深厚軟土區(qū)超長樁基壓縮變形測(cè)試及分析

冷伍明　陳琛　徐方　楊奇　聶如松

摘? ?要：提出了一種聯(lián)合運(yùn)用沉降計(jì)和應(yīng)變計(jì)觀測(cè)超長樁基樁身壓縮變形及樁底土壓縮變形的新方法，詳細(xì)介紹了所涉及元器件的安裝方法和施工工藝;實(shí)踐表明該方法的監(jiān)測(cè)深度可達(dá)地表以下100 m，有效完善了深厚軟土區(qū)超長樁基沉降變形測(cè)試技術(shù). 基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和數(shù)值仿真，系統(tǒng)研究了上海地區(qū)超長樁基的壓縮變形規(guī)律及特性. 主要結(jié)論如下：1） 橋梁施工過程中，樁基豎向壓縮變形隨其受載歷史呈“階梯”式增長變化;群樁基礎(chǔ)工后沉降約為5.0 mm，小于相關(guān)規(guī)范規(guī)定的20 mm限值;樁基承臺(tái)的微小變形易導(dǎo)致不同位置基樁的樁頂沉降和樁身軸力存在一定差異. 2） 樁底以下20～30 m范圍內(nèi)土體的總壓縮變形量和單位厚度土層壓縮量已很小，可初步判定上海地區(qū)高速鐵路橋梁超長樁基的樁底土層壓縮影響范圍約為20 m. 3） 沉降計(jì)法測(cè)試所得樁身壓縮變形的精度通常高于應(yīng)變計(jì)法;對(duì)于超長樁基，樁身壓縮變形占樁基總沉降的比例可達(dá)30%～40%，在計(jì)算樁基沉降時(shí)應(yīng)予以考慮. 4） 樁身淺層范圍內(nèi)存在負(fù)摩阻力，距樁頂向下11 m處出現(xiàn)中性點(diǎn)，且中性點(diǎn)位置隨樁基荷載增加有逐步上移的趨勢(shì).

關(guān)鍵詞：超長樁基;深厚軟土區(qū);沉降;現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試;數(shù)值仿真

中圖分類號(hào)：TU473? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Measurement and Analysis of Compression Deformation

of a Super-long Pile Foundation in Deep Soft Deposit

LENG Wuming1，2，CHEN Chen1，XU Fang1，2，YANG Qi1，2，NIE Rusong1，2

（ 1. School of Civil Engineering，Central South University，Changsha 410075，China;

2. National Engineering Laboratory for High Speed Railway Construction，Changsha 410075，China）

Abstract：A new method combined with using single-point settlement gauges and strain gauges was developed to monitor the compression deformation of pile foundation，the compressions of pile shafts and soil layers beneath the pile bottom. The measurement depth of the new-developed method can reach more than 100 m below the ground surface，which effectively replenished the settlement monitoring technology of super-long pile foundations in the deep soft soil. The compression deformation behaviors were then systematically analyzed by field experimental and numerical methods. The main conclusions show that the vertical compression deformation of the pile foundation increaseds in a ladder shape during the construction of the bridge，and the post-construction settlement is approximate to 5.0 mm，which is less than the normative limit （20 mm） of a related design code; small deformation of the pile foundation cap may lead to differences in the settlements and axial forces of piles at different positions; then，the total compression deformations as well as the unit compression of the subsoil layers within 20～30 m below the pile bottom are quite small，hence it can be preliminarily determined that the influencing thickness of the compressible layers below the bottom of super-long pile foundations of high-speed railways in this tested area is approximate to 20 m; moreover，the accuracy of pile compression measured by settlement gauges is generally higher than that measured from strain gauges，and the pile compression can take a proportion as large as 30%～40% of the total pile settlement for a super-long pile foundation，hence it should be considered in calculating the pile foundation settlement; in addition，negative friction resistance appearis in the shallow depth，and there is a neutral plane at 11 m below the top of the pile; furthermore，the position of the neutral plane gradually moves up with the increase of the pile foundation loads.

