不同平衡堆載條件下樁基承載特性的原位試驗研究

鄧會元，戴國亮，龔維明，朱中發(fā)

（1.東南大學 混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)教育部重點實驗室，江蘇 南京 210096；2.東南大學 土木工程學院，江蘇 南京 210096）

1 引 言

目前沿海地區(qū)主要通過吹填淤泥及泥沙進行圍墾，吹填區(qū)域土質(zhì)較差，軟弱土層較厚，在圍墾區(qū)已完工和計劃開工的高速公路建設(shè)中，由于大規(guī)模吹填區(qū)的施工順序不同，可能引起因圍墾填海等導(dǎo)致的平衡堆載、不平衡堆載條件下對公路橋梁樁基的不利影響等問題。

Heyman 等[1]對土堤與既有樁基建筑物的最近影響距離的問題進行了相關(guān)研究。將3 根試樁穿過8.5 m 厚的黏土和泥炭土達到持力層，固定樁頭，在樁外不同間距處填筑土堤，測試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當樁距坡腳大于35 m 時，土堤對樁的影響忽略不計。Nicu等[2]對建于13.5 m厚硬黏土上的橋臺進行了現(xiàn)場觀測，發(fā)現(xiàn)在上覆路堤荷載作用下軟黏土地基流動作用于樁身側(cè)壓力很大，能夠使橋臺樁基發(fā)生很大變形甚至毀壞。

在國內(nèi)，魏汝龍等[3-5]對回填土和堆載后碼頭進行了現(xiàn)場觀測，并認為岸坡的側(cè)向變形會引起碼頭的水平位移，而岸坡的沉降會引起碼頭樁基的負摩阻力，并認為在碼頭竣工初期以水平位移為主，之后以負摩阻力為主要作用。竺明星等[6]在Boussinesq改進解的基礎(chǔ)上推導(dǎo)出堆載作用下地基土體的水平附加應(yīng)力計算公式，進而得到被動樁基被動側(cè)土壓力計算表達式，以及解得考慮被動側(cè)成拱的被動樁樁身被動荷載分布，并利用試驗數(shù)據(jù)進行驗證。結(jié)果表明，該半解析解可以很好地應(yīng)用于考慮土拱效應(yīng)的被動樁變形內(nèi)力計算。黃挺等[7]設(shè)計了能實現(xiàn)樁頂加載及較大超載值的單樁及雙樁負摩阻力模型試驗，樁周土采用砂土和軟黏土夾層。試驗結(jié)果顯示，沉降、負摩阻力具有明顯的時間效應(yīng)，黏土夾層處的負摩阻力隨土體固結(jié)而增長，其基本變化規(guī)律與沉降相同。馬遠剛等[8]研究了堆載對橋梁被動樁的影響，采用有限差分法對某實際橋梁進行被動樁偏移受力分析，計算堆載作用下橋墩偏移并與實測值對比，分析基樁內(nèi)力及偏移，認為堆載作用下，基樁產(chǎn)生了較大偏移和彎矩，樁頂軸力和樁身軸力分布不均，并產(chǎn)生不同程度的負摩阻力，且距堆載越近負摩阻力越大，最后根據(jù)評估結(jié)果提出了一些處理措施。劉茲勝[9]對上海洋山深水港工程鋼管樁進行了現(xiàn)場試驗，研究了大面積高填土軟土地基在拋石作用下，樁基負摩阻力作用規(guī)律，取得了試驗樁負摩阻力分布、大小、隨時間變化情況、中性點位置、下拉荷載等關(guān)鍵參數(shù)的認識。以上研究者對關(guān)于堆載條件下樁基受力特性做了大量的工作，得出了一些有價值的結(jié)論。

雖然堆載條件下樁基承載特性研究[10-13]較多，但沿海吹填區(qū)類似場地條件下同時進行平衡堆載和不平衡堆載試驗研究較少。現(xiàn)結(jié)合臺州灣大橋現(xiàn)場不同堆載方式的堆載試驗，研究后期圍墾不同填土方式對橋梁樁基的影響。

2 工程概述

浙江省臺州灣大橋及接線工程橋梁基礎(chǔ)較多，且橋梁基礎(chǔ)穿越沿海吹填深厚軟土地區(qū)，工程附近有類似橋梁工程因后期填土導(dǎo)致橋梁樁基發(fā)生較大位移而進行加固的先例，增加了巨大的成本。因此，有必要對吹填區(qū)工程樁進行現(xiàn)場試驗，研究堆載對橋梁基礎(chǔ)的影響?，F(xiàn)場試驗在箬橫1 號高架橋29號墩右幅的3 根基樁進行平衡堆載試驗，在椒江1號高架橋77 號墩右幅3 根基樁進行不平衡堆載試驗。

