不同平衡堆载条件下桩基承载特性的原位试验研究

邓会元，戴国亮，龚维明，朱中发

（1.东南大学 混凝土及预应力混凝土结构教育部重点实验室，江苏 南京 210096；2.东南大学 土木工程学院，江苏 南京 210096）

1 引 言

目前沿海地区主要通过吹填淤泥及泥沙进行围垦，吹填区域土质较差，软弱土层较厚，在围垦区已完工和计划开工的高速公路建设中，由于大规模吹填区的施工顺序不同，可能引起因围垦填海等导致的平衡堆载、不平衡堆载条件下对公路桥梁桩基的不利影响等问题。

Heyman 等[1]对土堤与既有桩基建筑物的最近影响距离的问题进行了相关研究。将3 根试桩穿过8.5 m 厚的黏土和泥炭土达到持力层，固定桩头，在桩外不同间距处填筑土堤，测试结果发现，当桩距坡脚大于35 m 时，土堤对桩的影响忽略不计。Nicu等[2]对建于13.5 m厚硬黏土上的桥台进行了现场观测，发现在上覆路堤荷载作用下软黏土地基流动作用于桩身侧压力很大，能够使桥台桩基发生很大变形甚至毁坏。

在国内，魏汝龙等[3-5]对回填土和堆载后码头进行了现场观测，并认为岸坡的侧向变形会引起码头的水平位移，而岸坡的沉降会引起码头桩基的负摩阻力，并认为在码头竣工初期以水平位移为主，之后以负摩阻力为主要作用。竺明星等[6]在Boussinesq改进解的基础上推导出堆载作用下地基土体的水平附加应力计算公式，进而得到被动桩基被动侧土压力计算表达式，以及解得考虑被动侧成拱的被动桩桩身被动荷载分布，并利用试验数据进行验证。结果表明，该半解析解可以很好地应用于考虑土拱效应的被动桩变形内力计算。黄挺等[7]设计了能实现桩顶加载及较大超载值的单桩及双桩负摩阻力模型试验，桩周土采用砂土和软黏土夹层。试验结果显示，沉降、负摩阻力具有明显的时间效应，黏土夹层处的负摩阻力随土体固结而增长，其基本变化规律与沉降相同。马远刚等[8]研究了堆载对桥梁被动桩的影响，采用有限差分法对某实际桥梁进行被动桩偏移受力分析，计算堆载作用下桥墩偏移并与实测值对比，分析基桩内力及偏移，认为堆载作用下，基桩产生了较大偏移和弯矩，桩顶轴力和桩身轴力分布不均，并产生不同程度的负摩阻力，且距堆载越近负摩阻力越大，最后根据评估结果提出了一些处理措施。刘兹胜[9]对上海洋山深水港工程钢管桩进行了现场试验，研究了大面积高填土软土地基在抛石作用下，桩基负摩阻力作用规律，取得了试验桩负摩阻力分布、大小、随时间变化情况、中性点位置、下拉荷载等关键参数的认识。以上研究者对关于堆载条件下桩基受力特性做了大量的工作，得出了一些有价值的结论。

虽然堆载条件下桩基承载特性研究[10-13]较多，但沿海吹填区类似场地条件下同时进行平衡堆载和不平衡堆载试验研究较少。现结合台州湾大桥现场不同堆载方式的堆载试验，研究后期围垦不同填土方式对桥梁桩基的影响。

2 工程概述

浙江省台州湾大桥及接线工程桥梁基础较多，且桥梁基础穿越沿海吹填深厚软土地区，工程附近有类似桥梁工程因后期填土导致桥梁桩基发生较大位移而进行加固的先例，增加了巨大的成本。因此，有必要对吹填区工程桩进行现场试验，研究堆载对桥梁基础的影响。现场试验在箬横1 号高架桥29号墩右幅的3 根基桩进行平衡堆载试验，在椒江1号高架桥77 号墩右幅3 根基桩进行不平衡堆载试验。

本工程桥梁基桩试验位置经过的主要是沿海吹填区域，大部分区域软土层深厚，局部路段60 m下有较厚的卵石层，工程地质条件差，软土层多超过20 m，岩石埋深超过120 m。基岩面以上中、下部土层主要为粉质黏土，承载能力相对较差。