Key words： super-long pile foundation; deep soft deposit; settlement; field test; numerical simulation

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速增長和城市規(guī)模的不斷擴(kuò)大，大型橋梁和高層建筑在人口稠密的深厚軟土地區(qū)迅速發(fā)展，這對(duì)建（構(gòu)）筑物基礎(chǔ)承載力和變形控制提出了更為嚴(yán)格的要求[1-3]. 超長樁基以其優(yōu)良的承載能力及良好的沉降（和不均勻沉降）控制性能，在深厚軟土區(qū)得以廣泛應(yīng)用（如高速鐵路橋梁樁基）[4-5]. 然而，由于軟土壓縮性高、含水量大、強(qiáng)度低、透水性差和固結(jié)變形持續(xù)時(shí)間長等特點(diǎn)，使超長樁基礎(chǔ)的沉降預(yù)測(cè)及控制成為深厚軟土區(qū)建（構(gòu)）筑物設(shè)計(jì)和建設(shè)中的關(guān)鍵點(diǎn)之一.

國內(nèi)外學(xué)者在樁基沉降變形領(lǐng)域已開展多年研究，并取得豐碩成果. 目前，確定樁基沉降的手段主要分為經(jīng)驗(yàn)法、理論分析法、數(shù)值計(jì)算法和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試. 經(jīng)驗(yàn)法大多基于統(tǒng)計(jì)和分析現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)或模型試驗(yàn)的相關(guān)數(shù)據(jù)，采用經(jīng)驗(yàn)公式估算樁基沉降，往往帶有地域性和經(jīng)驗(yàn)性，適用范圍有限[6-7]. 理論計(jì)算法主要包括等代墩基法[8-9]和彈性解析法[10-11]. 等代墩基法是一種樁基沉降簡(jiǎn)化計(jì)算方法，通常假定樁基為剛性體，承臺(tái)荷載以一定擴(kuò)散角擴(kuò)散至樁底，計(jì)算精度難以保證，且不適用于樁身存在較大壓縮變形的超長樁基. 彈性解析法?；跇锻料嗷プ饔孟禂?shù)和疊加原理[12-13]，對(duì)計(jì)算的初始條件和邊界條件進(jìn)行一定簡(jiǎn)化. 由于實(shí)際工程中初始條件和邊界條件較為復(fù)雜，彈性解析法的計(jì)算結(jié)果通常需要實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行輔證. 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，數(shù)值仿真逐漸成為一種有效的樁基沉降分析方法. 然而，由于土體自身本構(gòu)方程的簡(jiǎn)化及本構(gòu)參數(shù)選取的不確定性，使得數(shù)值計(jì)算值通常也需要現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值加以驗(yàn)證.

不同于以上方法，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試可提供建（構(gòu)）筑物基礎(chǔ)沉降的第一手資料，直觀反映其沉降特性，并為經(jīng)驗(yàn)法、理論分析法和數(shù)值計(jì)算法提供校核依據(jù). 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試方法主要包括水準(zhǔn)測(cè)量[14-15]、分層沉降板法[16-17]、電磁沉降環(huán)法[18-19]和多點(diǎn)沉降計(jì)法[20-22]等. 水準(zhǔn)測(cè)量主要用于觀測(cè)基礎(chǔ)表面沉降，無法獲得樁身壓縮變形和樁底土層壓縮變形等關(guān)鍵數(shù)據(jù). 分層沉降板法需要逐層埋設(shè)沉降板，沉降板在施工中易遭受施工碰撞而發(fā)生偏移，影響測(cè)試結(jié)果精度，且多用于淺基礎(chǔ)沉降觀測(cè)，對(duì)于樁基沉降測(cè)試適用性不強(qiáng). 電磁沉降環(huán)法和多點(diǎn)沉降計(jì)均可測(cè)試樁基沉降，但二者都需要鉆孔安裝，對(duì)樁周土擾動(dòng)大，易導(dǎo)致樁體側(cè)摩阻力降低;另外，鉆孔較深時(shí)，容易塌孔，致使連接桿彎曲破壞而造成元件失效或觀測(cè)精度降低. 綜上，現(xiàn)有的沉降測(cè)試法受到元件埋設(shè)和測(cè)試精度等多方面影響，對(duì)深層土體壓縮變形的監(jiān)測(cè)深度和精度有限. 然而，深厚軟土區(qū)的大型橋梁或高層建筑樁基礎(chǔ)往往可達(dá)70 m，樁底以下土層壓縮變形的測(cè)試成為一個(gè)棘手的問題. 因此，開展軟土地區(qū)超長樁基沉降變形監(jiān)測(cè)方法研究，獲得一種安裝擾動(dòng)小、測(cè)試精確高且能同時(shí)觀測(cè)超長樁基豎向壓縮變形、樁身壓縮變形和樁底深層土體壓縮變形量的監(jiān)測(cè)方法，具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值.

