軟土地基超長(zhǎng)樁靜載試驗(yàn)中樁側(cè)堆載影響分析

曹文昭，楊志銀，蔡巧靈，高 磊

(1. 中冶建筑研究總院(深圳)有限公司，廣東 深圳 518055；2. 河海大學(xué) 巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210024)

0 引 言

靜載試驗(yàn)過(guò)程中試樁的受荷性狀與實(shí)際工程樁最接近，試驗(yàn)方法最直觀，因此靜載試驗(yàn)至今仍被認(rèn)為是確定樁基承載力最為準(zhǔn)確、可靠的方法，被國(guó)家、行業(yè)及地方標(biāo)準(zhǔn)所推薦[1-6]。然而對(duì)于目前廣泛采用的堆載法靜載試驗(yàn)，配重須在試驗(yàn)之前一次加足，不僅存在較大的傾覆安全風(fēng)險(xiǎn)，而且會(huì)使試樁兩側(cè)支墩下土體產(chǎn)生明顯的相對(duì)樁沉降，并在試樁加載(支墩卸載)過(guò)程中回彈，同時(shí)還會(huì)對(duì)試樁施加負(fù)摩阻力和樁側(cè)附加應(yīng)力，影響試樁靜載試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。新加坡的堆載法豎向抗壓靜載試驗(yàn)規(guī)程[7]中，對(duì)于試驗(yàn)加載超過(guò)3 000 t的不建議采用堆載法進(jìn)行承載力測(cè)試，同時(shí)對(duì)堆載的高寬比進(jìn)行限制。隨著高層建筑和大跨度橋梁基礎(chǔ)所受荷載越來(lái)越大，超長(zhǎng)灌注樁的應(yīng)用日益廣泛[8-10]。由于軟土地基具有壓縮性高、承載力低和變形大等特點(diǎn)，在其上進(jìn)行高噸位超長(zhǎng)樁靜載試驗(yàn)時(shí)，上述問(wèn)題更加突出[11]，對(duì)于靜載試驗(yàn)安全及試驗(yàn)結(jié)果的可靠性都將產(chǎn)生不利影響。

針對(duì)堆載法靜載試驗(yàn)的不足和局限性，已有不少學(xué)者采用理論分析[12-14]或數(shù)值模擬[15-16]的方法開(kāi)展了細(xì)致的研究工作。張忠苗等[17]針對(duì)軟土地區(qū)的大噸位堆載試驗(yàn)，設(shè)計(jì)了樁梁式堆載支墩-反力架裝置，成功實(shí)現(xiàn)了軟土地區(qū)大直徑超長(zhǎng)嵌巖樁靜載試驗(yàn)。袁從華等[12]基于彈性理論分析結(jié)果，認(rèn)為沉降基準(zhǔn)點(diǎn)難以避免受到大噸位堆載的擾動(dòng)影響，但同時(shí)也認(rèn)為堆載引起的負(fù)摩阻力及樁側(cè)附加應(yīng)力對(duì)樁的極限承載力沒(méi)有明顯影響。洪鑫[14]基于Mindlin位移解的彈性理論法分析了基準(zhǔn)樁布置對(duì)靜載試驗(yàn)(堆載法和錨樁法)測(cè)試結(jié)果的影響，建議充分利用試樁受壓引起的樁周土沉降和支墩卸荷(或錨樁受拉)引起的樁周土隆起相互疊加的特點(diǎn)，將基準(zhǔn)樁布置在樁周土位移最小處，從而提高測(cè)試精度。江杰等[16]、Fakharian等[18]通過(guò)建立三維數(shù)值模型，著重分析了樁側(cè)堆載對(duì)土體及試樁受荷變形性狀的影響，認(rèn)為堆載法對(duì)于評(píng)估試樁的極限承載力影響不大，但會(huì)高估工作荷載作用下的試樁剛度。