3 平衡堆载试验

平衡堆载试验区域钻孔 ZKC134 位于K183+099.80 以左51.1 m 位置处，钻孔地勘值显示②-2 和②-3 土层为淤泥质黏土，土质较差，而且土层厚度达到24 m 左右。地表以下为2 m 左右粉质黏土，2 m 以下为24 m 左右淤泥质粉质黏土软弱土层，状态为流塑，高压缩性。地基土地表以下2 m左右可见地下水位，含水率较高，饱和度达到95%以上。

3.1 试验方案

试验桥梁基桩为箬横1号高架桥29号墩右幅工程桩，采用GPS-250 正循环回旋钻钻孔施工工艺进行施工，3 根基桩（SZ4～SZ6）从2013年1月14日开始钻孔、成孔、灌注混凝土，于2013年1月25 日全部灌注混凝土成桩。桩底标高-81.0 m，桩径均为1.5 m，桩端持力层为黏土。

受现场实际条件的制约，因周围为农田，故选用堆土为梯形形状，对称填土堆载，研究平衡堆载条件下桥梁基桩的受力性状。堆载梯形上表面平面尺寸为14 m×4 m，下表面尺寸为24 m×16 m。基桩SZ4、SZ5、SZ6 位于堆载的中轴线上，桩间距为5.6 m，堆载高度为4 m，堆载尺寸示意图如图1 所示。

图1 堆载尺寸示意图(单位:m)Fig.1 Schematic diagram of surcharge load(unit:m)

采用钢筋计来测量桩身各个截面轴力变化，如图2 所示，自上而下在图中对应标高截面处布置两根钢筋计，在H 范围内（即标高在+2.68 m～- 31.32 m内），自上而下每间隔1.5 m 对称布置两根钢筋计（此布置未在图中显示钢筋计符号），以上重复时，布置4 根钢筋计。这样布置钢筋计一方面是由于基桩桩长较长达到83.68 m 左右，考虑施工过程中钢筋计可能部分被损坏；另一方面是由于负摩阻力主要出现在桩身上段，因而上段部分布置较密集。如图2 所示。

图2 SZ4～SZ6 钢筋计布置图Fig.2 Arrangement plan of stress gauges of piles SZ4-SZ6

由于本试验桥梁基桩的上部结构尚未完成，桩顶没有施加桩顶荷载，桩顶仅是填土作用的荷载。堆载之前按照设计的梯形堆载方案进行放样，然后于2013年9月17 日上午开始填土堆载，当日下午完成设计要求堆载。由于本试验条件有限，堆载时没有对桩顶进行隔离措施，而是直接将填土掩埋桩顶，但这并不影响桩侧摩阻力的特性。试验从9月份持续到12月份，先后进行了6 次测试。不同测试时间列于表1。

表1 不同测试时间记录表Table 1 Different test times

3.2 试验结果与分析

3.2.1 桩身轴力测试结果

通过实测结果分析，SZ4～SZ6 桩身轴力不同测试阶段随深度变化如图3 所示。

由图可以看出，3 根试桩桩身轴力在堆载之后先增大后减小，且桩身轴力在堆载之后前一个月内变化较大，在堆载之后1～3 个月之内，桩身轴力变化较小，可认为堆载之后3 个月土体固结基本达到稳定状态。由图3(a)可知，SZ4 桩身轴力在堆载之后先增大后减小即产生了负摩阻力，堆载一个月后桩身最大轴力为2 804 kN，堆载3 个月后桩身最大轴力为2 836 kN，均出现在标高-28.0 m 左右位置处，轴力大小相差只有0.8%，说明土体固结基本达到稳定，由于试验中基桩桩顶上掩埋4 m 高填土堆载，按照填土重度为21 kN/m3计算，相当于桩顶施加了150 kN 左右的荷载，若考虑桩顶上掩埋土堆载的影响时，产生的最大负摩阻力总和约为2 650 kN，中性点位置离桩顶约30 m 深度处（即-28 m 标高位置处）。由图3(b)可知，中心桩SZ5 从堆载1 个月到3 个月，桩身最大轴力由2 874 kN 变为3 000 kN，大小相差4.4%，若考虑桩顶上掩埋土作为桩顶荷载的影响时，产生的最大负摩阻力总和约为2 850 kN，中性点位置离桩顶约29 m 深度处（即-26.32 m 标高位置处）。由图3(c)可知，SZ6 从堆载1 个月到3个月，桩身最大轴力由2 680 kN 变为2 717 kN，大小相差1.4%，若考虑桩顶上掩埋土作为桩顶荷载的影响时，产生的最大负摩阻力总和约为2 560 kN，中性点位置离桩顶约30 m 深度处（即-28 m 标高位置处）。此外，由图3 还可以看出，由于桩端持力层为黏土层，基桩为摩擦桩，桩端端阻力较小，这也符合摩擦桩的特性。