本文以京滬高速鐵路典型試驗(yàn)段為背景，提出一種聯(lián)合運(yùn)用沉降計(jì)和應(yīng)變計(jì)觀測(cè)超長樁基沉降的新方法，詳細(xì)介紹了該方法所涉及元器件的安裝方法和施工工藝，并開展了深厚軟土區(qū)超長樁基壓縮變形測(cè)試研究. 實(shí)踐表明該方法的監(jiān)測(cè)深度可達(dá)地表以下100 m，有效完善了深厚軟土區(qū)超長樁基沉降變形測(cè)試技術(shù). 最后，基于測(cè)試數(shù)據(jù)和有限元仿真結(jié)果，詳細(xì)分析了超長樁基的豎向壓縮變形、樁身壓縮變形和樁底以下土層壓縮變形特性，揭示了樁底以下土層壓縮變形隨荷載、時(shí)間和土層深度的變化規(guī)律.

1? ?工程背景

1.1? ?工程概況

試驗(yàn)工點(diǎn)位于上海市閔行區(qū)華漕鎮(zhèn)，試驗(yàn)橋段為京滬高速鐵路正線蘊(yùn)藻浜特大橋5～7號(hào)橋墩，里程為DK1300+306.530～DK1300+241.130. 5～7號(hào)橋墩分別與滬寧城際動(dòng)車進(jìn)段線特大橋的32～30號(hào)橋墩共基礎(chǔ)，具體結(jié)構(gòu)見圖1（a）. 各橋墩樁基礎(chǔ)布置形式相同，以6號(hào)橋墩為例，群樁基礎(chǔ)包含21根單樁，樁徑為1.0 m，樁長為73 m，單樁豎向容許承載力設(shè)計(jì)值為4 533 kN，承臺(tái)尺寸為23.1 m×8.5 m×2 m，樁基平面布置見圖1（b）. 樁底持力層為9（1）粉砂夾粉土層，樁基立面圖見圖1（c）.

1.2? ?地層條件

試驗(yàn)工點(diǎn)所處地域?yàn)闉I海平原區(qū)，地勢(shì)低平，湖沼洼塘密布，地表水系發(fā)育. 試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)地層為第四系松散堆積層，總厚度超過100 m，以第四系全新統(tǒng)及上更新統(tǒng)海積、沖海積黏性土、粉性土及砂類土為主，具體土層參數(shù)見表1.

2? ?樁基沉降監(jiān)測(cè)方法

樁基沉降測(cè)試內(nèi)容主要包括：樁基豎向壓縮變形量S、樁身壓縮變形量Se和樁底以下H深度范圍內(nèi)土層壓縮變形量Sc;樁基豎向壓縮變形S為樁身壓縮變形量Se與樁底以下H深度范圍內(nèi)土層壓縮變形量Sc之和[23]. 其中，豎向壓縮變形S可通過在距離樁底H深度處埋設(shè)沉降計(jì)觀測(cè)獲得，樁身壓縮變形量Se可通過樁身安裝的應(yīng)變計(jì)或沉降計(jì)觀測(cè)獲得，而樁底H深度范圍內(nèi)土層的壓縮量Sc可表示為：

具體監(jiān)測(cè)時(shí)，樁身壓縮變形采用沉降計(jì)與應(yīng)變計(jì)同步觀測(cè)，兩種方法相互校核;樁底以下土層壓縮變形采用沉降計(jì)監(jiān)測(cè). 以6號(hào)橋墩為例，選取P1～P4號(hào)樁為監(jiān)測(cè)對(duì)象，具體樁位見圖2（a）. 其中，P2號(hào)樁底部和樁身分別埋設(shè)沉降計(jì)和應(yīng)變計(jì)測(cè)試樁身壓縮量Se，P1、P3和P4樁處分別于樁底以下30 m、20 m和5 m深度處埋設(shè)沉降計(jì)測(cè)試變形量，如圖2（b）所示.