本工程橋梁基樁試驗位置經(jīng)過的主要是沿海吹填區(qū)域，大部分區(qū)域軟土層深厚，局部路段60 m下有較厚的卵石層，工程地質(zhì)條件差，軟土層多超過20 m，巖石埋深超過120 m。基巖面以上中、下部土層主要為粉質(zhì)黏土，承載能力相對較差。

3 平衡堆載試驗

平衡堆載試驗區(qū)域鉆孔 ZKC134 位于K183+099.80 以左51.1 m 位置處，鉆孔地勘值顯示②-2 和②-3 土層為淤泥質(zhì)黏土，土質(zhì)較差，而且土層厚度達到24 m 左右。地表以下為2 m 左右粉質(zhì)黏土，2 m 以下為24 m 左右淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土軟弱土層，狀態(tài)為流塑，高壓縮性。地基土地表以下2 m左右可見地下水位，含水率較高，飽和度達到95%以上。

3.1 試驗方案

試驗橋梁基樁為箬橫1號高架橋29號墩右幅工程樁，采用GPS-250 正循環(huán)回旋鉆鉆孔施工工藝進行施工，3 根基樁（SZ4～SZ6）從2013年1月14日開始鉆孔、成孔、灌注混凝土，于2013年1月25 日全部灌注混凝土成樁。樁底標高-81.0 m，樁徑均為1.5 m，樁端持力層為黏土。

受現(xiàn)場實際條件的制約，因周圍為農(nóng)田，故選用堆土為梯形形狀，對稱填土堆載，研究平衡堆載條件下橋梁基樁的受力性狀。堆載梯形上表面平面尺寸為14 m×4 m，下表面尺寸為24 m×16 m?；鶚禨Z4、SZ5、SZ6 位于堆載的中軸線上，樁間距為5.6 m，堆載高度為4 m，堆載尺寸示意圖如圖1 所示。

圖1 堆載尺寸示意圖(單位:m)Fig.1 Schematic diagram of surcharge load(unit:m)

采用鋼筋計來測量樁身各個截面軸力變化，如圖2 所示，自上而下在圖中對應(yīng)標高截面處布置兩根鋼筋計，在H 范圍內(nèi)（即標高在+2.68 m～- 31.32 m內(nèi)），自上而下每間隔1.5 m 對稱布置兩根鋼筋計（此布置未在圖中顯示鋼筋計符號），以上重復(fù)時，布置4 根鋼筋計。這樣布置鋼筋計一方面是由于基樁樁長較長達到83.68 m 左右，考慮施工過程中鋼筋計可能部分被損壞；另一方面是由于負摩阻力主要出現(xiàn)在樁身上段，因而上段部分布置較密集。如圖2 所示。

圖2 SZ4～SZ6 鋼筋計布置圖Fig.2 Arrangement plan of stress gauges of piles SZ4-SZ6

由于本試驗橋梁基樁的上部結(jié)構(gòu)尚未完成，樁頂沒有施加樁頂荷載，樁頂僅是填土作用的荷載。堆載之前按照設(shè)計的梯形堆載方案進行放樣，然后于2013年9月17 日上午開始填土堆載，當日下午完成設(shè)計要求堆載。由于本試驗條件有限，堆載時沒有對樁頂進行隔離措施，而是直接將填土掩埋樁頂，但這并不影響樁側(cè)摩阻力的特性。試驗從9月份持續(xù)到12月份，先后進行了6 次測試。不同測試時間列于表1。