图3 SZ4～SZ6 桩身轴力不同测试阶段随深度变化图Fig.3 Variations of pile axial force with depth for pile SZ4-SZ6 under different testing times

虽然实测的3 根基桩桩身轴力有一定的差异。但各桩的摩阻力变化规律较类似，均出现明显的负摩阻力现象，堆载3 个月后，最大和最小的负摩阻力总和相差11.3%，中性点深度位置相差不大，大概在29～30 m 范围内。因此，土体固结达到稳定之后，即3 个月左右之后，3 根桩的桩身轴力和中性点位置差别均较小，可通过取3 根试桩的负摩阻力和中性点位置平均值作为此吹填区域桥梁基桩在堆载作用下的负摩阻力大小和中性点位置，即基桩负摩阻力总和取均值为2 687 kN，中性点位置取为29.5 m 深度位置处。由于现场对3 根试桩进行了静载试验，测试得到的基桩极限承载力均为13 531 kN，因此，负摩阻力总和约为基桩极限承载力的19.86%，在深厚软土地区设计桥梁桩基时应考虑负摩阻力的影响。

3.2.2 桩侧负摩阻力分析

堆载3 个月后土体基本达到固结稳定状态，桩侧摩阻力趋于稳定，此时试验基桩侧摩阻力分布规律如图4 所示。由图可知，在堆载作用下，桩侧开始出现负摩阻力，然后到达中性点之后转为正摩阻力，3 根试桩桩身侧摩阻力变化规律总体上相似。由于地表以下2 m 左右深度土层为粉质黏土，粉质黏土以下24 m 左右为淤泥质粉质黏土，因此，靠近地表附近出现侧摩阻力先增大后减小现象。越靠近中性点位置，桩-土相对位移较小，侧摩阻力因为没有充分发挥出来而表现较小值。此外，中性点以上淤泥软弱土层基桩负摩阻力约为10～20 kPa，中性点以下基桩正摩阻力值约为10～36 kPa。在桩端附近，由于桩的位移相对桩周土较大，侧摩阻力发挥较充分，出现增大趋势。此外，对比地勘资料提供的侧摩阻力标准值可知，负摩阻力约为对应土层侧摩阻力标准值的66%～83%。

图4 SZ4～SZ6 桩侧摩阻力随深度变化曲线Fig.4 Variations of pile side friction with depth for pile SZ4-SZ6

4 不平衡堆载试验

不平衡堆载试验区域钻孔ZKC38 钻孔地勘资料显示地表以下②-1 和②-3 土层为淤泥质软弱土，土质较差，且土层厚度达到24.5 m 左右，状态为流塑，高压缩性。试验区地下水位较高，含水率高，饱和度达到90%以上。

4.1 试验方案

不平衡堆载试验桥梁基桩为椒江1号高架桥77号墩右幅工程桩，采用ZD300 气举式反循环回旋钻钻机钻孔施工工艺，配备泥浆净化器。3 根基桩（SZ1～SZ3）从2013年12月27 日开始钻孔、成孔、灌注混凝土，于2014年1月27 日全部灌注混凝土成桩。桩底标高为-69.0 m，桩长为71.5 m，桩径均为1.5 m，桩端持力层为黏性土圆砾。

不平衡堆载先按照堆载方案进行放线，挖机按照放线尺寸进行堆载，堆载时按照1 m 分层厚度均匀堆载，堆载高度为3 m，堆载所用土体为含砾黏土，平均密度为1 823 kg/m3。堆载为梯形状，上表面平面尺寸为14.2 m×5 m，下表面尺寸为22.6 m×13.4 m。堆载长边方向与基桩SZ1、SZ2、SZ3 的中轴线平行，桩间距为5.6 m，堆载高度为3 m，堆载尺寸示意图如图5 所示。

图5 堆载示意图Fig.5 Schematic diagram of surcharge load

为了研究不平衡堆载对桩基及周围土体的水平位移影响规律，分别在桩中及周围土体内埋设了测斜管（共4 根），如图5 所示，其中1#和2#测斜管埋设在土体内，3#和4#测斜管分别埋设在边桩和中心桩内，测斜管埋设深度均为30 m。

由于堆载是在1 d 内完成，属于快速加载，所以桩基会在短时间内变形比较大，为了能够较为准确地观察到堆载对桩基作用随时间的变化，所以在堆载前期测试时间较密，待桩基变形稳定后，测试时间间隔长一些。本工程测试时间间隔分别为堆载后2，4，7，10，14，19，29，44，74 d。

