带帽PTC型刚性桩工作性状现场试验研究

陈超群，雷金波，李盛芳，汪跃辉

(1.南昌航空大学土木建筑学院，江西南昌 330063;2.益阳市城市规划设计院，湖南益阳 413000;3.中国水利水电第八工程局有限公司，湖南长沙 410000)

近年来随着我国道路建设的迅猛发展，特别是在东南沿海地区，路线设计时很难避免深厚软土地基，如何解决工程实践中遇到的软基沉降变形已引起岩土界的普遍关注。PTC管桩作为一种高强度的刚性桩，能够有效控制沉降变形，满足高速公路工后沉降的要求［1］。但由于桩土相对刚度差极大，极易造成刚性桩桩顶刺入量过大，因此在桩顶配置桩帽，以增大桩顶与上部结构的接触面积，形成带帽PTC型刚性桩［2-4］。为深入研究带帽PTC型刚性桩在处理深厚软土地基的工作性状，在某绕城高速公路两试验区进行了带帽刚性单桩加固软基的现场足尺试验，研究了不同地质条件下带帽刚性单桩的荷载沉降、桩身轴力、地表土应力分布特征、桩土荷载分担比等工作特性，以便进一步优化工程设计。

1 试验区地质条件

1.1 试验区A地质条件

试验区为苏昆太高速公路HC-6标，桩号为K33+324—K33+419便道南侧临近场地。该区0～8.9 m及10.6～12.0m为硬壳层，软土主要分布在12～29 m和8.9～10.6 m处，29 m以下为性状较好的粉土层。孔隙比为0.69～1.37，含水率24.0% ～48.3%，塑性指数为11.9～21.0，液性指数为0.32～1.25，软土的压缩系数为0.21～0.80mPa-1，压缩模量为2.62～8.23 MPa，属中高压缩性土。

1.2 试验区B地质条件

试验区选择在苏沪公路，桩号为K10+074—K10+182便道北侧临近场地。该区软土主要分布在0～10m和23～27 m，10～23 m土质好，可视为一硬壳层，27 m以下为性状较好的粉土层。孔隙比为0.63～1.07，含水率为21.0% ～38.5%，塑性指数为14.3～19.9，液性指数为 0.11～1.19，压缩系数为0.09～0.57 MPa-1，压缩模量为3.38 ～38.6 MPa。

具体的土层参数和物理力学指标可参考文献［5］。

2 试验概况

2.1 试验目的

1)确定带帽刚性单桩的竖向极限承载力。

2)确定带帽刚性单桩在竖向荷载作用下桩身轴力、地表土压力及桩侧摩阻力的分布规律。

3)确定带帽刚性单桩在竖向荷载作用下桩土荷载分担比及其变化规律。

2.2 试桩设计

试验区A和试验区B各设计4根桩，每根桩均进行单桩静载试验，两试验区的平面布置相同，如图1所示。

1)两试验区均采用PTC-A400-65型管桩，桩帽尺寸(长×宽×厚)为1.5m×1.5m×0.4 m，桩帽顶与试验场地地表平齐。其中试验区A的T1和T2桩桩长为25m，T3和T4桩桩长为29 m;试验区B的T1和T2桩桩长为17 m，T3和T4桩桩长为27 m。

图1 试验区平面布置示意(单位:mm)

2)单桩静载试验反力由锚桩提供。锚桩采用PHC-B-500-100，试验区A、试验区B锚桩桩长分别为31.0m和28.0m。

2.3 测试内容

1)沉降观测:采用百分表观测不同荷载作用下各桩顶的沉降量(竖向位移)。

2)桩身轴力:采用在桩体不同位置预置钢弦式应力计进行测试，试验区A中T2桩在1 m，6 m，10m，16 m，20m，24 m 处，T3，T4 桩在1 m，6 m，10m，16 m，22 m，28 m处预置;试验区B中T1，T2桩在1 m，6 m，10m，13 m，16 m 处，T3 桩在2 m，5m，9 m，15m，25m 处预置。

