帶帽PTC型剛性樁工作性狀現(xiàn)場試驗研究

陳超群，雷金波，李盛芳，汪躍輝

(1.南昌航空大學土木建筑學院，江西南昌 330063;2.益陽市城市規(guī)劃設計院，湖南益陽 413000;3.中國水利水電第八工程局有限公司，湖南長沙 410000)

近年來隨著我國道路建設的迅猛發(fā)展，特別是在東南沿海地區(qū)，路線設計時很難避免深厚軟土地基，如何解決工程實踐中遇到的軟基沉降變形已引起巖土界的普遍關注。PTC管樁作為一種高強度的剛性樁，能夠有效控制沉降變形，滿足高速公路工后沉降的要求［1］。但由于樁土相對剛度差極大，極易造成剛性樁樁頂刺入量過大，因此在樁頂配置樁帽，以增大樁頂與上部結構的接觸面積，形成帶帽PTC型剛性樁［2-4］。為深入研究帶帽PTC型剛性樁在處理深厚軟土地基的工作性狀，在某繞城高速公路兩試驗區(qū)進行了帶帽剛性單樁加固軟基的現(xiàn)場足尺試驗，研究了不同地質(zhì)條件下帶帽剛性單樁的荷載沉降、樁身軸力、地表土應力分布特征、樁土荷載分擔比等工作特性，以便進一步優(yōu)化工程設計。

1 試驗區(qū)地質(zhì)條件

1.1 試驗區(qū)A地質(zhì)條件

試驗區(qū)為蘇昆太高速公路HC-6標，樁號為K33+324—K33+419便道南側臨近場地。該區(qū)0～8.9 m及10.6～12.0m為硬殼層，軟土主要分布在12～29 m和8.9～10.6 m處，29 m以下為性狀較好的粉土層?？紫侗葹?.69～1.37，含水率24.0% ～48.3%，塑性指數(shù)為11.9～21.0，液性指數(shù)為0.32～1.25，軟土的壓縮系數(shù)為0.21～0.80mPa-1，壓縮模量為2.62～8.23 MPa，屬中高壓縮性土。

1.2 試驗區(qū)B地質(zhì)條件

試驗區(qū)選擇在蘇滬公路，樁號為K10+074—K10+182便道北側臨近場地。該區(qū)軟土主要分布在0～10m和23～27 m，10～23 m土質(zhì)好，可視為一硬殼層，27 m以下為性狀較好的粉土層。孔隙比為0.63～1.07，含水率為21.0% ～38.5%，塑性指數(shù)為14.3～19.9，液性指數(shù)為 0.11～1.19，壓縮系數(shù)為0.09～0.57 MPa-1，壓縮模量為3.38 ～38.6 MPa。

具體的土層參數(shù)和物理力學指標可參考文獻［5］。

2 試驗概況

2.1 試驗目的

1)確定帶帽剛性單樁的豎向極限承載力。

2)確定帶帽剛性單樁在豎向荷載作用下樁身軸力、地表土壓力及樁側摩阻力的分布規(guī)律。

3)確定帶帽剛性單樁在豎向荷載作用下樁土荷載分擔比及其變化規(guī)律。

2.2 試樁設計

試驗區(qū)A和試驗區(qū)B各設計4根樁，每根樁均進行單樁靜載試驗，兩試驗區(qū)的平面布置相同，如圖1所示。

1)兩試驗區(qū)均采用PTC-A400-65型管樁，樁帽尺寸(長×寬×厚)為1.5m×1.5m×0.4 m，樁帽頂與試驗場地地表平齊。其中試驗區(qū)A的T1和T2樁樁長為25m，T3和T4樁樁長為29 m;試驗區(qū)B的T1和T2樁樁長為17 m，T3和T4樁樁長為27 m。

圖1 試驗區(qū)平面布置示意(單位:mm)

2)單樁靜載試驗反力由錨樁提供。錨樁采用PHC-B-500-100，試驗區(qū)A、試驗區(qū)B錨樁樁長分別為31.0m和28.0m。

2.3 測試內(nèi)容

1)沉降觀測:采用百分表觀測不同荷載作用下各樁頂?shù)某两盗?豎向位移)。

2)樁身軸力:采用在樁體不同位置預置鋼弦式應力計進行測試，試驗區(qū)A中T2樁在1 m，6 m，10m，16 m，20m，24 m 處，T3，T4 樁在1 m，6 m，10m，16 m，22 m，28 m處預置;試驗區(qū)B中T1，T2樁在1 m，6 m，10m，13 m，16 m 處，T3 樁在2 m，5m，9 m，15m，25m 處預置。

