考慮壓實(shí)度的填土場(chǎng)基樁負(fù)摩阻力試驗(yàn)

2

(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢) 工程學(xué)院，湖北 武漢 430074； 2.安徽省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230088)

隨著我國(guó)城鄉(xiāng)一體化建設(shè)進(jìn)程的加快，大量?jī)?yōu)質(zhì)土地資源逐漸向商業(yè)、住宅等方向傾斜，物流園區(qū)、變電站等城市配套基礎(chǔ)設(shè)施不得不向地質(zhì)地貌復(fù)雜的山區(qū)轉(zhuǎn)移。在山區(qū)進(jìn)行基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，需要進(jìn)行大量開挖和回填工作。為節(jié)約時(shí)間，減少不必要的浪費(fèi)，回填過(guò)程中大多會(huì)就近取土并進(jìn)行一定的處理。由于回填工藝和施工時(shí)間的不同，回填效果也會(huì)有一定的差別，因而填土孔隙比、固結(jié)度等物理力學(xué)性質(zhì)差異較大。后期使用過(guò)程中，在自然環(huán)境因素和人為因素的雙重影響下填土沉降可能會(huì)大于樁基沉降，引起負(fù)摩阻力，可能會(huì)造成樁身破壞、樁端地基屈服或破壞以及上部結(jié)構(gòu)不均勻沉降等現(xiàn)象[1]，嚴(yán)重影響基礎(chǔ)設(shè)施使用。因此山區(qū)填土場(chǎng)基樁設(shè)計(jì)使用過(guò)程中考慮由填土沉降引起的負(fù)摩阻力十分必要。

國(guó)內(nèi)外已經(jīng)系統(tǒng)地開展了關(guān)于基樁負(fù)摩阻力的模型試驗(yàn)研究，并取得了一定的成果。Shibatat等[2]利用室內(nèi)模型試驗(yàn)證實(shí)了樁基負(fù)摩阻力發(fā)展存在明顯時(shí)間效應(yīng)；Ergun[3]利用模型試驗(yàn)研究樁間距對(duì)負(fù)摩阻力群樁效應(yīng)的影響；孔綱強(qiáng)等[4]通過(guò)基樁模型試驗(yàn)，系統(tǒng)地分析了中性點(diǎn)、樁身下拉力等隨地基土固結(jié)時(shí)間的變化關(guān)系；吳一偉等[5]通過(guò)室內(nèi)模型試驗(yàn)對(duì)砂土液化后固結(jié)沉陷引起的基樁負(fù)摩阻力進(jìn)行研究，深入研究了基樁負(fù)摩阻力與地面沉降之間的關(guān)系；王長(zhǎng)丹等[6]對(duì)采用土工離心模型試驗(yàn)進(jìn)行基樁負(fù)摩阻力研究，并分析了單樁負(fù)摩阻力分布規(guī)律及中性點(diǎn)位置的變化規(guī)律；戴國(guó)亮等[7]通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)相比于圍載作用，邊載作用下砂土樁沉降、負(fù)摩阻力偏小，中性點(diǎn)位置偏高。

現(xiàn)今山區(qū)填土場(chǎng)修建的各類構(gòu)建筑物對(duì)基樁變形要求較高，而設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)填土的壓實(shí)度考慮較少，大多直接按照樁基礎(chǔ)思路進(jìn)行設(shè)計(jì)[1]，實(shí)際處理效果不甚理想。此外對(duì)于各類填土場(chǎng)樁基負(fù)摩阻力，國(guó)內(nèi)相關(guān)研究主要關(guān)注于地表堆載形式及傳遞機(jī)理等方面，填土壓實(shí)度等土體物理力學(xué)參數(shù)對(duì)基樁負(fù)摩阻力影響的研究還不夠完善。綜上所述，本文開展填土場(chǎng)地基樁負(fù)摩阻力試驗(yàn)，對(duì)試驗(yàn)過(guò)程中的基樁軸力、沉降、樁底反力、負(fù)摩阻力進(jìn)行測(cè)試分析；探討不同填土壓實(shí)度下樁頂荷載與沉降關(guān)系、樁身軸力分布、樁身側(cè)摩阻力分布以及中性點(diǎn)位置的變化規(guī)律，以加深對(duì)填土地區(qū)基樁負(fù)摩阻力的認(rèn)識(shí)，并為其設(shè)計(jì)優(yōu)化提供一定的建議。