3)土压力:采用土压力盒测量两试验区各试桩桩帽下0.2 m处的土压力变化，土压力盒距试桩中心0.5m。

2.4 加荷等级

试验区A各试桩(T1～T4)的加荷等级分别为250 kN，200 kN，300 kN，250 kN;试验区 B 各试桩(T1 ～T4)的加荷等级分别为140 kN，100 kN，180 kN，180 kN。

2.5 试验方法

竖向抗压静载试验采用慢速维持荷载法，并按照《建筑基桩检测技术规范》(JGJ 106—2003)［6］的规定进行。

3 试验结果与分析

3.1 Q-S曲线分布特征

两试验区各桩的静载Q-S曲线如图2。

由图2可看出，两试验区各桩Q-S曲线均有一处较为明显的转折点，符合桩基沉降变形特点。同时根据规范，对于陡降型的Q-S曲线可取曲线发生明显陡降的起点作为单桩的极限承载力。比较图3中各试桩Q-S曲线还可发现:①两试验区T1和T2桩的极限承载力分别小于各自试验区的T3和T4桩，这说明桩的长短直接影响其极限承载能力。同一试验区带帽长桩在荷载作用下的地基沉降比带帽短桩小，说明带帽长桩更加有利于控制地基的沉降。②试验区A的T3和T4桩的极限承载力要比试验区B相应各桩的极限承载力低，这主要是因为试验区A的试桩穿过的地质条件较好的土层厚度要比试验区B的少，说明不同的地质条件对各桩的极限承载力也存在影响。

图2 两试验区静载试验Q-S曲线

3.2 桩身轴力分布特征

试验区B的T1桩桩身轴力分布曲线如图3所示，桩身轴力随深度增加而减小。在同一深度处不同的荷载作用下桩身轴力不同，在荷载达到1 260 kN以前桩身轴力随荷载的增大而增大，当荷载达到1 260 kN后，桩身轴力增加缓慢。同一荷载作用下桩身轴力随深度的增加而减小，但在桩端处桩身轴力几乎一致，这说明该桩为摩擦型桩。其他各桩的桩身轴力与荷载等级之间的关系与图3相类似。

试验区A的T3和T4桩不同深度处桩身轴力与荷载的关系见图4。

在相同荷载下同一深度处T3桩桩身轴力比T4桩要大，说明加荷等级的大小对桩身轴力有影响。在深度较浅的区域尤为明显，但这种影响程度是随深度的增加而减小的，到10m深度桩身轴力基本相同。这可能是因为不同等级加载其稳定的时间不同，使得随时间消散的附加孔隙水压力场不同，因而导致土体力学性质发生不同的改变，从而对桩身轴力产生影响。

3.3 地表土应力分布特征

图5为两试验区T1桩和T3桩在0.2 m深度处地表土应力变化曲线。由图5可知，地表土应力随着荷载的增大而增大，在加载初期4条曲线基本重合且斜率几乎不变。随着荷载的进一步增大，同一荷载作用下地表土应力出现了明显的差异，4条曲线的斜率增加且有明显的突变。这说明在加载初期桩体是主要的承载对象，同时桩帽下浅层地表土也有一个被压密的过程，达到某一荷载水平后土承担的荷载才迅速增加，土体承载性能才得到明显发挥，这也说明了加载过程中存在桩土分担荷载相互调整的现象。比较分析图4和图5还可发现，在各级荷载作用下，地表处桩身轴力(桩体分担的荷载)与地表土应力(土体分担的荷载)之和与其总荷载相当，符合桩体相互作用的一般规律。