隨著超長(zhǎng)樁、大直徑樁的大量涌現(xiàn)，樁基靜載試樁噸位也不斷提高。規(guī)范要求配重施加于地基的壓應(yīng)力不宜大于地基承載力特征值的1.5倍，然而對(duì)于軟土地基，現(xiàn)場(chǎng)條件往往難以滿(mǎn)足直接堆載要求。雖然少部分配重可在試驗(yàn)過(guò)程中堆載，但這樣做存在明顯的安全隱患，如果在較高荷載下試樁發(fā)生脆性破壞，則全部配重均作用于支墩下的地基土上，極可能使地基土發(fā)生過(guò)大變形或失穩(wěn)，進(jìn)而導(dǎo)致支墩坍塌[19]。因此，在軟土地基上開(kāi)展超長(zhǎng)樁靜載試驗(yàn)前，往往需對(duì)試樁周邊采用旋噴樁或水泥土攪拌樁進(jìn)行地基處理，特殊情況下還需打設(shè)管樁，同時(shí)在支墩下方現(xiàn)澆鋼筋混凝土板。為防止兩側(cè)支墩發(fā)生不均勻沉降，往往將兩側(cè)混凝土板進(jìn)行等強(qiáng)連接，形成“回”字形支墩平臺(tái)，如圖1所示。此時(shí)，樁側(cè)堆載通過(guò)“回”字形平臺(tái)作用于樁周土及試樁，使得試樁與壓重平臺(tái)邊的距離難以滿(mǎn)足規(guī)范要求，基準(zhǔn)樁的布置也受到了極大限制。

圖1 回字形支墩平臺(tái)Fig.1 Buttress Platform with Hollow Square

本文結(jié)合深圳填海區(qū)大直徑超長(zhǎng)樁單樁靜載試驗(yàn)工程實(shí)例，通過(guò)建立三維數(shù)值模型，分析采用地基處理+“回”字形混凝土平臺(tái)時(shí)，樁側(cè)堆載和加/卸載方式對(duì)試樁受荷性狀及測(cè)試結(jié)果的影響，為軟土地基超長(zhǎng)樁靜載試驗(yàn)研究提供參考。

1 樁側(cè)堆載對(duì)試樁沉降的影響

1.1 試樁沉降過(guò)程與影響因素

堆載法靜載試驗(yàn)中，試樁沉降不僅與樁側(cè)堆載的加載方式密切相關(guān)，還與量測(cè)方式和量測(cè)時(shí)間有關(guān)。圖2為試樁樁頂沉降示意圖，加載方式包括僅試樁加載和耦合加載2種，其中p為樁側(cè)堆載，Q為試樁荷載。試樁加載更接近樁基實(shí)際受力狀態(tài)，而耦合加載可通過(guò)試樁和支墩交替加/卸載，模擬堆載法靜載試驗(yàn)。

圖2 試樁樁頂沉降示意圖Fig.2 Schematic Diagram of Test Pile Top Settlement

為了分析樁側(cè)堆載的影響，定義以下5種沉降值：

(1)實(shí)測(cè)值(僅試樁加載)，以基準(zhǔn)樁為不動(dòng)點(diǎn)量測(cè)試樁豎向位移，為試樁沉降與基準(zhǔn)樁沉降的差值s1-s2。

(2)真實(shí)值(僅試樁加載)，加載過(guò)程中試樁樁頂實(shí)際沉降s1。

(3)初始值(耦合加載)，試驗(yàn)準(zhǔn)備階段樁側(cè)堆載引起的試樁沉降s0。

(4)實(shí)測(cè)值(耦合加載)，以基準(zhǔn)樁為不動(dòng)點(diǎn)量測(cè)試樁豎向位移，不考慮樁側(cè)堆載過(guò)程的試樁和基準(zhǔn)樁豎向位移，為試樁沉降與基準(zhǔn)樁回彈量之和s1-s0+s2。

(5)真實(shí)值(耦合加載)，加載過(guò)程中(包括樁側(cè)堆載)試樁樁頂實(shí)際沉降s1。

實(shí)際工程中，初始值(耦合加載)往往不予量測(cè)或不便量測(cè)，試驗(yàn)過(guò)程中試樁沉降的量測(cè)也會(huì)受到諸多現(xiàn)場(chǎng)因素的限制，如基準(zhǔn)樁位置、基準(zhǔn)梁長(zhǎng)度及環(huán)境因素等。針對(duì)不同的試驗(yàn)場(chǎng)地條件，上述5種沉降值之差可能高達(dá)數(shù)倍，因此在判定試樁承載特性時(shí)，正確量測(cè)和選取試樁沉降尤為重要。為便于表述，在以下分析中，如無(wú)特別說(shuō)明，試樁沉降均指真實(shí)值s1。