3)土壓力:采用土壓力盒測量兩試驗區(qū)各試樁樁帽下0.2 m處的土壓力變化，土壓力盒距試樁中心0.5m。

2.4 加荷等級

試驗區(qū)A各試樁(T1～T4)的加荷等級分別為250 kN，200 kN，300 kN，250 kN;試驗區(qū) B 各試樁(T1 ～T4)的加荷等級分別為140 kN，100 kN，180 kN，180 kN。

2.5 試驗方法

豎向抗壓靜載試驗采用慢速維持荷載法，并按照《建筑基樁檢測技術規(guī)范》(JGJ 106—2003)［6］的規(guī)定進行。

3 試驗結果與分析

3.1 Q-S曲線分布特征

兩試驗區(qū)各樁的靜載Q-S曲線如圖2。

由圖2可看出，兩試驗區(qū)各樁Q-S曲線均有一處較為明顯的轉折點，符合樁基沉降變形特點。同時根據(jù)規(guī)范，對于陡降型的Q-S曲線可取曲線發(fā)生明顯陡降的起點作為單樁的極限承載力。比較圖3中各試樁Q-S曲線還可發(fā)現(xiàn):①兩試驗區(qū)T1和T2樁的極限承載力分別小于各自試驗區(qū)的T3和T4樁，這說明樁的長短直接影響其極限承載能力。同一試驗區(qū)帶帽長樁在荷載作用下的地基沉降比帶帽短樁小，說明帶帽長樁更加有利于控制地基的沉降。②試驗區(qū)A的T3和T4樁的極限承載力要比試驗區(qū)B相應各樁的極限承載力低，這主要是因為試驗區(qū)A的試樁穿過的地質(zhì)條件較好的土層厚度要比試驗區(qū)B的少，說明不同的地質(zhì)條件對各樁的極限承載力也存在影響。

圖2 兩試驗區(qū)靜載試驗Q-S曲線

3.2 樁身軸力分布特征

試驗區(qū)B的T1樁樁身軸力分布曲線如圖3所示，樁身軸力隨深度增加而減小。在同一深度處不同的荷載作用下樁身軸力不同，在荷載達到1 260 kN以前樁身軸力隨荷載的增大而增大，當荷載達到1 260 kN后，樁身軸力增加緩慢。同一荷載作用下樁身軸力隨深度的增加而減小，但在樁端處樁身軸力幾乎一致，這說明該樁為摩擦型樁。其他各樁的樁身軸力與荷載等級之間的關系與圖3相類似。

試驗區(qū)A的T3和T4樁不同深度處樁身軸力與荷載的關系見圖4。

在相同荷載下同一深度處T3樁樁身軸力比T4樁要大，說明加荷等級的大小對樁身軸力有影響。在深度較淺的區(qū)域尤為明顯，但這種影響程度是隨深度的增加而減小的，到10m深度樁身軸力基本相同。這可能是因為不同等級加載其穩(wěn)定的時間不同，使得隨時間消散的附加孔隙水壓力場不同，因而導致土體力學性質(zhì)發(fā)生不同的改變，從而對樁身軸力產(chǎn)生影響。

3.3 地表土應力分布特征

圖5為兩試驗區(qū)T1樁和T3樁在0.2 m深度處地表土應力變化曲線。由圖5可知，地表土應力隨著荷載的增大而增大，在加載初期4條曲線基本重合且斜率幾乎不變。隨著荷載的進一步增大，同一荷載作用下地表土應力出現(xiàn)了明顯的差異，4條曲線的斜率增加且有明顯的突變。這說明在加載初期樁體是主要的承載對象，同時樁帽下淺層地表土也有一個被壓密的過程，達到某一荷載水平后土承擔的荷載才迅速增加，土體承載性能才得到明顯發(fā)揮，這也說明了加載過程中存在樁土分擔荷載相互調(diào)整的現(xiàn)象。比較分析圖4和圖5還可發(fā)現(xiàn)，在各級荷載作用下，地表處樁身軸力(樁體分擔的荷載)與地表土應力(土體分擔的荷載)之和與其總荷載相當，符合樁體相互作用的一般規(guī)律。

