深厚土石填方體基樁負(fù)摩阻力的原位試驗(yàn)研究

敖國碧 楊文學(xué)

(1.貴州有色地質(zhì)工程勘察公司，貴州 貴陽 550005； 2.貴州橋梁建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，貴州 貴陽 550005)

貴州地區(qū)山嶺及丘陵較多，且地質(zhì)水文條件相對復(fù)雜，土石混合料作為一種基礎(chǔ)填料，越來越廣泛地應(yīng)用于各個工程領(lǐng)域中。土石混合料是由土和巖塊(碎石)組成的復(fù)合體。其壓縮變形參數(shù)不僅取決于土料和石料本身的強(qiáng)度，還與混合料的空隙壓密、粗顆粒的接觸狀態(tài)、細(xì)粒的含水量等眾多因素有關(guān)，但各因素的影響機(jī)制目前并未有統(tǒng)一的結(jié)論。土石混合料雖然包括一部分石料，但是其中的土料所需的固結(jié)時間較長沉降較大，產(chǎn)生樁周負(fù)摩阻力，引起基樁下拉荷載，極易造成樁端地基的屈服或破壞、樁身破壞、結(jié)構(gòu)物不均勻沉降等影響，如在樁基設(shè)計時未能充分合理考慮類似負(fù)摩阻力的影響，會給工程建設(shè)帶來安全隱患。近年來，由于樁基在回填土、軟土、濕陷性黃土地區(qū)的應(yīng)用越來越多，針對負(fù)摩阻力的研究進(jìn)行了大量的現(xiàn)場試驗(yàn)，得到許多極有價值的研究成果。

參考文獻(xiàn)[1]針對浙江省寧?？h某軟土場地中的樁基礎(chǔ)進(jìn)行了負(fù)摩阻力特性現(xiàn)場測試，試樁樁長分別約37.1 m和27.6 m，樁徑相應(yīng)為1 m和0.8 m的沖擊錘成孔灌注樁試驗(yàn)結(jié)果表明，成樁工藝對負(fù)摩阻力的影響較大。參考文獻(xiàn)[2]針對太浦河泵站變配電站地基中部分樁身處于厚度在2 m～10 m的回填土中的鉆孔灌注樁(樁長分別為20.05 m和18.55 m兩種，樁徑為0.8 m)進(jìn)行了負(fù)摩阻力特性現(xiàn)場試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)資料，由于樁周填土體的固結(jié)沉降引起0.2倍～0.4倍樁長范圍內(nèi)存在樁側(cè)負(fù)摩阻力，負(fù)摩阻力呈上部土層大下部土層小的規(guī)律，在地基未穩(wěn)定之前，中性點(diǎn)的位置也隨之變化。參考文獻(xiàn)[3]通過針對軟土地基中樁長為43 m、樁徑為1.0 m的橋臺鉆孔灌注樁基進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果顯示，臺后填土對橋臺樁軸力的影響不僅發(fā)生在填土回填期間，而且在相當(dāng)一段時間里仍有一定的影響。參考文獻(xiàn)[4]對寧海電廠工程2組沖孔灌注樁的現(xiàn)場負(fù)摩阻力進(jìn)行試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，樁身最大軸力隨固結(jié)時間而增大，中性點(diǎn)位置也隨時間略有上移，現(xiàn)場試驗(yàn)得出的樁側(cè)摩阻力系數(shù)為0.3～0.4。參考文獻(xiàn)[5]進(jìn)行了現(xiàn)場樁基負(fù)摩阻力的監(jiān)測工作，依托于巨騰國際內(nèi)江基地一期工程，從近30 m回填土施工、樁基施工開始一直到上部結(jié)構(gòu)施工完成，即樁體應(yīng)力和變形基本達(dá)到穩(wěn)定為止，歷經(jīng)2年時間。試驗(yàn)監(jiān)測資料揭示，在新近厚填方體采用嵌巖樁時，填土負(fù)摩阻力很難消除，只是經(jīng)過一段時間的自然固結(jié)后，會大幅消減負(fù)摩阻力的大小和作用范圍。

為了系統(tǒng)的研究土石混合料中基樁負(fù)摩阻力發(fā)揮機(jī)制，本次在貴州某深厚土石混填方工程中選定幾根基樁進(jìn)行負(fù)摩阻力、樁周土沉降的長期原位試驗(yàn)研究，為類似土石混合料高填方中的樁基工程設(shè)計提供參考和借鑒。