1.2 基準(zhǔn)樁的設(shè)置

靜載試驗(yàn)中，隨著試樁、基準(zhǔn)樁和錨樁(或壓重平臺(tái)支墩)三者間相互距離的減小，堆載加卸過(guò)程引起的地基土變形對(duì)試樁、基準(zhǔn)樁的附加應(yīng)力和變形的影響也將加劇。

表1匯總了相關(guān)國(guó)家、行業(yè)及地方標(biāo)準(zhǔn)建議的試樁、錨樁和基準(zhǔn)樁之間的中心距離d。可以看出，在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，行業(yè)及地方標(biāo)準(zhǔn)對(duì)大直徑樁及樁周土加固處理等具體情形下三者間的相互距離要求有所放寬，一般將最小距離要求從4D減小至3D。

表1 試樁、錨樁和基準(zhǔn)樁之間的中心距離Table 1 Center Distances Between Test Pile, Anchor Pile and Benchmark Pile

實(shí)際工程中，仍然廣泛存在三者間相互距離難以滿(mǎn)足規(guī)范要求的情形。廣東省《建筑地基基礎(chǔ)檢測(cè)規(guī)范》(DBJ/T 15-60—2019)[4]建議，對(duì)于大直徑樁靜載試驗(yàn)，當(dāng)基準(zhǔn)梁長(zhǎng)度達(dá)到12 m或以上時(shí)，其基準(zhǔn)樁與試樁、錨樁(或壓重平臺(tái)支墩)之間的距離仍不能滿(mǎn)足上述要求的，應(yīng)對(duì)基準(zhǔn)樁位移進(jìn)行監(jiān)測(cè)。袁從華等[12]建議采用高精度水準(zhǔn)儀或全站儀對(duì)試樁的沉降進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以便分析堆載對(duì)沉降基準(zhǔn)點(diǎn)的影響。《建筑基樁檢測(cè)技術(shù)規(guī)范》(JGJ 106—2014)[2]建議的簡(jiǎn)易辦法是在遠(yuǎn)離支墩處用水準(zhǔn)儀或張緊的鋼絲觀測(cè)基準(zhǔn)樁的豎向位移。對(duì)于如圖1所示的“回”字形靜載試驗(yàn)裝置，混凝土平臺(tái)的邊長(zhǎng)往往大于12 m，此時(shí)將基準(zhǔn)樁設(shè)在平臺(tái)外側(cè)并不現(xiàn)實(shí)，顯然無(wú)法按照常規(guī)要求設(shè)置基準(zhǔn)樁，實(shí)際操作中一般將其設(shè)置在混凝土平臺(tái)中間開(kāi)孔處[圖1(a)]，但是此時(shí)基準(zhǔn)樁的位移如何受試樁及混凝土平臺(tái)的影響尚需開(kāi)展深入研究。

2 數(shù)值模型的建立

2.1 工程概況與建模參數(shù)

泰倫廣場(chǎng)項(xiàng)目擬建工程位于深圳市南山區(qū)后海填海區(qū)，場(chǎng)地原始地貌為濱海灘涂，后經(jīng)人工填海造陸形成現(xiàn)狀地貌。根據(jù)鉆探揭露，場(chǎng)地內(nèi)分布的地層包括人工填土層、第四系海積層及殘積層。工程樁基均采用鉆孔灌注樁，共215根，其中承壓樁直徑為支墩邊寬，當(dāng)B大于2.5 m時(shí)，試樁與壓重平臺(tái)支墩之間的凈距可取2.5 m；括號(hào)內(nèi)數(shù)值用于工程樁驗(yàn)收檢測(cè)時(shí)多排樁設(shè)計(jì)樁中心距離小于4D或壓重平臺(tái)支墩下2倍～3倍寬影響范圍內(nèi)的地基土已加固處理的情況。