3? ?傳感器埋設(shè)與安裝

3.1? ?傳感器

試驗(yàn)所用單點(diǎn)沉降計(jì)是一款基于電感磁通調(diào)頻原理設(shè)計(jì)的智能位移傳感器. 樁身壓縮變形Se和樁基豎向壓縮變形S可分別通過觀測(cè)錨固于樁底和樁底以下H深度處的沉降計(jì)的電磁線圈和導(dǎo)磁體（塞桿）的相對(duì)位置變化（即電信號(hào)位移傳感器）獲得，如圖2（b）和圖3（a）所示.

試驗(yàn)所用應(yīng)變計(jì)是智能弦式數(shù)碼應(yīng)變傳感器，應(yīng)變計(jì)布設(shè)位置如圖3（b）所示. 應(yīng)變計(jì)通過測(cè)量樁身不同截面處的應(yīng)變值，并結(jié)合其埋設(shè)間距l(xiāng)i按式（2）計(jì)算樁身的壓縮變形量Se.

式中：Si為第i段樁身的壓縮變形量; i和 i+1分別為樁身第i和i+1個(gè)截面處的應(yīng)變測(cè)試值. 單點(diǎn)沉降計(jì)和應(yīng)變計(jì)的具體技術(shù)指標(biāo)見表2.

3.2? ?埋設(shè)與安裝工藝

本文所提出的超長樁基沉降測(cè)試方法可同時(shí)測(cè)量樁基沉降、樁身壓縮變形和樁底以下土層壓縮變形;其中，樁底以下沉降計(jì)的安裝和埋設(shè)質(zhì)量決定測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性. 沉降計(jì)的安裝主要分以下五步完成：1）外套鋼管安裝;2）破樁截管與樁底鉆孔;3）內(nèi)套管制作與安裝;4）連接鋼管的制作與安裝;5）沉降計(jì)安裝與埋設(shè). 相關(guān)安裝環(huán)節(jié)如圖4所示.

1）外套鋼管安裝：將外套鋼管焊接在鋼筋籠內(nèi)，調(diào)整其鉛直度，一并下放至樁位孔，相鄰階段外套鋼管通過連接套筒連接焊固，隨鋼筋籠下放至設(shè)計(jì)高度，最后完成混凝土樁澆筑. 第一節(jié)與最后一節(jié)鋼管分別在底部、頂部焊封鋼板，防止混凝土澆筑貫入套管內(nèi). 采用外套鋼管在樁身內(nèi)預(yù)留孔位，引導(dǎo)鉆頭至樁底，可有效避免深長鉆孔中的孔壁坍塌問題.

2）破樁截管與樁底鉆孔：基樁澆筑完成后，破樁并于樁基承臺(tái)底面設(shè)計(jì)標(biāo)高處截?cái)嗤馓卒摴?將鉆頭沿外套鋼管放入樁底，并鉆孔至沉降計(jì)預(yù)設(shè)埋置深度.

3）內(nèi)套管制作與安裝：內(nèi)套鋼管起約束連接鋼管橫向變形、提高沉降測(cè)試精度的作用. 安裝時(shí)，起吊內(nèi)套鋼管下放至一定深度處，并用夾具固定以防止其墜入預(yù)留孔中;相鄰內(nèi)套鋼管采用連接套筒連接，直至內(nèi)套鋼管底部達(dá)設(shè)計(jì)深度.

4）連接鋼管的制作與安裝：連接鋼管起延長沉降計(jì)測(cè)桿的作用. 安裝時(shí)，起吊連接鋼管下放至一定高度處，以夾具固定;相鄰節(jié)段連接鋼管通過螺紋連接套筒連接，往復(fù)循環(huán)直至孔底.

5）沉降計(jì)安裝：連接鋼管下放至孔底后，起吊連接鋼管1.5 m，以夾具固定;截除頂部1.23 m，該長度為沉降計(jì)原始長度（1.13 m）和沉降計(jì)量程的一半（0.1 m）之和;連接鋼管與沉降計(jì)通過螺紋套筒連接后，下放至孔底;提拉沉降計(jì)蛇紋管，調(diào)整初始讀數(shù)以確保讀數(shù)在沉降計(jì)量程的50%～75%范圍;安裝沉降計(jì)法蘭盤，并用水泥砂漿固定.