表1 不同測試時間記錄表Table 1 Different test times

3.2 試驗結(jié)果與分析

3.2.1 樁身軸力測試結(jié)果

通過實測結(jié)果分析，SZ4～SZ6 樁身軸力不同測試階段隨深度變化如圖3 所示。

由圖可以看出，3 根試樁樁身軸力在堆載之后先增大后減小，且樁身軸力在堆載之后前一個月內(nèi)變化較大，在堆載之后1～3 個月之內(nèi)，樁身軸力變化較小，可認為堆載之后3 個月土體固結(jié)基本達到穩(wěn)定狀態(tài)。由圖3(a)可知，SZ4 樁身軸力在堆載之后先增大后減小即產(chǎn)生了負摩阻力，堆載一個月后樁身最大軸力為2 804 kN，堆載3 個月后樁身最大軸力為2 836 kN，均出現(xiàn)在標高-28.0 m 左右位置處，軸力大小相差只有0.8%，說明土體固結(jié)基本達到穩(wěn)定，由于試驗中基樁樁頂上掩埋4 m 高填土堆載，按照填土重度為21 kN/m3計算，相當于樁頂施加了150 kN 左右的荷載，若考慮樁頂上掩埋土堆載的影響時，產(chǎn)生的最大負摩阻力總和約為2 650 kN，中性點位置離樁頂約30 m 深度處（即-28 m 標高位置處）。由圖3(b)可知，中心樁SZ5 從堆載1 個月到3 個月，樁身最大軸力由2 874 kN 變?yōu)? 000 kN，大小相差4.4%，若考慮樁頂上掩埋土作為樁頂荷載的影響時，產(chǎn)生的最大負摩阻力總和約為2 850 kN，中性點位置離樁頂約29 m 深度處（即-26.32 m 標高位置處）。由圖3(c)可知，SZ6 從堆載1 個月到3個月，樁身最大軸力由2 680 kN 變?yōu)? 717 kN，大小相差1.4%，若考慮樁頂上掩埋土作為樁頂荷載的影響時，產(chǎn)生的最大負摩阻力總和約為2 560 kN，中性點位置離樁頂約30 m 深度處（即-28 m 標高位置處）。此外，由圖3 還可以看出，由于樁端持力層為黏土層，基樁為摩擦樁，樁端端阻力較小，這也符合摩擦樁的特性。

圖3 SZ4～SZ6 樁身軸力不同測試階段隨深度變化圖Fig.3 Variations of pile axial force with depth for pile SZ4-SZ6 under different testing times

雖然實測的3 根基樁樁身軸力有一定的差異。但各樁的摩阻力變化規(guī)律較類似，均出現(xiàn)明顯的負摩阻力現(xiàn)象，堆載3 個月后，最大和最小的負摩阻力總和相差11.3%，中性點深度位置相差不大，大概在29～30 m 范圍內(nèi)。因此，土體固結(jié)達到穩(wěn)定之后，即3 個月左右之后，3 根樁的樁身軸力和中性點位置差別均較小，可通過取3 根試樁的負摩阻力和中性點位置平均值作為此吹填區(qū)域橋梁基樁在堆載作用下的負摩阻力大小和中性點位置，即基樁負摩阻力總和取均值為2 687 kN，中性點位置取為29.5 m 深度位置處。由于現(xiàn)場對3 根試樁進行了靜載試驗，測試得到的基樁極限承載力均為13 531 kN，因此，負摩阻力總和約為基樁極限承載力的19.86%，在深厚軟土地區(qū)設(shè)計橋梁樁基時應(yīng)考慮負摩阻力的影響。

3.2.2 樁側(cè)負摩阻力分析

堆載3 個月后土體基本達到固結(jié)穩(wěn)定狀態(tài)，樁側(cè)摩阻力趨于穩(wěn)定，此時試驗基樁側(cè)摩阻力分布規(guī)律如圖4 所示。由圖可知，在堆載作用下，樁側(cè)開始出現(xiàn)負摩阻力，然后到達中性點之后轉(zhuǎn)為正摩阻力，3 根試樁樁身側(cè)摩阻力變化規(guī)律總體上相似。由于地表以下2 m 左右深度土層為粉質(zhì)黏土，粉質(zhì)黏土以下24 m 左右為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，因此，靠近地表附近出現(xiàn)側(cè)摩阻力先增大后減小現(xiàn)象。越靠近中性點位置，樁-土相對位移較小，側(cè)摩阻力因為沒有充分發(fā)揮出來而表現(xiàn)較小值。此外，中性點以上淤泥軟弱土層基樁負摩阻力約為10～20 kPa，中性點以下基樁正摩阻力值約為10～36 kPa。在樁端附近，由于樁的位移相對樁周土較大，側(cè)摩阻力發(fā)揮較充分，出現(xiàn)增大趨勢。此外，對比地勘資料提供的側(cè)摩阻力標準值可知，負摩阻力約為對應(yīng)土層側(cè)摩阻力標準值的66%～83%。

圖4 SZ4～SZ6 樁側(cè)摩阻力隨深度變化曲線Fig.4 Variations of pile side friction with depth for pile SZ4-SZ6

4 不平衡堆載試驗

不平衡堆載試驗區(qū)域鉆孔ZKC38 鉆孔地勘資料顯示地表以下②-1 和②-3 土層為淤泥質(zhì)軟弱土，土質(zhì)較差，且土層厚度達到24.5 m 左右，狀態(tài)為流塑，高壓縮性。試驗區(qū)地下水位較高，含水率高，飽和度達到90%以上。