1 200 mm，單樁抗壓承載力特征值為14 600 kN，3根試驗(yàn)樁最大加載值為35 MN，最大樁長(zhǎng)71.6 m，采用壓重平臺(tái)反力裝置加載。由于上覆淤泥層較厚(局部厚度達(dá)11.5 m)，傳統(tǒng)的換填加固處理方式已不適用。考慮人工填土層的復(fù)雜性，對(duì)軟土地基采用旋噴樁進(jìn)行加固，然后在樁頂現(xiàn)澆“回”字形鋼筋混凝土板。具體反力裝置設(shè)計(jì)及計(jì)算過(guò)程見(jiàn)文獻(xiàn)[19]。

采用FLAC 3D軟件建立數(shù)值模型，如圖3所示。由于模型具有對(duì)稱(chēng)性，取1/4模型進(jìn)行計(jì)算，模型尺寸為30 m(長(zhǎng))×30 m(寬)×100 m(高)，共有62 800個(gè)單元，68 091個(gè)節(jié)點(diǎn)。試樁直徑1 200 mm，樁長(zhǎng)70 m，混凝土平臺(tái)尺寸為8 m(長(zhǎng))×8 m(寬)×0.6 m(高)，平臺(tái)下旋噴樁加固素填土和淤泥的面積為48 m2，加固深度為12 m。為了較準(zhǔn)確地描述荷載作用下樁土間相互作用，樁-土界面采用不共節(jié)點(diǎn)的Interface單元模擬，土體、試樁和混凝土平臺(tái)均采用實(shí)體單元模擬，土體采用Mohr-Coulomb彈塑性模型，試樁和混凝土板采用線(xiàn)彈性模型。為簡(jiǎn)化處理，將樁側(cè)堆載簡(jiǎn)化為矩形均布荷載作用于混凝土平臺(tái)上，試樁采用均布應(yīng)力加載。試樁和混凝土板的彈性模量均取32 500 MPa(C40)，泊松比取0.2，重度取25.0 kN·m-3。旋噴樁加固區(qū)域地基參數(shù)采用復(fù)合模量和復(fù)合抗剪強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算，具體土層參數(shù)見(jiàn)表2。

圖3 靜載試驗(yàn)數(shù)值模型Fig.3 Numerical Model of Static Loading Test

表2 土層參數(shù)Table 2 Soil Parameters

樁-土接觸面參數(shù)取值的準(zhǔn)確性是反映樁-土相互作用的關(guān)鍵，F(xiàn)LAC 3D中默認(rèn)接觸面法向剛度kn和切向剛度ks的取值大于1×107kPa·m-1時(shí)，更高的取值只會(huì)減緩計(jì)算速度，而對(duì)計(jì)算結(jié)果沒(méi)有影響。因此，在本文模型中，接觸面剛度取kn=ks=1×108kPa·m-1，接觸面摩擦參數(shù)取樁側(cè)土層對(duì)應(yīng)參數(shù)值的0.8倍。

2.2 模擬方法與流程

(1)初始地應(yīng)力平衡。首先將試樁、混凝土板和加固地基均視為土體，在自重作用下進(jìn)行地應(yīng)力平衡計(jì)算，獲得初始地應(yīng)力場(chǎng)，然后賦予試樁、混凝土板真實(shí)材料屬性，再進(jìn)行地應(yīng)力平衡，并將位移清零。

(2)荷載施加方案。數(shù)值模擬加/卸載方案分為僅支墩加/卸載、僅試樁加/卸載和耦合加/卸載3種(圖4)，具體加/卸載方式見(jiàn)表3。僅支墩加/卸載可以單獨(dú)分析樁側(cè)堆載影響。僅試樁加/卸載可以分析理想加載狀態(tài)下試樁工作性狀，耦合加/卸載可以模擬實(shí)際試樁狀態(tài)。

表3 加/卸載方案Table 3 Loading/Unloading Schemes

圖4 3種荷載施加方案Fig.4 Three Loading Schemes

(3)監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置。以試樁中心為原點(diǎn)，建立直角坐標(biāo)系，除試樁中心外，在x軸方向再設(shè)2個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，分別位于樁周土(x=1.3 m)和支墩中心(x=5.0 m)，在y軸方向設(shè)5個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，第1個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)離試樁中心距離為y=2.0 m，之后每隔0.5 m設(shè)置1個(gè)，具體布置如圖5所示。

圖5 監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置(單位:cm)Fig.5 Layout of Monitoring Points (Unit:cm)