1 工程概況

根據(jù)場區(qū)地形特點(diǎn)，本工程采用平坡式布置，結(jié)合土石方綜合平衡的原則，場平標(biāo)高為1 341.7 m。場地整平后，場地最大挖方高度約28 m，最大填方厚度約22 m。挖方區(qū)除去表層較薄的耕植土，紅黏土層，即為強(qiáng)度稍高的紅黏土、含碎石粉質(zhì)黏土及基巖，因此挖方區(qū)可采用天然地基，而未經(jīng)處理的填土地基，不宜作為建(構(gòu))筑物的基礎(chǔ)持力層，對填土較厚區(qū)域的建(構(gòu))筑物的基礎(chǔ)采用強(qiáng)夯+鉆孔灌注樁處理方案。

1.1 地形地貌

工程區(qū)域地貌單元屬低中山峰叢地貌，地形起伏較大，地面高程約為1 329.0 m～1 369.0 m，地形坡度一般為10°～20°，局部陡坡地帶為25°～38°。擬建場地由數(shù)個較低緩的山丘和三條丘間沖溝組成，溝谷多呈寬闊“U”形，局部呈“V”形，丘頂多呈渾圓狀。

1.2 地層巖性

本場地地基巖土層從上到下依次為素填土、紅黏土、粉質(zhì)黏土、基巖，描述如下：

①素填土：0 m～10 m，新近回填的，褐灰色、黃褐色、紫紅色，主要成分為黏性土，混少量碎石、塊石及角礫，碎石主要成分為頁巖及灰?guī)r，棱角狀，粒徑2 cm～8 cm，稍密～松散。

②紅黏土：10 m～23.5 m，母巖以灰?guī)r為主的殘坡積物，棕紅色，棕黃色，含較多碎石，粒徑0.5 cm～2.0 cm，碎石成分為灰?guī)r，土體中裂隙發(fā)育，稍濕～濕，以可塑狀態(tài)～硬塑為主。

③粉質(zhì)黏土：23.5 m～27 m，顏色較雜，黃色為主，次為褐黃色、褐紅色、綠灰色、深褐色，含50%～10%頁巖、泥巖及灰?guī)r的巖屑碎塊，碎塊局部富集，含少量鐵猛質(zhì)氧化物，偶見灰白色物質(zhì)，屬于碳酸鹽巖風(fēng)化殘積層。稍濕，硬塑狀態(tài)。

④基巖：27 m以上，以灰?guī)r為主，夾灰質(zhì)白云巖、白云巖。青灰色、深灰色及灰黑色。隱晶～微晶結(jié)構(gòu)，薄～中厚層理構(gòu)造，灰質(zhì)白云巖、白云巖次之，中等風(fēng)化。

1.3 樁基特征

擬建場平標(biāo)高為1 341.7 m，填土厚度約22 m，樁端持力層為中風(fēng)化灰?guī)r，進(jìn)入持力層1 m，最大樁長約為28 m；服務(wù)區(qū)辦公樓填土厚度約11 m，樁端持力層進(jìn)入含碎石粉質(zhì)黏土深度為3 m，最小樁長約18 m。均為旋挖成孔灌注樁，樁徑800 mm，C30鋼筋混凝土。

2 基樁原位試驗(yàn)

在深厚土石混合填方體中，為確保旋挖灌注樁的成樁可行性、成樁工藝及成樁質(zhì)量，積累經(jīng)驗(yàn)，獲取樁基持力層的有關(guān)資料，為樁基持力層的合理選擇提供依據(jù)。本次試驗(yàn)通過單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)和高應(yīng)變檢測，獲得旋挖成孔灌注樁在豎向抗壓荷載作用下單樁極限承載力，樁周土的極限側(cè)阻力和極限端阻力，評價樁的荷載—變形特性、樁周土沉降與基樁負(fù)摩阻力的關(guān)聯(lián)性等相關(guān)參數(shù)，為樁基方案優(yōu)化及工程樁的設(shè)計、施工提供依據(jù)?，F(xiàn)場監(jiān)測的工程樁采用旋挖成孔，孔深為28 m，在樁頂往下0 m～10 m范圍內(nèi)以1 m間距布置光纖測點(diǎn)，10 m～18 m范圍內(nèi)以2 m為間距布置光纖測點(diǎn)?；鶚豆饫w測點(diǎn)布置見圖1，樁周土分層沉降儀布置見圖2。

