对应桩顶变形约为32.9mm。
　　图4和图5分别为桩身轴力分布和桩侧摩阻力发挥曲线分析结果。由图4和图5可见，桩身轴力沿深度逐步减小。当桩顶变形较小（小于9mm）时，即对应桩顶荷载较小时，桩顶荷载主要由桩身上部侧摩阻力承担；随着荷载的增加，桩身上部侧摩阻力不再增加，桩身下部侧摩阻力逐渐增大。
　　4 对单桩极限承载力估算结果的验证
　　为确定单桩承载能力，并验证荷载传递分析方法的合理性，本工程进行试验桩的单桩竖向抗压静载荷试验。
　　4.1 试验桩设计
　　本工程3根试验桩设计基本情况见表3。