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 樁土沉降沿深度變化規(guī)律

圖6為樁側(cè)堆載和試樁荷載作用下豎向位移云圖。圖7為加載方式對(duì)樁土沉降的影響。由圖7(a)，(b)可以看出，樁側(cè)堆載p作用下，樁周土相對(duì)樁身明顯下沉，在樁側(cè)形成負(fù)摩阻力，引起樁身也發(fā)生明顯沉降。p由122 kPa增大至554 kPa時(shí)，支墩沉降由22.4 mm增大至107.3 mm，樁頂沉降由4.2 mm增大至13.2 mm，而樁周土的最大沉降由12.6 mm增大至76.9 mm。支墩和樁周土沉降主要發(fā)生在20 m深度內(nèi)，這主要是由人工填土和淤泥層容易壓縮導(dǎo)致的。對(duì)比不同p作用下的樁土沉降曲線(xiàn)，可以發(fā)現(xiàn)其存在明顯的中性點(diǎn)，在中性點(diǎn)以上，樁土相對(duì)沉降很大，而中性點(diǎn)以下，樁周土和支墩沉降略小于樁身沉降。

圖6 樁側(cè)堆載和試樁荷載作用下豎向位移云圖Fig.6 Contours of Vertical Displacement Under Surrounding Load and Test Pile Load

由圖7可知，支墩和試樁耦合加載時(shí)的樁土沉降并不等同于兩者分別加載時(shí)樁土沉降的簡(jiǎn)單疊加，特別是對(duì)于樁周土，由于受試樁與支墩沉降的影響均較大，耦合加載時(shí)其沉降規(guī)律較為復(fù)雜，隨著Q和p的此消彼長(zhǎng)，樁周土沉降也顯示出不同的變化規(guī)律，甚至出現(xiàn)了0 mm沉降。因此，研究耦合加載時(shí)樁周土的沉降規(guī)律，有助于實(shí)際靜載試驗(yàn)中沉降基準(zhǔn)點(diǎn)的選擇。僅試樁加載時(shí)不存在中性點(diǎn)，而耦合加載時(shí)，隨著Q增大和p減小，中性點(diǎn)位置不斷下移，直至消失。試樁加載至最大試驗(yàn)荷載時(shí)，各深度樁身沉降均大于樁周土和支墩沉降，此時(shí)樁側(cè)不存在負(fù)摩阻力。

圖7 加載方式對(duì)樁土沉降的影響Fig.7 Effect of Loading Method on Pile-soil Settlement

3.2 加/卸載過(guò)程的影響

圖8為加/卸載時(shí)樁身豎向位移對(duì)比。由圖8可知，外部荷載相同時(shí)，2種方案加/卸載過(guò)程的樁身豎向位移存在明顯差異。僅試樁加載與僅支墩加載剛好相反，卸載過(guò)程的樁身豎向位移均大于加載過(guò)程，最大差值位于地表，為4.5～5.0 mm。分析原因可能是試樁卸載過(guò)程樁身回彈量大于樁周土，從而在樁側(cè)產(chǎn)生向下的摩阻力，即下拉荷載，致使樁身豎向位移不能完全恢復(fù)。耦合加載時(shí)，加載過(guò)程樁周土卸荷回彈，在樁身產(chǎn)生上拉荷載，卸載過(guò)程樁周土受荷壓縮，在樁身產(chǎn)生下拉荷載，因此卸載過(guò)程的樁身豎向位移均大于加載過(guò)程，最大差值仍然位于地表，為5.0～7.0 mm。

圖8 加/卸載時(shí)樁身豎向位移對(duì)比Fig.8 Comparison of Pile Vertical Displacements During Loading/Unloading

圖9為加/卸載時(shí)樁身軸力對(duì)比。由圖9可知，外部荷載相同時(shí)，2種方案加/卸載過(guò)程的樁身軸力也存在明顯差異。僅試樁加載時(shí)，除樁端以上15 m范圍外，卸載過(guò)程的樁身軸力均大于加載過(guò)程。分析原因可能是試樁卸載過(guò)程樁身回彈量大于樁周土，從而使樁身受到樁周土下拉荷載的影響，致使樁身軸力偏大。耦合加載時(shí)，加載過(guò)程樁周土卸荷回彈，在樁側(cè)產(chǎn)生上拉荷載，卸載過(guò)程樁周土受荷壓縮，在樁側(cè)產(chǎn)生下拉荷載，因此，除樁端附近外，卸載過(guò)程的樁身軸力均明顯大于加載過(guò)程，Q為11 666 kN時(shí)，樁身軸力最大差值達(dá)4.40 MN(深度為17 m)，大于僅試樁加載時(shí)的最大差值2.56 MN(深度為29 m)。