圖5 試驗區(qū)T1和T3樁地表土應力隨荷載變化曲線

由圖5還可看出，試驗區(qū)A的T3樁樁周地表土應力在加載后期比試驗區(qū)B的T3樁大，這主要是由于地質(zhì)條件不同所致。試驗區(qū)A靠近地表面有一剛度較大的硬殼層，土層力學性狀較好，而試驗區(qū)B靠近地表面則是一可壓縮層。加載后期試驗區(qū)A的T1樁樁周地表土應力比T3樁大，說明帶帽短樁比帶帽長樁更能發(fā)揮淺層地表土的承載作用。

3.4 樁側摩阻力分布特征

圖6 試驗區(qū)B的T1樁樁側摩阻力隨深度變化曲線

試驗區(qū)B的T1樁樁側摩阻力隨深度的變化曲線如圖6所示。由圖6可以看出，上部土層的摩阻力先于下部土層發(fā)揮作用。隨著荷載的增加，樁身壓縮量和樁土相對位移逐漸增大，下部土層的摩阻力才逐步發(fā)揮出來。圖中每一級荷載作用下，樁側摩阻力的最大值都出現(xiàn)在深度為9～10m處。由靜力觸探曲線可知10～23 m土質(zhì)較好，土質(zhì)較好的土層發(fā)揮的側阻力比土質(zhì)較差的土層大。當荷載達到1 260 kN時，其各段的摩阻力增加很小或不增加甚至出現(xiàn)減小的現(xiàn)象，說明其側摩阻力已經(jīng)發(fā)揮到了最大值并出現(xiàn)滑移，此時這部分樁側土的抗剪強度由峰值強度跌落為殘余強度，這就是樁側摩阻力的軟化現(xiàn)象［7］。

3.5 樁土荷載分擔比

兩試驗區(qū)樁土荷載分擔比如圖7和圖8所示。

由圖7和圖8可知樁土荷載分擔比是隨著荷載而變化的，在未達到樁各自的極限承載力時，土的荷載分擔比趨近于恒值，其值介于0到0.1之間，樁的荷載分擔比在0.9到1之間，樁是主要的荷載分擔者;當樁達到極限承載力后，土的荷載分擔比迅速增加，土承擔的荷載迅速增大，最后試驗區(qū)A樁的土分擔比為0.3～0.6，試驗區(qū)B樁的土分擔比則為0.1～0.3。說明地質(zhì)條件對單樁樁土荷載分擔比有比較明顯的影響。試驗區(qū)A是上部有一硬殼層，而試驗區(qū)B上部則是一可壓縮層，說明土體的力學性能越好，其分擔的荷載就越多。而且在同一地質(zhì)條件下不同樁長也使得荷載分擔比不同，就樁的荷載分擔比而言，同一荷載作用下長樁比短樁要大。

4 結論

1)帶帽長樁承載能力比帶帽短樁要強，控制沉降能力也比短樁強。

2)樁身軸力自上而下發(fā)揮。不同的加荷等級對樁身軸力有影響，并且隨深度有明顯遞減的趨勢，在10m深度時樁身軸力基本趨近相同。

3)地表土應力隨荷載增加由慢到快增大。地表土層條件和樁長是影響地表土應力大小的重要因素。

4)樁側摩阻力的大小隨荷載的變化而變化，土質(zhì)越好的土層發(fā)揮的樁側摩阻力越大，摩擦型樁應盡量多地穿過地質(zhì)條件較好的土層。

5)樁土荷載分擔比與樁長和土層條件等因素有關。樁體越長，樁的荷載分擔比就越大;土體的力學性能越好，其分擔的荷載就越多。

［1］蘇振明，陳擁軍.PHC管樁荷載傳遞特性研究［C］//中國土木工程學會第九屆土力學及巖土工程學術會議論文集.北京:清華大學出版社，2003:439-448.

［2］何良德，陳志芳，徐澤中.帶帽PTC單樁和復合地基承載特性試驗研究［J］.巖土力學，2006，27(3):435-441.

［3］雷金波.帶帽剛性樁復合地基荷載傳遞機理研究［J］.巖土力學，2007，28(8):1643-1649.

［4］雷金波，陳超群.帶帽控沉疏樁復合地基優(yōu)化設計及其工程應用［J］.鐵道建筑，2011(1):66-69.

［5］雷金波，陳從新.帶帽剛性樁復合地基現(xiàn)場足尺試驗研究［J］.巖石力學與工程學報，2010，29(8):1713-1720.

［6］中華人民共和國建設部.JGJ 106—2003 建筑基樁檢測技術規(guī)范［S］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2003.

［7］張忠苗.樁基工程(第一版)［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2007.