4? ?有限元模擬

基于Plaxis 3D軟件平臺(tái)，建立群樁基礎(chǔ)三維有限元模型，并結(jié)合實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析京滬高速鐵路正線蘊(yùn)藻浜特大橋6號(hào)橋墩沉降變形特性.

4.1? ?幾何模型

6號(hào)橋墩樁基礎(chǔ)由21根樁徑為1 m的鉆孔灌注樁組成，樁長為73 m，布樁形式如圖2（a）所示. 根據(jù)橋樁布設(shè)形式和對(duì)稱性，選取1/4群樁基礎(chǔ)進(jìn)行有限元建模. 有限元模型的長、寬、高尺寸分別為80.0 m 、16.35 m和116.4 m，其中16.35 m為各群樁基礎(chǔ)中心間距的一半，116.4 m為土層（10）的底部深度. 模型的前、后、左、右四個(gè)面設(shè)置水平位移約束，底部設(shè)置水平和豎向位移約束. 土層（10）之下為可透水砂層，故模型底部設(shè)置為排水邊界，其余各邊界為不排水邊界. 有限元模型采用帶有超孔隙水壓自由度的十節(jié)點(diǎn)四面體單元進(jìn)行離散，模型網(wǎng)格如圖5所示.

4.2? ?模型參數(shù)

土層本構(gòu)關(guān)系采用Plaxis 3D內(nèi)嵌的土體硬化（HS）模型模擬. 該模型采用雙曲線描述土體的軸向應(yīng)變-偏應(yīng)力關(guān)系，并基于相關(guān)聯(lián)流動(dòng)法則，引入塑性屈服面模擬土體的彈塑性變形特性. HS模型中涉及的土體基本參數(shù)包括：黏聚力c′、摩擦角φ′、壓縮指數(shù)Cc、膨脹指數(shù)Cs、初始孔隙比e0和反映土體剛度-應(yīng)力相關(guān)性的參數(shù)m. 各土層基本參數(shù)見表1;其中，Es為與土體初始應(yīng)力狀態(tài)相對(duì)應(yīng)的壓縮模量，可通過靜力觸探試驗(yàn)（CPT）或標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)（SPT）確定[14];壓縮指數(shù)Cc則根據(jù)式（3）反算得到.

式中：σv′為豎向有效應(yīng)力. 超固結(jié)狀態(tài)下，Cc由Cs代替;此外，各土層的Cs值取為Cc的1/10[24-25]. 各土層的初始透水系數(shù)根據(jù)《上海巖土工程勘察規(guī)范》[26]推薦值確定.

有限元模型中基樁采用帶有接觸面的梁?jiǎn)卧獦?gòu)建，以模擬樁土之間的相互作用;具體建模時(shí)需要輸入的接觸面模型參數(shù)為單位長度基樁可提供的最大側(cè)摩阻力Tmax. 假定接觸面抗剪強(qiáng)度與樁周土體一致，則Tmax = πdτs，式中：d為樁徑，τs為樁側(cè)土體抗剪強(qiáng)度，可根據(jù)莫爾庫倫破壞準(zhǔn)則計(jì)算. 將基樁和承臺(tái)視為彈性體，其楊氏模量和泊松比分別取3×107 kPa和0.18. 樁基上部結(jié)構(gòu)（橋墩、立柱、梁等）的自重等效為作用于樁基承臺(tái)上的分布荷載;承臺(tái)頂面的加載歷史按各施工階段的實(shí)際荷載和施工時(shí)間確定，樁基具體受荷過程分為以下5個(gè)加載步： ①墩身澆筑，②立柱澆筑，③滬寧城際線連續(xù)梁澆筑，④京滬線簡(jiǎn)支梁澆筑和滬寧城際線鋪軌，⑤京滬線鋪軌完成. 各加載步完成后均伴隨有一定的加載間歇期（此時(shí)荷載保持不變），對(duì)應(yīng)于各施工階段后的混凝土養(yǎng)護(hù)期、相關(guān)建材的進(jìn)出場(chǎng)時(shí)間和后續(xù)施工準(zhǔn)備期等. 有限元仿真分析全過程均考慮土體的固結(jié)效應(yīng)，以模擬樁基的沉降過程（即沉降時(shí)間曲線）. 樁基礎(chǔ)受荷歷史可等效為圖6所示的階梯型加載過程.