圖9 加/卸載時(shí)樁身軸力對(duì)比Fig.9 Comparison of Pile Axial Forces During Loading/Unloading

3.3 監(jiān)測(cè)點(diǎn)豎向位移變化規(guī)律

選取了包括試樁、支墩和樁周土在內(nèi)的8個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，探討加載方式對(duì)測(cè)點(diǎn)豎向位移的影響。由于Mohr-Coulomb模型為理想彈塑性模型，難以很好模擬實(shí)際土體加/卸載過(guò)程中的復(fù)雜彈塑性行為，特別是無(wú)法很好模擬塑性變形，因此該節(jié)卸載過(guò)程的豎向位移模擬結(jié)果僅供定性分析參考。

圖10為加/卸載過(guò)程樁-土-墩豎向位移變化規(guī)律。由圖10可知，樁-土-墩加/卸載過(guò)程的豎向位移均存在明顯差異，特別是距離試樁較近的樁周土，試樁卸載至0 MN時(shí)，豎向位移差值最大，僅試樁加載和耦合加載分別為12.5 mm和39.2 mm。相比于樁周土，試樁和支墩在加/卸載過(guò)程中的豎向位移差異較小，且不同Q對(duì)應(yīng)的豎向位移變化不大。

圖10 加/卸載過(guò)程樁-土-支墩豎向位移變化規(guī)律Fig.10 Variations of Vertical Displacement of Pile-soil-buttress During Loading/Unloading

圖11為加/卸載過(guò)程沉降基準(zhǔn)點(diǎn)豎向位移變化規(guī)律。由圖11可知，僅試樁加載時(shí)，沉降基準(zhǔn)點(diǎn)豎向位移均隨著Q的增大而增大，隨著y的增大而依次減小。耦合加載時(shí)，由于y=4.0 m點(diǎn)位于“回”字形混凝土平臺(tái)邊緣，其豎向位移受p影響較大，與其他沉降基準(zhǔn)點(diǎn)豎向位移有明顯差異。總體而言，p對(duì)沉降基準(zhǔn)點(diǎn)豎向位移的影響遠(yuǎn)大于Q。

圖11 加/卸載過(guò)程沉降基準(zhǔn)點(diǎn)豎向位移變化規(guī)律Fig.11 Variations of Vertical Displacement of Monitoring Points During Loading/Unloading

實(shí)際工程基樁檢測(cè)中，雖然由支墩加/卸載引起的地基變形可能小于本節(jié)模擬值，但數(shù)值仍然比較可觀，需要給予足夠的重視?！盎亍弊中位炷疗脚_(tái)一方面減小了兩側(cè)支墩的不均勻沉降，提高了堆載法靜載試驗(yàn)的安全性，另一方面也極大限制了沉降基準(zhǔn)點(diǎn)的設(shè)置范圍。基準(zhǔn)點(diǎn)距試樁過(guò)近則容易受試樁加/卸載影響，遠(yuǎn)離試樁則容易受支墩影響。此外，“回”字形混凝土平臺(tái)也更容易帶動(dòng)沉降基準(zhǔn)點(diǎn)隨著支墩加/卸載而發(fā)生較大豎向位移，特別是地基上層土較為軟弱時(shí)影響更加顯著。

4 樁側(cè)堆載對(duì)試樁承載特性的影響

4.1 試樁豎向位移與軸力

圖12為樁側(cè)堆載對(duì)樁身豎向位移和軸力的影響。由圖12可知，耦合加載時(shí)的樁身豎向位移均大于僅試樁加載，但隨著Q的增大，兩者的差值快速減小，Q為35 MN時(shí)，兩者樁身豎向位移沿深度分布規(guī)律基本相同，樁身壓縮量占樁頂總沉降量的75.8%。與樁身豎向位移類(lèi)似，Q較小時(shí)，除樁頂以下15 m范圍外，耦合加載時(shí)樁身軸力明顯大于僅試樁加載，且存在明顯的反彎點(diǎn)，但隨著Q的增大，兩者的差值同樣快速減小，Q為35 MN時(shí)，僅試樁加載時(shí)的樁身軸力甚至略大于耦合加載。