1 模型試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)過(guò)程

1.1 模型試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)

基樁模型試驗(yàn)是根據(jù)基樁的實(shí)際工作狀態(tài)和研究需求，通過(guò)較精確的設(shè)定和控制邊界條件、樁土材料特性，建立與原型具有相似性規(guī)律的模型，研究樁基的受力、變形等特性變化規(guī)律[8-11]。

參考國(guó)內(nèi)外相類似的樁基模型試驗(yàn)裝置[11-16]，考慮模型試驗(yàn)的相似特性，試驗(yàn)主體框架由試驗(yàn)箱、加載框架、反力架、加載油缸等組成；其中，試驗(yàn)箱為直徑1 000 mm、高1 200 mm鋼制圓筒，底部完整封閉，頂部設(shè)有給樁周土加載的加載板。模型樁采用了長(zhǎng)度為900 mm、外徑60 mm、壁厚為5 mm的封口有機(jī)玻璃管。為消除測(cè)試過(guò)程中各類電纜對(duì)側(cè)摩阻力的影響，將模型樁切半后，將應(yīng)變片導(dǎo)線從樁頂側(cè)壁穿孔引出，再組裝粘接在一起。為增加有機(jī)玻璃管與填土的接觸摩擦力，在粘接閉合后的有機(jī)玻璃管外側(cè)粘結(jié)粒徑不同的砂礫，處理后樁徑為61.5 mm，彈性模量經(jīng)測(cè)試為2.79×103MPa，如圖1所示。

注：1.加載油缸； 2.載荷計(jì)； 3.位移傳感器； 4.加載框架； 5.反力架； 6.樁模型； 7.應(yīng)變傳感器； 8.土壓力盒； 9.填土； 10.原狀土圖1 模型試驗(yàn)裝置示意Fig.1 Schematic diagram of model test apparatus

模型箱填料取自工業(yè)園區(qū)場(chǎng)地回填土，為保證試驗(yàn)的準(zhǔn)確性，經(jīng)土工試驗(yàn)測(cè)試判定為粉質(zhì)黏土，各項(xiàng)土體參數(shù)見表1。試驗(yàn)用土分為上下兩層，各層填料分層鋪填并壓實(shí)，下層填料模擬原狀土，上層填料用于模擬填土，基樁深入下部原狀填土層。受限于模型箱尺寸及壓實(shí)操作的便捷性，下部土層壓實(shí)度控制為95%；上層填土根據(jù)試驗(yàn)需求設(shè)置不同壓實(shí)度。為降低邊界效應(yīng)的影響，填土裝填前在模型箱壁均勻涂抹固態(tài)潤(rùn)滑油并覆蓋塑料薄膜，以減少箱壁摩擦力。

數(shù)據(jù)的測(cè)試與采集由位移傳感器、載荷計(jì)、土壓力盒、應(yīng)變片等位移應(yīng)力應(yīng)變傳感器、靜態(tài)應(yīng)變儀及筆記本電腦組成。樁頂和加載架頂部分別設(shè)置載荷計(jì)和位移傳感器用于記錄樁頂和樁周土的載荷以及沉降；樁底布設(shè)土壓力盒用于采集樁底反力；樁體內(nèi)部每隔100 mm布置應(yīng)變片用于收集樁體形變，并通過(guò)換算得到基樁軸力。

表1 土樣主要物理性質(zhì)指標(biāo)Tab.1 The parameters of silt clay used in tests

模型試驗(yàn)裝置實(shí)物圖如圖2所示。此裝置可實(shí)現(xiàn)基樁及樁周土獨(dú)立加、卸載，并能夠?qū)鶚遁d荷、軸力、反力、沉降以及樁周土的載荷、沉降進(jìn)行數(shù)據(jù)自動(dòng)采集。