同時在樁周土采用分層沉降磁環(huán)測定樁周土沉降，在安裝監(jiān)測光纖的工程樁附近5 m左右的位置埋設(shè)分層沉降標(biāo)。分層沉降標(biāo)為一磁環(huán)(見圖2)，磁環(huán)四周有3個不銹鋼卡片，安裝時卡片傾向上，周圍土層沉降時，卡片帶動磁環(huán)沿沉降管下滑，每個分層沉降標(biāo)采用2 m間距布置。

3 監(jiān)測結(jié)果及分析

3.1 樁周土沉降監(jiān)測結(jié)果

測試周期為360 d，埋設(shè)時沉降管一直伸至基巖面，以底部沉降磁環(huán)為參考磁環(huán)，四個沉降管的沉降曲線如圖3所示。

從圖3可以看出，在沉降管埋入后第一個月內(nèi)，四個沉降管各位置均無沉降(磁環(huán)與樁周土接觸差)，1號沉降管和3號沉降管位置是在沉降管埋入后30 d～180 d內(nèi)沉降快速增長，后期沉降趨于穩(wěn)定；而2號管是從沉降管埋入后30 d～150 d內(nèi)沉降快速增長，后期沉降趨于穩(wěn)定，4號管是從沉降管埋入后30 d～120 d內(nèi)沉降快速增長，后期沉降趨于穩(wěn)定。同一測量時刻，四個沉降管位置各深度處顯示淺層沉降大，而深部沉降小。其原因有兩方面：一方面土石填料雖然在填筑過程中壓實(shí)度較小，但是在逐層填筑過程中二次對下臥已填土層進(jìn)行了二次壓實(shí)，加之上覆填筑層逐漸增大上覆荷載，且分層填筑碾壓過程中壓實(shí)機(jī)械的壓實(shí)作用力會對下層填筑層產(chǎn)生二次壓密作用等，密實(shí)度得到了進(jìn)一步的提升，所以變化值較??；另一方面沉降在深度方向上是累加體現(xiàn)的，同一平面位置，地面點(diǎn)的沉降是相同位置深度范圍豎向位移的累加體現(xiàn)，所以越往淺部位置走磁力沉降環(huán)測得的分層沉降值越大。

3.2 基樁軸力與負(fù)摩阻力監(jiān)測結(jié)果分析

由于本次監(jiān)測過程中房屋建筑上部結(jié)構(gòu)未施工，外加是嵌巖樁，可認(rèn)為樁側(cè)阻力的變化值是由新近填土的次固結(jié)沉降引起，為純負(fù)摩阻力。在測量樁周土分層沉降的同時，采用光纖解調(diào)儀測取安裝在樁身鋼筋上光纖點(diǎn)波長數(shù)據(jù)，并通過公式換算成各點(diǎn)處的軸力值，再進(jìn)一步通過軸力值換算成為樁側(cè)摩阻力值。兩根試驗(yàn)樁樁身軸力及摩阻力監(jiān)測值見圖4，圖5。

從圖4,圖5可直觀看出軸力變化的規(guī)律和趨勢，樁基施工后約2個月，2015年9月18日樁側(cè)有明顯的負(fù)摩阻力，由于樁頂無荷載，且為嵌巖樁，圖4和圖5都是由于樁側(cè)填料下沉?xí)r對樁產(chǎn)生向下的位移或位移趨勢，給樁體施加了一個下拉荷載，這一荷載使樁體軸力發(fā)生變化。負(fù)摩阻力產(chǎn)生的原因很多，對于新近填土而言主要是由于新近填土在自重作用下產(chǎn)生新的固結(jié)沉降引起。結(jié)合圖3四個分層沉降管的沉降也可以發(fā)現(xiàn)，在2015年9月18日四個沉降管各位置都發(fā)生了一定的沉降，正是樁側(cè)土的沉降激發(fā)了樁側(cè)的負(fù)摩阻力值。

為了方便對兩根試驗(yàn)樁進(jìn)行對比，取60 d，125 d，184 d和360 d典型數(shù)據(jù)繪制樁身軸力及樁側(cè)負(fù)摩阻力，如圖6，圖7所示。樁側(cè)負(fù)摩阻力在184 d內(nèi)隨時間增長而增加，正負(fù)摩阻力交界點(diǎn)位置隨時間增長而下降，在184 d以后，樁側(cè)負(fù)摩阻力基本不變。