5? ?現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試與計(jì)算結(jié)果分析

5.1? ?壓縮變形量/沉降-時(shí)間關(guān)系

6號(hào)橋墩樁基豎向壓縮變形量S（樁身壓縮量Se及樁底以下30 m土層壓縮變形量Sc之和）的實(shí)測(cè)值和有限元仿真值隨時(shí)間變化關(guān)系曲線如圖7所示. 由圖7可知，樁基豎向壓縮變形量S隨樁基受荷歷史呈“階梯”式增長變化;京滬高速鐵路修建完成后，樁基壓縮變形速率逐漸減小并最終趨于穩(wěn)定. 壓縮變形量S的有限元計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)值吻合良好，驗(yàn)證了數(shù)值仿真的正確性;同時(shí)，數(shù)值結(jié)果表明6號(hào)橋墩樁基礎(chǔ)的總沉降St（含樁底30 m以下土層的變形）在京滬高速鐵路修建完成后的30年內(nèi)由12.3 mm增加至了17.3 mm，即產(chǎn)生了約5.0 mm的工后沉降，小于《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》[2]規(guī)定的20 mm限值.

圖8所示為數(shù)值仿真所得不同位置樁樁頂壓縮變形隨時(shí)間變化關(guān)系曲線. 由圖8可知，各樁壓縮變形規(guī)律趨同，但不同位置樁的樁頂壓縮變形存在一定的差異，具體大小關(guān)系為中心樁>長邊邊樁>短邊邊樁>角樁. 造成這種差異的主要原因在于：承臺(tái)雖具備足夠的剛度以抵抗彎曲變形，但仍非嚴(yán)格意義上的剛體，實(shí)際工程中亦會(huì)產(chǎn)生微小彎曲變形，從而導(dǎo)致其他位置處基樁的樁頂壓縮變形小于中心樁壓縮變形.

5.2? ?樁底以下土的壓縮變形

根據(jù)式（1），由現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)獲得的樁基豎向壓縮變形量S和樁身壓縮變形量Se可獲得樁底以下H深度范圍內(nèi)土層的壓縮量Sc. 通過本文所提沉降測(cè)試方法，成功監(jiān)測(cè)得到地表以下100 m深度內(nèi)土層壓縮變形情況. 圖9為樁底以下土層壓縮變形量隨土層厚度變化的關(guān)系曲線;可見樁底以下土層壓縮變形量隨土層厚度增加而增大，其中0～5 m厚度內(nèi)壓縮變形量增長較快，而20～30 m厚度內(nèi)土層的壓縮變形量已很小. 此外，樁底土壓縮變形量仿真計(jì)算值與實(shí)測(cè)值基本一致，說明有限元模型對(duì)樁底土壓縮變形量的計(jì)算也較為準(zhǔn)確.

圖10所示為樁底以下單位厚度土層壓縮量隨土層深度變化的關(guān)系曲線. 由圖可知，單位厚度土層壓縮變形量隨土體埋深的增加逐漸減小，且當(dāng)深度增加至20 m時(shí)，單位厚度土層壓縮量已減小至一較小值. 結(jié)合圖9和圖10可初步判斷上海地區(qū)高速鐵路超長樁基的樁底土層壓縮影響范圍約為20 m.

5.3? ?樁身壓縮變形

沉降計(jì)和應(yīng)變計(jì)分別測(cè)得6號(hào)橋墩中心樁樁身壓縮變形隨時(shí)間變化的關(guān)系曲線，如表3和圖11所示.