圖2 模型試驗(yàn)裝置實(shí)物Fig.2 Model test apparatus

1.2 試驗(yàn)對(duì)照組設(shè)計(jì)及試驗(yàn)操作步驟

根據(jù)試驗(yàn)?zāi)康?，以填土層的壓?shí)度作為變量，結(jié)合某建筑回填工程所揭示的填土壓實(shí)度范圍[17]，將各對(duì)照組的填土壓實(shí)度設(shè)置為75%,80%,85%,90%，填土壓實(shí)度采用分層人工稱重壓實(shí)法進(jìn)行控制，各試驗(yàn)對(duì)照組參數(shù)設(shè)置如表2所示。

表2 試驗(yàn)對(duì)照組參數(shù)Tab.2 The parameters of the model tests

模型箱填土及模型試驗(yàn)裝置拼裝調(diào)試完成后靜置12 h使填土內(nèi)部自重調(diào)節(jié)，并對(duì)模型樁進(jìn)行預(yù)壓，保證模型樁與加載儀器之間接觸良好。使用快速荷載維持法[18]對(duì)樁頂分級(jí)加載，最大加載量為300 N，加載分10級(jí)加載，每隔1 h加載一級(jí)；樁頂加載完后，對(duì)樁周土分級(jí)加載至40 kPa并持續(xù)到試驗(yàn)結(jié)束。加載過(guò)程中注意補(bǔ)充千斤頂油壓，保證載荷穩(wěn)定。對(duì)試驗(yàn)過(guò)程中的基樁軸力、位移及土層沉降進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，當(dāng)測(cè)值趨于穩(wěn)定時(shí)可認(rèn)為沉降趨于穩(wěn)定，對(duì)基樁分級(jí)卸載。

2 模型試驗(yàn)結(jié)果及分析

按照試驗(yàn)?zāi)康墓策M(jìn)行4組不同壓實(shí)度的基樁負(fù)摩阻力模型試驗(yàn)，將填土層壓實(shí)度分別選取75%，80%，85%，90%。試驗(yàn)表明隨填土層壓實(shí)度增加，基樁負(fù)摩阻力逐漸減小，中性點(diǎn)上移，變化速率逐漸放緩。

2.1 樁頂載荷與基樁沉降關(guān)系

基樁分10級(jí)加載到300 N，每級(jí)加載30 N。圖3為不同壓實(shí)度填土中樁頂載荷與沉降的關(guān)系。

圖3 樁頂加載與樁頂沉降關(guān)系曲線Fig.3 Relationship between load-unload of pile top and settlement of pile

由圖3可知，不同壓實(shí)度填土中基樁載荷與沉降的變化規(guī)律基本一致，呈近似線性關(guān)系。隨填土層壓實(shí)度的增加，樁頂最大沉降逐漸減少，90%壓實(shí)度填土層中基樁沉降為3.20 mm，相比于75%時(shí)樁頂沉降位移減少了28.1%。在加載及沉降結(jié)束后分級(jí)卸載過(guò)程中，基樁沉降均呈現(xiàn)出線性的變化規(guī)律，這是由于樁頂加載量較小，樁體、樁周土和樁底土體均處于彈性變形階段；基樁最終沉降量隨填土壓實(shí)度的增加而減少，90%壓實(shí)度時(shí)基樁最大沉降量為1.32 mm，是75%壓實(shí)度時(shí)的52.5%。此外，樁土接觸面與實(shí)際接觸面有一定出入、樁頂載荷值較大以及受試驗(yàn)不可排除的偶然誤差等因素的影響，加載過(guò)程中基樁沉降量偏大[19]。

2.2 填土沉降與時(shí)間的變化關(guān)系

由圖4可知，填土層隨時(shí)間逐漸沉降，填土沉降先快后慢，75%壓實(shí)度的填土120 h時(shí)沉降值達(dá)到6.9 mm；隨填土壓實(shí)度增加，土體沉降逐漸減少，呈現(xiàn)出先快后慢的趨勢(shì)，90%壓實(shí)度填土沉降近似于直線型，120 h沉降量為3.8 mm。由2.1節(jié)可知，填土沉降過(guò)程中基樁位移趨于零，故樁土相對(duì)位移可近似用填土沉降代替；即樁土相對(duì)位移的變化趨勢(shì)與填土層沉降的變化趨勢(shì)一致。