3.3 中性點(diǎn)分析

作為承受負(fù)摩阻力的樁體設(shè)計而言，一個重要的概念即中性點(diǎn)，有三個取值方法[6]：樁周土與樁體位移相等的點(diǎn)、樁身軸力最大的點(diǎn)、正負(fù)摩阻力的分界點(diǎn)。

根據(jù)樁身軸力中性點(diǎn)的確定原則，圖4，圖5中顯示2015年9月18日～2015年10月21日這一時段中性點(diǎn)深度為7 m，隨后一個月后中性點(diǎn)下移到8 m，再往后至2015年12月17日中性點(diǎn)下移9 m，直至2016年1月20日以后，中性點(diǎn)定在10 m，并趨于穩(wěn)定。由于土石混合料回填完成后即開始樁基施工，在此期間，土石混合料自身的主固結(jié)期加劇沉積，以及相應(yīng)的樁側(cè)負(fù)摩阻力發(fā)揮逐漸體現(xiàn)，所以前期的180 d沉降明顯，為土石混合填料的固結(jié)沉降。

3.4 負(fù)摩阻力發(fā)揮時效和樁周土沉降的關(guān)聯(lián)性分析

兩根基樁各深度段樁側(cè)摩阻力隨時間變化曲線，見圖8，180 d往后，負(fù)摩阻力值基本不發(fā)生變化。結(jié)合圖3四個分層沉降管的沉降也可以發(fā)現(xiàn)180 d后樁周土沉降速率明顯變慢，在前期的6個～8個月沉降基本已經(jīng)完成，若地面無附加荷載施加，樁側(cè)負(fù)摩阻力已經(jīng)趨于穩(wěn)定。另外從圖8可以看出8 m～10 m段的樁側(cè)摩阻力由起始的正摩阻力隨著樁周土進(jìn)一步固結(jié)轉(zhuǎn)換成負(fù)摩阻力，說明深部填料隨著時間延續(xù)都會進(jìn)一步穩(wěn)定。

樁側(cè)土體的沉降與樁側(cè)負(fù)摩阻力的發(fā)揮是宏觀同步的，而從發(fā)揮機(jī)理上應(yīng)是先有樁周土沉降，然后激發(fā)了樁側(cè)負(fù)摩阻力，對樁體形成附加荷載，樁體發(fā)生變形，樁側(cè)阻力發(fā)生調(diào)整(由于樁變形，中間點(diǎn)略有上移)，如此反復(fù)調(diào)整達(dá)到平衡。

4 結(jié)論

通過現(xiàn)場原位試驗(yàn)研究了土石混合料高填方體中基樁負(fù)摩擦力的發(fā)揮機(jī)制，經(jīng)過對監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析，得到以下結(jié)論：

1)新近回填地基在其自重作用下的固結(jié)需要一定的時間，這期間的固結(jié)狀態(tài)與填料的含水量、密實(shí)度、填料成分都有關(guān)。本次大型土石混合料填方體的固結(jié)時間主要集中在前8個月，即240 d，240 d以后，固結(jié)沉降基本已完后，后期的固結(jié)沉降較小，基本可忽略不見。填料固結(jié)沉降在深度方向上是上大下小，但并未線性遞減的趨勢。

2)回填土在固結(jié)沉降的同時即激發(fā)了樁側(cè)負(fù)摩擦力，二者的出現(xiàn)和變化規(guī)律是一致的，本工程中，在樁基完成后前4個～5個月，固結(jié)沉降隨時間急劇增加，后期基本趨于穩(wěn)定，所以樁側(cè)負(fù)摩擦力是前4個～5個月急劇增長，后期趨于穩(wěn)定。由于整個監(jiān)測過程中，樁頂并未施加荷載且為嵌巖樁，樁身測得的軸力變化基本都是負(fù)摩擦力引起的，由于固結(jié)沉降沿深度減小，所以直至固結(jié)沉降穩(wěn)定后也只有淺部的0 m～3 m左右的負(fù)摩阻力達(dá)到極值，深部由于樁土間位移越來越小，其負(fù)摩阻力并未完全穩(wěn)定。