图5 试验区T1和T3桩地表土应力随荷载变化曲线

由图5还可看出，试验区A的T3桩桩周地表土应力在加载后期比试验区B的T3桩大，这主要是由于地质条件不同所致。试验区A靠近地表面有一刚度较大的硬壳层，土层力学性状较好，而试验区B靠近地表面则是一可压缩层。加载后期试验区A的T1桩桩周地表土应力比T3桩大，说明带帽短桩比带帽长桩更能发挥浅层地表土的承载作用。

3.4 桩侧摩阻力分布特征

图6 试验区B的T1桩桩侧摩阻力随深度变化曲线

试验区B的T1桩桩侧摩阻力随深度的变化曲线如图6所示。由图6可以看出，上部土层的摩阻力先于下部土层发挥作用。随着荷载的增加，桩身压缩量和桩土相对位移逐渐增大，下部土层的摩阻力才逐步发挥出来。图中每一级荷载作用下，桩侧摩阻力的最大值都出现在深度为9～10m处。由静力触探曲线可知10～23 m土质较好，土质较好的土层发挥的侧阻力比土质较差的土层大。当荷载达到1 260 kN时，其各段的摩阻力增加很小或不增加甚至出现减小的现象，说明其侧摩阻力已经发挥到了最大值并出现滑移，此时这部分桩侧土的抗剪强度由峰值强度跌落为残余强度，这就是桩侧摩阻力的软化现象［7］。

3.5 桩土荷载分担比

两试验区桩土荷载分担比如图7和图8所示。

由图7和图8可知桩土荷载分担比是随着荷载而变化的，在未达到桩各自的极限承载力时，土的荷载分担比趋近于恒值，其值介于0到0.1之间，桩的荷载分担比在0.9到1之间，桩是主要的荷载分担者;当桩达到极限承载力后，土的荷载分担比迅速增加，土承担的荷载迅速增大，最后试验区A桩的土分担比为0.3～0.6，试验区B桩的土分担比则为0.1～0.3。说明地质条件对单桩桩土荷载分担比有比较明显的影响。试验区A是上部有一硬壳层，而试验区B上部则是一可压缩层，说明土体的力学性能越好，其分担的荷载就越多。而且在同一地质条件下不同桩长也使得荷载分担比不同，就桩的荷载分担比而言，同一荷载作用下长桩比短桩要大。

4 结论

1)带帽长桩承载能力比带帽短桩要强，控制沉降能力也比短桩强。

2)桩身轴力自上而下发挥。不同的加荷等级对桩身轴力有影响，并且随深度有明显递减的趋势，在10m深度时桩身轴力基本趋近相同。

3)地表土应力随荷载增加由慢到快增大。地表土层条件和桩长是影响地表土应力大小的重要因素。

4)桩侧摩阻力的大小随荷载的变化而变化，土质越好的土层发挥的桩侧摩阻力越大，摩擦型桩应尽量多地穿过地质条件较好的土层。

5)桩土荷载分担比与桩长和土层条件等因素有关。桩体越长，桩的荷载分担比就越大;土体的力学性能越好，其分担的荷载就越多。

［1］苏振明，陈拥军.PHC管桩荷载传递特性研究［C］//中国土木工程学会第九届土力学及岩土工程学术会议论文集.北京:清华大学出版社，2003:439-448.

［2］何良德，陈志芳，徐泽中.带帽PTC单桩和复合地基承载特性试验研究［J］.岩土力学，2006，27(3):435-441.

［3］雷金波.带帽刚性桩复合地基荷载传递机理研究［J］.岩土力学，2007，28(8):1643-1649.

［4］雷金波，陈超群.带帽控沉疏桩复合地基优化设计及其工程应用［J］.铁道建筑，2011(1):66-69.

［5］雷金波，陈从新.带帽刚性桩复合地基现场足尺试验研究［J］.岩石力学与工程学报，2010，29(8):1713-1720.

［6］中华人民共和国建设部.JGJ 106—2003 建筑基桩检测技术规范［S］.北京:中国建筑工业出版社，2003.

［7］张忠苗.桩基工程(第一版)［M］.北京:中国建筑工业出版社，2007.