圖4 填土沉降與時(shí)間關(guān)系Fig.4 Relationship between settlement and time

2.3 樁頂載荷與樁底反力關(guān)系

由圖5可知，隨基樁樁頂載荷逐漸增大，樁底反力隨之線性增大。填土壓實(shí)度對(duì)基樁沉降曲線的斜率有顯著影響，隨壓實(shí)度的增長(zhǎng)樁頂載荷與樁端阻力變化線的斜率逐漸減少。樁周土沉降后，樁底反力進(jìn)一步增大，75%壓實(shí)度填土中樁底反力增加了150.3 N，而90%壓實(shí)度時(shí)僅增長(zhǎng)了134.0 N，增長(zhǎng)幅度隨壓實(shí)度的增加而逐漸減少。分級(jí)卸載后樁底反力線性減少，即試驗(yàn)過(guò)程中樁周土和樁底土處于彈性階段；卸載后基樁僅承擔(dān)填土引起的負(fù)摩阻力。不同壓實(shí)度的填土對(duì)基樁引起的負(fù)摩阻力不同，隨壓實(shí)度的增加，填土沉降和樁土相對(duì)位移逐漸減小，由負(fù)摩阻力引起的下拉力逐漸減小。

圖5 樁頂加載與樁底反力關(guān)系曲線Fig.5 Relationship between load on pile top and tip resistance

2.4 樁身軸力與深度、時(shí)間的變化關(guān)系

將填土與基樁接觸點(diǎn)定義為零點(diǎn)，向下為正方向，樁頂載荷值為樁身軸力，繪制不同壓實(shí)度情況下不同時(shí)刻基樁軸力分布圖，如圖6所示。

圖6 不同填土壓實(shí)度軸力—深度關(guān)系Fig.6 Relationship between axial force of pile and depth of pile under different compaction degrees

圖7 不同填土壓實(shí)度側(cè)摩阻力—深度關(guān)系Fig.7 Relationship between friction resistance of pile and deepth of pile

由圖6可知，基樁軸力在不同時(shí)刻沿深度增加方向先增大后減小，在0～48 h內(nèi)軸力增長(zhǎng)較快，在48～120 h內(nèi)軸力增長(zhǎng)較慢逐漸趨于穩(wěn)定。在填土表層一定深度范圍內(nèi)基樁軸力的增長(zhǎng)幅度較小，這是同一壓實(shí)度下填土埋深較淺、側(cè)向土壓力較小導(dǎo)致。隨填土沉降時(shí)間增加，土體沉降增加，樁土相對(duì)位移量增加，基樁負(fù)摩阻力影響區(qū)擴(kuò)展，引起的下拉力不斷累積增大，軸力最大點(diǎn)逐漸下移。隨填土壓實(shí)度增加，基樁軸力變化幅度和速率逐漸減小，樁端土載荷逐漸減小，基樁軸力最大點(diǎn)逐漸上移，填土壓實(shí)度為75%時(shí)基樁最大軸力達(dá)495.6 N，壓實(shí)度為90%的填土中軸力達(dá)425.1 N，降低了14.2%。

2.5 側(cè)摩阻力與深度、時(shí)間的變化關(guān)系

由圖7可知，基樁負(fù)摩阻力隨深度先增加后減少，樁體上部負(fù)摩阻力增長(zhǎng)速率快于下部，這是填土層上部樁-土相對(duì)位移大于下部，從而導(dǎo)致負(fù)摩阻力上部大于下部，這與Ergun等[3]所得結(jié)果一致。隨深度增加，基樁側(cè)摩阻力由負(fù)變?yōu)檎ψ枇χ饾u增大并趨于平緩；隨填土固結(jié)時(shí)間增加，同一壓實(shí)度下基樁負(fù)摩阻力逐漸增大，中性點(diǎn)位置逐漸下移，由負(fù)摩阻力引起的下拉力逐漸增大，基樁側(cè)摩阻力變化速率逐漸減慢。