4.1 試驗方案

不平衡堆載試驗橋梁基樁為椒江1號高架橋77號墩右幅工程樁，采用ZD300 氣舉式反循環(huán)回旋鉆鉆機鉆孔施工工藝，配備泥漿凈化器。3 根基樁（SZ1～SZ3）從2013年12月27 日開始鉆孔、成孔、灌注混凝土，于2014年1月27 日全部灌注混凝土成樁。樁底標高為-69.0 m，樁長為71.5 m，樁徑均為1.5 m，樁端持力層為黏性土圓礫。

不平衡堆載先按照堆載方案進行放線，挖機按照放線尺寸進行堆載，堆載時按照1 m 分層厚度均勻堆載，堆載高度為3 m，堆載所用土體為含礫黏土，平均密度為1 823 kg/m3。堆載為梯形狀，上表面平面尺寸為14.2 m×5 m，下表面尺寸為22.6 m×13.4 m。堆載長邊方向與基樁SZ1、SZ2、SZ3 的中軸線平行，樁間距為5.6 m，堆載高度為3 m，堆載尺寸示意圖如圖5 所示。

圖5 堆載示意圖Fig.5 Schematic diagram of surcharge load

為了研究不平衡堆載對樁基及周圍土體的水平位移影響規(guī)律，分別在樁中及周圍土體內(nèi)埋設(shè)了測斜管（共4 根），如圖5 所示，其中1#和2#測斜管埋設(shè)在土體內(nèi)，3#和4#測斜管分別埋設(shè)在邊樁和中心樁內(nèi)，測斜管埋設(shè)深度均為30 m。

由于堆載是在1 d 內(nèi)完成，屬于快速加載，所以樁基會在短時間內(nèi)變形比較大，為了能夠較為準確地觀察到堆載對樁基作用隨時間的變化，所以在堆載前期測試時間較密，待樁基變形穩(wěn)定后，測試時間間隔長一些。本工程測試時間間隔分別為堆載后2，4，7，10，14，19，29，44，74 d。

4.2 試驗結(jié)果與分析

4.2.1 水平位移測試結(jié)果

（1）土中測斜管實測結(jié)果

通過實測結(jié)果分析，樁間土體中1#測斜管測試結(jié)果如圖6 所示，自由土體中2#測斜管測試結(jié)果如圖7 所示。

圖6 1#測斜管不同時間階段測試結(jié)果Fig.6 Testing results at different times for #1 inclinometer

由圖6(a)可知，最大位移出現(xiàn)在距樁頂4～5 m范圍之內(nèi)，堆載74 d 之后最大土體位移為148.4 mm，在距離樁頂20 m 處位移基本為0。根據(jù)圖6(b)，樁間土體在前7 d 變化比較大，7 d 之后為穩(wěn)定的小變形。

圖7 2#測斜管不同時間階段測試結(jié)果Fig.7 Testing results at different times for #2 inclinometer

由圖7(a)可知，最大位移出現(xiàn)在距樁頂4～5 m范圍之內(nèi)，堆載74 d 之后最大土體位移為237.4 mm，在距離樁頂20 m 處土體位移基本為0。根據(jù)圖7(b)，自由土體在前7 d 變形比較大，7 d 之后為穩(wěn)定的小變形，14 d 之后土體位移基本為0，達到穩(wěn)定狀態(tài)。通過對1#和2#測斜管試驗結(jié)果對比可知，樁間土體最大位移要比同位置自由土體最大位移小88.7 mm，這說明堆載之后，樁對土體變形有很好的遮攔作用，這主要是樁的被動側(cè)出現(xiàn)明顯的土拱效應(yīng)，將被動荷載傳遞到樁上，從而導(dǎo)致樁間土體變形減小。

（2）樁基內(nèi)測斜管實測結(jié)果

為了研究不平衡堆載對鄰近樁基水平位移影響，現(xiàn)場試驗中主要在邊樁SZ1 和中心樁SZ2 中埋設(shè)了測斜管，測斜管分別為3#、4#測斜管。其中邊樁SZ1 內(nèi)的3#測斜管測試結(jié)果如圖8 所示，中心樁SZ2 內(nèi)的4#測斜管測試結(jié)果如圖9 所示。

由圖8(a)可知，樁身最大位移出現(xiàn)在樁頂，樁身位移曲線成倒三角形，在距樁頂17 m 處出現(xiàn)拐點，在20 m 之后位移基本為0。堆載74 d 之后最大土體位移為68.2 mm，根據(jù)圖8(b)，樁身在前7 d變化比較大，7 d 之后發(fā)生穩(wěn)定的小變形，74 d 之后土體位移變形速率為0.25 mm/d，基本達到穩(wěn)定狀態(tài)。