由表3和圖11可知，沉降計(jì)和應(yīng)變計(jì)測(cè)試結(jié)果變化規(guī)律一致，平均差值僅為0.58 mm，二者互為驗(yàn)證，論證了測(cè)試系統(tǒng)的可靠性和有效性，但二者結(jié)果仍存在偏差，應(yīng)變計(jì)為非直接測(cè)量法，測(cè)試過程中需根據(jù)應(yīng)變計(jì)測(cè)試值和應(yīng)變計(jì)設(shè)置間距估算基樁的壓縮變形量;另外，安裝時(shí)，在基樁各測(cè)試斷面只布設(shè)了一個(gè)應(yīng)變計(jì)，當(dāng)基樁發(fā)生彎曲變形時(shí)，難以準(zhǔn)確反映測(cè)試斷面的平均變形量，致使應(yīng)變計(jì)測(cè)試所得基樁壓縮變形量往往存在一定偏差. 因此，在測(cè)試基樁壓縮變形量時(shí)，推薦使用沉降計(jì)法. 若使用應(yīng)變計(jì)法，亦應(yīng)適當(dāng)減小基樁各測(cè)試斷面的布置間距，同時(shí)在各測(cè)試斷面至少布設(shè)2～3個(gè)應(yīng)變計(jì)，以提高測(cè)試精度.

有限元計(jì)算結(jié)果與沉降計(jì)實(shí)測(cè)值基本一致，但也存在一定誤差. 可能的原因有：軟土沉積及應(yīng)力誘導(dǎo)產(chǎn)生的固有各向異性與土體本構(gòu)模型和樁土接觸面模型所描述的橫觀各向同性土體剛度行為存在差別，造成模型土體參數(shù)與實(shí)際土層存在一定差異[27];此外，有限元模型中根據(jù)中心樁處土層厚度，將原本高低（即厚度）起伏的地層簡(jiǎn)化為表面水平的等厚土層. 以上因素共同作用，會(huì)導(dǎo)致有限元計(jì)算結(jié)果存在一定誤差.

圖12所示為樁身壓縮變形量、樁身壓縮變形比（Se /S）、樁身壓縮沉降比（Se /St）隨樁頂軸力的變化關(guān)系曲線. 可見，樁身壓縮變形量隨樁頂軸力的增大而近似線性增加. 沉降計(jì)監(jiān)測(cè)結(jié)果表明京滬高速鐵路施工完成后6號(hào)墩樁基礎(chǔ)豎向壓縮變形量S為10.91 mm，此時(shí)樁身壓縮變形量Se為3.96 mm，樁身壓縮變形比為36.3%，且在施工過程中，其最大值達(dá)到50.1%. 有限元結(jié)果表明施工階段樁身壓縮沉降比在30%～40%范圍內(nèi). 由此可見，深厚軟土區(qū)超長樁基的樁身壓縮量占樁基總沉降的比例較大，計(jì)算樁基沉降時(shí)應(yīng)予以考慮.

5.4? ?樁身軸力和側(cè)摩阻力

有限元仿真所得6號(hào)墩中心樁不同施工階段樁身軸力-深度關(guān)系曲線和施工結(jié)束后不同位置樁樁身軸力-深度關(guān)系曲線，分別如圖13和圖14所示.

由圖13可知，中心樁樁身軸力隨深度的增加先增大后減小，說明淺層深度樁身存在負(fù)摩阻力. 當(dāng)樁頂荷載較小時(shí)，近樁底端樁身軸力隨深度的衰減速率較小;但隨樁頂荷載的增大，樁身軸力的衰減速率逐漸增加，表明樁側(cè)摩阻力隨樁基受荷的增加而逐步發(fā)揮效用. 由圖14可知，不同位置樁樁身軸力隨深度的變化趨勢(shì)基本相同，且各樁樁端阻力皆較小，端阻占基樁受荷的比例小于10%;整體而言，中心樁和長邊邊樁的軸力比角樁和短邊邊樁大，但四者的差值不大，波動(dòng)幅度在10%左右. 實(shí)際上，不同位置樁的差異沉降與內(nèi)力分配均受到承臺(tái)剛度的控制[28].