統(tǒng)計(jì)不同填土壓實(shí)度下的基樁中性點(diǎn)位置和由負(fù)摩阻力引起的下拉力，結(jié)果如表3所示。

由表3可知，隨填層壓實(shí)度增高，基樁中性點(diǎn)逐漸上移。在本試驗(yàn)條件下中性點(diǎn)位置由582 mm上升至396 mm，中性比由0.65上升至0.44；其主要原因是填土沉降隨壓實(shí)度的增高而減少，樁土相對(duì)位移量減少。填土沉降120 h后，由負(fù)摩阻力引起的下拉力也在逐步減小，75%壓實(shí)度的填土引起的下拉力高達(dá)146.5 N，是90%填土壓實(shí)度的2.63倍。此現(xiàn)象出現(xiàn)的原因一方面是壓實(shí)度較小的填土所能提供的側(cè)向土壓力有限，另一方面是樁土相對(duì)位移隨壓實(shí)度的增高而逐漸降低。

表3 不同填土壓實(shí)度與負(fù)摩阻力特征關(guān)系Tab.3 Relationship between different filling compaction degree and plie negative skin friction characteristics

3 綜合討論分析

由于試驗(yàn)過(guò)程中存在油缸泄壓、應(yīng)變片粘結(jié)不恰當(dāng)、引線干擾等一系列問題，測(cè)試結(jié)果出現(xiàn)一定的誤差，但其基本變化趨勢(shì)較為清晰。綜上可知，填土沉降具有明顯的時(shí)間效應(yīng)；隨時(shí)間增長(zhǎng)填土沉降、樁土相對(duì)位移增大，基樁軸力、負(fù)摩阻力也逐漸增加，中性點(diǎn)位置逐漸下移。填土上部相對(duì)位移較大，但其作用于樁周的側(cè)向土壓力較小，導(dǎo)致基樁受到的向下摩擦力較?。浑S樁周土側(cè)向壓力增大，基樁負(fù)摩阻力增大，一定深度時(shí)基樁負(fù)摩阻力開始減小，這時(shí)隨深度增加樁土相對(duì)位移量減少并開始轉(zhuǎn)換為基樁沉降大于土體沉降。上述事實(shí)表明樁土相對(duì)位移量和樁周土側(cè)向壓力是基樁負(fù)摩阻力的控制條件。

沉降120 h后，相比于75%壓實(shí)度的填土，90%壓實(shí)度填土引起的基樁負(fù)摩阻力最大值減少了19.5%，下拉力減少了60.2%，中性點(diǎn)位置上移了32%。由此可知，不同壓實(shí)度的填土對(duì)基樁負(fù)摩阻力、中性點(diǎn)位置具有明顯的影響。隨填土壓實(shí)度增大其對(duì)應(yīng)的表層及下部沉降越小，在基樁位移一定的情況下，樁土相對(duì)位移也隨之越小，且樁土相對(duì)位移為零的點(diǎn)也隨之逐漸上移，因此產(chǎn)生的負(fù)摩阻力就越小，基樁中性點(diǎn)位置向上移動(dòng)。

4 結(jié)論與建議

(1) 填土區(qū)樁側(cè)負(fù)摩阻力、中性點(diǎn)位置等發(fā)展演化都存在明顯的時(shí)間效應(yīng)，樁土相對(duì)位移量和樁周土側(cè)向壓力是基樁側(cè)摩阻力的控制條件。

(2) 不同壓實(shí)度的填土對(duì)基樁沉降、樁底反力、軸力、負(fù)摩阻力、下拉力及中性點(diǎn)位置具有明顯的影響。隨填土壓實(shí)度增加，基樁沉降、樁底反力、軸力、負(fù)摩阻力減少，中性點(diǎn)位置上移。在本試驗(yàn)條件下，中性點(diǎn)位置上移了32%，基樁軸力最大值減少了14.2%，下拉力減少了60.2%。

(3) 填土場(chǎng)地建設(shè)過(guò)程中應(yīng)充分注意對(duì)填土壓實(shí)度的控制，建議采用填土預(yù)壓等手段提高填土壓實(shí)度，對(duì)于無(wú)法控制填土壓實(shí)度的地區(qū)，應(yīng)充分考慮基樁側(cè)摩阻力發(fā)揮存在時(shí)間效應(yīng)，給予填土更多的自然固結(jié)沉降時(shí)間促使填土自然固結(jié)，減少負(fù)摩阻力的影響。