圖8 3#測斜管不同時間階段測試結(jié)果(邊樁SZ1)Fig.8 Testing results at different times for #3 inclinometer(side pile SZ1)

由圖9(a)可知，SZ2 中樁的最大位移出現(xiàn)在樁頂，樁身位移曲線成倒三角形，在距樁頂15 m 之后開始發(fā)生突變，在20 m 之后位移基本為0。堆載74 d 之后最大土體位移為105.4 mm，根據(jù)圖9(b)，樁身在前7 d變化比較大，7 d之后發(fā)生穩(wěn)定小變形，74 d 之后樁頂土體最大位移為0.26 mm，基本達到穩(wěn)定狀態(tài)。

4.2.2 土拱效應(yīng)分析

為了研究不平衡堆載下土拱效應(yīng)規(guī)律，對比樁間土與自由土，以及對比邊樁和中心樁的水平位移變化規(guī)律，現(xiàn)將與堆載邊線相同距離的樁間土中的1#測斜管和自由土中的2#測斜管在74 d 之后的測試結(jié)果繪制于圖10，邊樁和中心樁內(nèi)的測斜管在74 d之后的測試結(jié)果繪制如圖11 所示。

圖9 4#測斜管不同時間階段測試結(jié)果(中心樁SZ2)Fig.9 Testing results at different times for #4 inclinometer(center pile SZ2)

圖10 樁間土與自由土位移曲線Fig.10 Displacement curves of soil between piles and free soil

由圖10 可知，堆載74 d 之后，自由土體最大位移近250 mm，樁間土體最大位移為150 mm，在上部5 m 深度范圍內(nèi)，自由土位移近似是樁間土位移的兩倍，在距地面超過8 m 深度之后，樁間土和自由土位移基本相同，超過20 m 深度之后位移基本為0。所以，堆載對土體的影響主要在距地面20 m深度范圍內(nèi)，在10 m 深度內(nèi)影響最為明顯，樁基對土體的遮攔作用主要在距地面8 m 深度范圍內(nèi)。由圖11 可知，堆載74 d 之后，中樁SZ2 的位移整體上都要大于邊樁SZ1 的位移，在上部15 m主要變形范圍內(nèi)，中樁SZ2 的位移平均是邊樁SZ1位移的2 倍。根據(jù)Chen 等[14]的室內(nèi)試驗研究，當樁間距小于8 倍樁徑時，樁間會出現(xiàn)土拱現(xiàn)象[15]，而本試驗樁間距為樁徑的3.7 倍，所以樁間會存在土拱效應(yīng)，而SZ2 是中樁，所以受到兩個土拱的作用，而SZ1為邊樁，僅受到一側(cè)土拱作用的，所以SZ2 的位移近似是SZ1 位移的兩倍。

圖11 中樁與邊樁位移曲線Fig.11 Displacement curves of center pile and side pile

5 結(jié) 論

（1）平衡堆載試驗中，堆載高度達到4 m，堆載面積為24 m×16 m 時，基樁負摩阻力總和達到2 687 kN 左右，中性點深度約為29.5 m。因此，在橋梁建設(shè)時應(yīng)充分考慮大面積堆載下負摩阻力對橋梁基樁的影響，而不能將樁身全部按照正摩阻力進行設(shè)計計算，負摩阻力的存在大大降低了橋梁基樁的工程荷載。

（2）平衡堆載后基樁軸力在不同測試階段不一樣，樁側(cè)負摩阻力隨時間而變化，堆載達到3 個月左右時，3 根試樁側(cè)摩阻力基本達到穩(wěn)定，說明負摩阻力存在明顯的時效性，在工程中宜考慮負摩阻力的時效性影響。

（3）不平衡堆載對吹填區(qū)的影響主要在距離地面20 m 范圍之內(nèi)，土中最大位移出現(xiàn)在距離地面4～5 m 左右，而樁身最大位移出現(xiàn)在樁頂，堆載后一周內(nèi)，樁和土的位移變化速率最大。當堆載僅為3 m 高時，樁身最大位移已經(jīng)達到105.4 mm，說明在吹填區(qū)不平衡堆載對樁基的影響非常大，吹填區(qū)樁基的水平承載力是非常弱的。通過對樁間土位移與自由土體位移的對比可知，自由土體最大位移要比樁間土最大位移要小88.7 mm，說明樁基對土體的位移有很好的遮攔作用，證明了土拱效應(yīng)的存在，同時，樁上部15 m 范圍內(nèi)，中樁水平向位移近似是邊樁的兩倍進一步證明了土拱效應(yīng)的存在。

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