圖12 樁側(cè)堆載對(duì)樁身豎向位移和軸力的影響Fig.12 Effect of Surrounding Load on Vertical Displacement and Axial Force of Pile

僅試樁加載時(shí)，樁身軸力隨Q增大而增大，隨深度增加而減小，最大軸力均位于樁頂，樁端軸力趨近于0 MN，Q主要由樁側(cè)摩阻力承擔(dān)，表現(xiàn)出典型的摩擦樁特性。耦合加載時(shí)，樁身軸力也隨Q增大而增大，但最大軸力并不是均位于樁頂。Q較小時(shí)(p較大)，樁身軸力沿深度“先減小、后增大、再減小”，存在明顯的反彎點(diǎn)，隨著Q增大(p減小)，樁身軸力反彎點(diǎn)逐漸消失，樁身軸力隨深度增加而減小。

分析原因，耦合加載時(shí)樁側(cè)堆載使混凝土平臺(tái)及樁周土產(chǎn)生沉降，樁側(cè)負(fù)摩阻力使試樁產(chǎn)生較大的初始豎向位移及樁身軸力，且負(fù)摩阻力沿深度的分布規(guī)律與樁周土物理力學(xué)特性、樁側(cè)堆載大小、作用位置及作用面積均相關(guān)。因此，Q較小時(shí)兩者差值較大，隨著試樁加載(支墩卸載)，樁側(cè)附加應(yīng)力減小，由此導(dǎo)致兩者差值也減小。耦合加載時(shí)，對(duì)于受p影響較小的區(qū)域(如樁身上部)，或是p較小時(shí)(如p=122 kPa)，此時(shí)雖不足以改變樁身軸力沿深度的分布規(guī)律，但仍對(duì)樁周土有一定的壓密作用，同時(shí)使樁側(cè)附加應(yīng)力提高，從而在一定程度上提升樁側(cè)摩阻力，加快樁身軸力沿深度的衰減。在樁身軸力曲線(xiàn)上表現(xiàn)為樁頂以下一定范圍內(nèi)耦合加載時(shí)的樁身軸力減小速率略大于僅試樁加載，Q為35 MN時(shí)尤為明顯。

以上分析表明，堆載法靜載試驗(yàn)中，若考慮試驗(yàn)準(zhǔn)備階段樁側(cè)堆載引起的試樁沉降，則在最大試樁荷載作用下，僅試樁加載和耦合加載的樁身豎向位移和樁身軸力沿深度分布的差異很小，僅有的小幅差異也是由剩余的p引起，也即p的加/卸載過(guò)程對(duì)于試樁極限承載力和承載特性的影響可以忽略，這一點(diǎn)與袁從華等[12]和江杰等[16]的研究成果一致。

4.2 試樁剛度

實(shí)際工程中，基樁的工作荷載一般小于其極限荷載，舒翔等[20]認(rèn)為研究試樁的割線(xiàn)剛度更有實(shí)際意義。基準(zhǔn)樁沉降、回彈量取監(jiān)測(cè)點(diǎn)x=0 m，y=4.0 m的豎向位移，同時(shí)定義試樁剛度為基樁靜載試驗(yàn)中的割線(xiàn)剛度，即

(1)

