5.3.4.1 加载方式
图5-24 桩-土剪切破坏
本实验属于室内静载试验，通过自主设计的反力架提供反力，采用慢速维持荷载法分级加载，各级荷载沉降稳定标准以及终止加载条件都参照《建筑桩基监测技术规范》（JGJ 106—2014），预计加载到30kN时达到桩的极限承载力，前期每一级加载量为300 kg，加载至2 000kg后，加载量减小至150kg一级，待上一级荷载下桩顶位移稳定后，进行下一级加载至破坏。如图5-24所示，桩体发生明显的刺入破坏，剪切破坏界面为土体-注浆体胶结面。
5.3.4.2 桩侧阻力发挥原理
当静载试验开始时，随着荷载的逐步施加，桩身上部首先会受到压缩，一部分荷载往下传递，另一部分则会形成桩侧摩阻力。随着荷载逐步增加，桩身变形量逐渐增加，桩侧摩阻力产生的范围逐渐增加，当桩侧摩阻力全部发挥时，荷载如果继续增加，桩端端阻开始发挥作用，桩体的沉降也随之变大，直至达到或者超过允许的变形量而破坏。
5.3.4.3 数据分析
通过本试验数据采集系统，可获取以下数据，得到相应的成果。
（1）桩顶荷载与桩顶位移，由桩顶放置的压力传感器与位移计，现场记录桩的Q-s曲线，取Q-s曲线中陡降段起点对应的荷载值为桩的极限承载力值。
（2）桩身轴力，依据采集仪采集的桩身应变数据可求得桩身轴力Q（kN）。
式中 ε——桩身应变（με）；
E——弹性模量（kPa）；
A——桩身横截面面积（m2）。
（3）根据公式求每个区段土层的平均摩阻力ƒi（kPa）。
式中 Qi——第i层截面的轴力（kN）；
C——桩身截面周长（m）；
li——第i层截面到第i＋1层截面的距离（m）。
（4）桩端阻力，由桩端布置的土压力计测量数据求得F（kN）。
式中 K——仪器灵敏系数，本试验采用的土压力计K＝1.245×10-6（MPa/Hz2）；
ƒi——实时测量频率值（Hz）；
ƒ0——初始频率值（Hz）；
A——桩身横截面面积（m2）。
5.3.4.4 不同注浆体厚度试验组
各试验桩的单桩竖向抗压静载试验结果的汇总见表5-11。
表5-11 试验结果汇总
1.Q-s曲线变化
三条试验桩对应的Q-s曲线如图5-25所示，都呈缓降型破坏，Q-s曲线呈圆滑的缓变趋势，不存在明显的破坏特征点，说明桩侧注浆效果较好，试验桩能够反映出实际桩的承载力特征。从图5-25可以看出，注浆厚度为30.0 mm时，这条模型桩的Q-s曲线的切线斜度最小。同荷载情况下，随着注浆厚度的增大，桩顶位移（沉降量）随之减小，但随着注浆厚度的持续增大，其缩减幅度也逐渐变小。对于桩身强度大的大直径随钻跟管桩，往往因沉降量过大而无法充分发挥桩身强度，因此，可适当增大桩侧注浆体厚度以使其高承载性能得到充分发挥。
图5-25 不同注浆厚度的模型桩Q-s曲线
2.桩身轴力变化
三条试验桩桩身轴力变化曲线如图5-26所示，三条试验桩桩身轴力沿深度方向递减，桩侧摩阻力发挥明显，随着荷载的增大，桩侧摩阻力沿深度逐渐发挥。30.0mm注浆厚度桩的侧阻力占比达到91.8%，20.0mm注浆厚度桩的桩侧阻力占比达到91.3%，10.0mm注浆厚度桩的桩侧阻力占比为79.4%，在桩侧摩阻力占比上，注浆体厚度的增加可有效发挥土体的承载力，有效地增加试验桩的侧摩阻力，即随着注浆体厚度的增大，桩侧摩阻力发挥效果越好。然而，20.0mm和30.0mm注浆厚度的桩侧阻力占比差距不大，说明存在一个最佳注浆厚度值。
图5-26 不同注浆厚度的桩身轴力对比分析
3.桩侧阻力变化
依据实验数据分析处理得到不同注浆体厚度的桩侧阻力对比图，如图5-27所示。从图中可知，桩侧阻力沿着深度方向逐渐发挥，开始阶段，桩身上部桩侧阻力随着荷载的增加而增大并渐趋极限，随着荷载的继续增大，桩身中部与下部桩侧阻力开始得到发挥并逐渐增大，当荷载达到极限值时，桩身上部桩侧阻力减小到残余值，中、下部达到峰值。图5-27中的桩侧摩阻力取值为段面的平均值，所以三条模型桩单位面积的桩侧摩阻力大致相等。(www.xing528.com)
图5-27 不同注浆厚度的桩侧阻力对比分析