圖15所示為數(shù)值仿真所得中心樁不同階段側(cè)摩阻力-深度關(guān)系曲線. 由圖可知，中心樁在承臺(tái)以下約10 m范圍內(nèi)存在負(fù)摩阻力，且不同施工階段，負(fù)摩阻力的數(shù)值變化不大，但中性點(diǎn)之下的正摩阻力隨荷載的增加而增大. 樁側(cè)產(chǎn)生負(fù)摩阻力的主要原因是：樁基承臺(tái)受載將大部分荷載傳遞給基樁的同時(shí)擠壓樁間土，并在承臺(tái)底面以下一定深度范圍內(nèi)引起超孔隙水壓，隨著超孔隙水壓消散，樁間土產(chǎn)生固結(jié)變形，當(dāng)樁間土固結(jié)下沉量大于樁身下沉量時(shí)，樁側(cè)土對(duì)樁身產(chǎn)生一個(gè)與樁基沉降方向相同的下拽力，即在樁側(cè)引起負(fù)摩阻力. 此外，基樁受荷過程中，距樁頂約11 m處出現(xiàn)側(cè)摩阻力為0的中性點(diǎn)，且該中性點(diǎn)位置隨荷載增加有逐漸上移的趨勢(shì). 目前，我國《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》（JGJ94-2008）[29]相關(guān)條文認(rèn)為樁身中性點(diǎn)的位置主要由樁端土層條件確定，且在不考慮樁基具體受荷的前提下，中性點(diǎn)只有一個(gè). 但實(shí)際上，在不同土層條件和樁頂荷載作用下，樁身的中性點(diǎn)并非一成不變，其位置應(yīng)由樁土的具體相對(duì)位置關(guān)系決定. 對(duì)于超長樁基，樁身正負(fù)摩阻力的變化存在時(shí)間效應(yīng);土體的固結(jié)變形、樁身壓縮變形及樁端沉降會(huì)引起樁土相對(duì)位置的變化，并造成中性點(diǎn)逐步上移;最終，樁土相互作用隨負(fù)、正側(cè)摩阻力的消長達(dá)到穩(wěn)定平衡狀態(tài)，基樁中性點(diǎn)亦趨于穩(wěn)定.

5.5? ?樁身位移

京滬高速鐵路鋪軌完成后，有限元計(jì)算所得不同位置樁樁身水平位移-深度關(guān)系曲線如圖16所示. 由圖16可知：1）上部位置處，各位置樁水平位移朝向群樁中心，而在靠近樁底處則逐步過渡至背離群樁中心;2）中心樁基本不產(chǎn)生水平位移，其余各位置樁的水平位移在近樁頂處最大，并沿樁身向下逐漸減小;3）各位置樁最大水平位移小于4 mm，說明群樁基礎(chǔ)具備足夠的水平向剛度.

6? ?結(jié)? ?論

本文以京滬高速鐵路橋梁樁基典型試驗(yàn)段為背景，提出一種聯(lián)合運(yùn)用沉降計(jì)和應(yīng)變計(jì)觀測(cè)超長樁基壓縮變形、樁身壓縮變形及樁底土壓縮變形的新方法，并詳細(xì)介紹了所涉及元器件的安裝方法和施工工藝，有效完善了深厚軟土區(qū)超長樁基沉降變形測(cè)試技術(shù). 基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和數(shù)值仿真，具體分析了深厚軟土區(qū)超長樁基的壓縮變形特性. 所得主要結(jié)論如下：

1）橋梁施工過程中，樁基豎向壓縮變形量隨其受載歷史呈“階梯”式增長變化;橋梁施工完成后，樁基壓縮變形速率逐步減小并最終趨于穩(wěn)定;樁基工后沉降約為5.0 mm，小于《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定的20 mm限值. 樁基承臺(tái)的微小彎曲變形易導(dǎo)致不同位置基樁的樁頂壓縮變形和樁身軸力存在一定的差異.

2）樁底以下20～30 m范圍內(nèi)土體的壓縮變形量（或單位厚度土層壓縮量）已很小，可初步判定上海地區(qū)高速鐵路超長樁基的樁底土層壓縮影響范圍約為20 m.

3）應(yīng)變計(jì)法測(cè)試基樁壓縮變形受測(cè)試斷面布置間距、應(yīng)變計(jì)布設(shè)數(shù)量和基樁彎曲變形的影響較大;實(shí)際工程中，推薦使用沉降計(jì)法測(cè)試基樁壓縮變形. 對(duì)于超長樁基，樁身壓縮量占樁基總沉降的比例較大，可達(dá)30%～40%，計(jì)算樁基沉降時(shí)應(yīng)予以考慮.

4）基樁頂部淺層范圍存在負(fù)摩阻力;樁基受荷過程中，距樁頂約11 m處出現(xiàn)中性點(diǎn)，且其位置隨荷載的增加及樁土相對(duì)位置的變化逐步上移.

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