式中：Kp為試樁剛度；s為樁頂位移。

圖13為加載方式對(duì)樁頂沉降和試樁剛度的影響，其中靜載試驗(yàn)實(shí)測(cè)值為根據(jù)《深圳市建筑基樁檢測(cè)規(guī)程》(SJG 09—2020)[5]實(shí)測(cè)得到的樁頂沉降。需要說(shuō)明的是，由于樁頂沉降真實(shí)值(耦合加載)中包含了樁側(cè)堆載引起的試樁沉降(初始值)，因此起始試樁剛度偏小，與實(shí)際不符，但若從中扣除初始值，則計(jì)算得到的試樁剛度又始終大于真實(shí)值(僅試樁加載)，不能反映兩者逐漸趨同的事實(shí)，因此選擇不扣除初始值。由圖13(a)可知，除第1級(jí)加載外，試樁樁頂沉降從大到小依次為實(shí)測(cè)值(僅試樁加載)、真實(shí)值(僅試樁加載)、真實(shí)值(耦合加載)、實(shí)測(cè)值(耦合加載)，其中實(shí)測(cè)值(耦合加載)明顯大于另外3個(gè)值，這是由于實(shí)測(cè)值(耦合加載)中包括了基準(zhǔn)樁的回彈量，而實(shí)測(cè)值(僅試樁加載)中扣除了基準(zhǔn)樁的沉降。Q為35 MN時(shí)，耦合加載的樁頂沉降真實(shí)值僅為實(shí)測(cè)值的45.1%，而僅試樁加載的樁頂沉降真實(shí)值為實(shí)測(cè)值的1.28倍。值得注意的是，與通過(guò)數(shù)值模擬得到的真實(shí)值(僅試樁加載)相比，靜載試驗(yàn)實(shí)測(cè)值前期沉降偏小，但在Q為35 MN時(shí)兩者非常接近，且與真實(shí)值(耦合加載)相差也不大。

根據(jù)式(1)計(jì)算試樁剛度，可知與試樁樁頂沉降剛好相反，除第1級(jí)加載外，試樁剛度從大到小依次為實(shí)測(cè)值(僅試樁加載)、真實(shí)值(耦合加載)、真實(shí)值(僅試樁加載)、實(shí)測(cè)值(耦合加載)。同時(shí)可以看出，在試驗(yàn)荷載范圍內(nèi)(Q≤35 MN)，耦合加載時(shí)試樁剛度真實(shí)值隨Q的增大而增大，并最終與僅試樁加載時(shí)的試樁剛度真實(shí)值一致。其余3種試樁剛度均隨Q的增大而減小，但減小幅度不大。

以上分析表明，堆載法靜載試驗(yàn)中，支墩卸荷使基準(zhǔn)樁發(fā)生上移，試樁豎向位移實(shí)測(cè)值偏大。對(duì)于采用堆載法的大直徑超長(zhǎng)樁靜載試驗(yàn)，由于大噸位堆載對(duì)樁周土的壓密作用，使得試驗(yàn)過(guò)程中基準(zhǔn)樁回彈量非常明顯，如果依據(jù)實(shí)測(cè)值判斷試樁剛度，則會(huì)得出完全相反的結(jié)論，耦合加載時(shí)的樁頂沉降實(shí)測(cè)值為僅試樁加載時(shí)實(shí)測(cè)值的2.8倍～3.1倍，則試樁剛度前者僅為后者的約1/3，據(jù)此判斷得到的試樁極限承載力必定與實(shí)際情況存在較大差異。上述結(jié)果與Fakharian等[18]通過(guò)靜載試驗(yàn)與數(shù)值模擬得出的“摩擦樁初始剛度受樁周超載影響非常顯著”結(jié)論一致。

5 結(jié) 語(yǔ)

(1)堆載法靜載試驗(yàn)中，若考慮試驗(yàn)準(zhǔn)備階段樁側(cè)堆載引起的試樁沉降，則在最大試樁荷載作用下，僅試樁加載(理想加載狀態(tài))和耦合加載(實(shí)際加載狀態(tài))的樁身豎向位移和軸力沿深度分布的差異很小，即樁側(cè)堆載加/卸載過(guò)程對(duì)試樁極限承載力和承載特性的影響可以忽略。

(2)對(duì)于采用“回”字形混凝土平臺(tái)的大直徑超長(zhǎng)樁堆載法靜載試驗(yàn)，建議采用高精度水準(zhǔn)儀或全站儀對(duì)試樁樁頂沉降進(jìn)行監(jiān)測(cè)和校核，包括試驗(yàn)準(zhǔn)備階段樁側(cè)堆載引起的沉降，以及試樁加/卸載引起的樁頂豎向位移，以便掌握試樁理想加載狀態(tài)下的豎向位移、極限承載力和承載特性，同時(shí)剔除樁側(cè)堆載加/卸載過(guò)程對(duì)沉降基準(zhǔn)點(diǎn)豎向位移的影響，避免誤判。