注浆体粗糙度对照组试验桩的单桩竖向抗压静载试验结果的汇总见表5-12。土体-注浆体胶结面粗糙度对照组相关参数见表5-9，试验土的相关参数见表5-3。试验完成后挖出的模型桩如图5-28所示。
表5-12 试验结果汇总
图5-28 挖出后的试验模型桩注浆效果图
1.Q-s曲线变化
图5-29 不同粗糙度的模型桩Q-s曲线
三条试验桩对应的Q-s曲线如图5-29所示，都属于典型的缓变形破坏，桩体曲线呈圆滑的缓变趋势，不存在明显的破坏特征点。可以看到随着粗糙度的增加即模型桩体的凹槽宽度增大，承载力增大了约20%，在同一荷载作用下，桩顶位移要小，最大达到3.5mm，在减少沉降量上起到明显的作用。但Z4号桩与Z5号桩两条曲线几乎重合，承载力几乎相等，说明粗糙度的影响存在一个阈值，与土的工程性质有关。
2.桩身轴力变化
三条试验桩桩身轴力变化曲线如图5-30所示，与注浆体厚度试验组相比，在桩端土压实后，桩端阻力和桩身轴力得到了充分的发挥。从各试验桩的轴力分布图中可以看出，桩在竖向荷载作用下的桩身轴力随深度增加明显呈现出递减的特点，说明沿桩身侧摩阻力的发挥效果较好。Z3，Z4，Z5三根试验桩的桩端轴力（即桩端总阻力）占该级荷载的百分比在较低荷载等级下较低，但随荷载等级的增加逐渐增大。
图5-30 不同粗糙度的桩身轴力对比分析
3.桩侧阻力变化
土体-注浆体胶结面粗糙度对照组桩侧阻力如图5-31所示，Z3模型桩最大侧阻力为95kPa，Z4模型桩最大侧阻力为193kPa，Z5模型桩最大侧阻力为180kPa，粗糙度的增大，极大地增加了桩的侧阻力，达到100%。但Z4，Z5号模型桩的侧阻力基本相等，注浆体-土界面的粗糙度进一步增加，并未增大其侧阻力，即注浆面粗糙度达到一定程度后，对桩侧阻力影响变小，这与张明义等对黏性土中桩-土界面受力机制研究中结论相吻合，张明义认为界面粗糙度存在临界状态，随着粗糙度变化，界面黏着力不再增加而接近土体自身黏聚力。
图5-31 不同粗糙度的桩侧阻力对比分析
5.3.4.6 砂土水灰比对比试验
0.5（Z6），0.6（Z7），0.7（Z8）三种不同水灰比的水泥浆砂土体试验桩的单桩竖向抗压试验结果见表5-13。试验完成后挖出的模型桩如图5-32所示，由于砂土上部易塌孔，所以上部有扩大头、鼓肚子的现象。
表5-13 试验结果汇总
图5-32 挖出后的砂土模型桩注浆效果
1.Q-s曲线变化
图5-33 不同水灰比注浆体模型桩Q-s曲线
三条试验桩对应的Q-s曲线如图5-33所示，都属于典型的缓变形破坏，桩体曲线呈圆滑的缓变趋势，不存在明显的破坏特征点。可以明显看到随着注浆液水灰比的增大，桩的承载力也逐渐增大，水灰比大的注浆液体在砂土中渗透效果好，使得桩侧水泥浆土体的扩散范围增大，进而增大了桩侧摩阻力。因此，在砂土中，适当增大大直径管桩的注浆液水灰比，能有效提高桩的承载力，减少桩顶位移量。
2.桩身轴力变化
三条模型桩桩身轴力变化曲线如图5-34所示。从各试桩的轴力分布图中可以看出，桩在竖向荷载作用下的桩身轴力随深度增加明显呈现出递减的特点，说明沿桩身侧摩阻力的发挥效果较好。由图可知Z6，Z7，Z8三根试验桩的桩身轴力的递减程度随着水灰比的增大逐渐变缓，即桩端阻力占比随着水灰比的增大而减小，桩侧阻力发挥程度逐渐提高。
图5-34 不同水灰比注浆体模型桩的桩身轴力对比分析
3.桩侧阻力变化
依据实验数据分析处理得到不同水灰比注浆体厚度的桩侧阻力对比如图5-35所示。从图中可知，桩侧阻力随荷载的增大而增大，沿桩身分布较为均匀，无明显的峰值；桩底侧摩阻力随上部荷载的增加逐渐发挥，而且发挥效果随荷载的增加而逐步增大。三根模型桩的桩身上部侧摩阻力几乎相等，但桩身下部的摩阻力却随着注浆体水灰比出现了明显的增幅，达到35%。在砂土中，桩底的侧摩阻力相较于黏土发挥效果更佳。
图5-35 不同注浆水灰比的桩侧阻力对比分析
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