4.2 试验结果与分析

4.2.1 水平位移测试结果

（1）土中测斜管实测结果

通过实测结果分析，桩间土体中1#测斜管测试结果如图6 所示，自由土体中2#测斜管测试结果如图7 所示。

图6 1#测斜管不同时间阶段测试结果Fig.6 Testing results at different times for #1 inclinometer

由图6(a)可知，最大位移出现在距桩顶4～5 m范围之内，堆载74 d 之后最大土体位移为148.4 mm，在距离桩顶20 m 处位移基本为0。根据图6(b)，桩间土体在前7 d 变化比较大，7 d 之后为稳定的小变形。

图7 2#测斜管不同时间阶段测试结果Fig.7 Testing results at different times for #2 inclinometer

由图7(a)可知，最大位移出现在距桩顶4～5 m范围之内，堆载74 d 之后最大土体位移为237.4 mm，在距离桩顶20 m 处土体位移基本为0。根据图7(b)，自由土体在前7 d 变形比较大，7 d 之后为稳定的小变形，14 d 之后土体位移基本为0，达到稳定状态。通过对1#和2#测斜管试验结果对比可知，桩间土体最大位移要比同位置自由土体最大位移小88.7 mm，这说明堆载之后，桩对土体变形有很好的遮拦作用，这主要是桩的被动侧出现明显的土拱效应，将被动荷载传递到桩上，从而导致桩间土体变形减小。

（2）桩基内测斜管实测结果

为了研究不平衡堆载对邻近桩基水平位移影响，现场试验中主要在边桩SZ1 和中心桩SZ2 中埋设了测斜管，测斜管分别为3#、4#测斜管。其中边桩SZ1 内的3#测斜管测试结果如图8 所示，中心桩SZ2 内的4#测斜管测试结果如图9 所示。

由图8(a)可知，桩身最大位移出现在桩顶，桩身位移曲线成倒三角形，在距桩顶17 m 处出现拐点，在20 m 之后位移基本为0。堆载74 d 之后最大土体位移为68.2 mm，根据图8(b)，桩身在前7 d变化比较大，7 d 之后发生稳定的小变形，74 d 之后土体位移变形速率为0.25 mm/d，基本达到稳定状态。

图8 3#测斜管不同时间阶段测试结果(边桩SZ1)Fig.8 Testing results at different times for #3 inclinometer(side pile SZ1)

由图9(a)可知，SZ2 中桩的最大位移出现在桩顶，桩身位移曲线成倒三角形，在距桩顶15 m 之后开始发生突变，在20 m 之后位移基本为0。堆载74 d 之后最大土体位移为105.4 mm，根据图9(b)，桩身在前7 d变化比较大，7 d之后发生稳定小变形，74 d 之后桩顶土体最大位移为0.26 mm，基本达到稳定状态。

4.2.2 土拱效应分析

为了研究不平衡堆载下土拱效应规律，对比桩间土与自由土，以及对比边桩和中心桩的水平位移变化规律，现将与堆载边线相同距离的桩间土中的1#测斜管和自由土中的2#测斜管在74 d 之后的测试结果绘制于图10，边桩和中心桩内的测斜管在74 d之后的测试结果绘制如图11 所示。

图9 4#测斜管不同时间阶段测试结果(中心桩SZ2)Fig.9 Testing results at different times for #4 inclinometer(center pile SZ2)

图10 桩间土与自由土位移曲线Fig.10 Displacement curves of soil between piles and free soil

由图10 可知，堆载74 d 之后，自由土体最大位移近250 mm，桩间土体最大位移为150 mm，在上部5 m 深度范围内，自由土位移近似是桩间土位移的两倍，在距地面超过8 m 深度之后，桩间土和自由土位移基本相同，超过20 m 深度之后位移基本为0。所以，堆载对土体的影响主要在距地面20 m深度范围内，在10 m 深度内影响最为明显，桩基对土体的遮拦作用主要在距地面8 m 深度范围内。由图11 可知，堆载74 d 之后，中桩SZ2 的位移整体上都要大于边桩SZ1 的位移，在上部15 m主要变形范围内，中桩SZ2 的位移平均是边桩SZ1位移的2 倍。根据Chen 等[14]的室内试验研究，当桩间距小于8 倍桩径时，桩间会出现土拱现象[15]，而本试验桩间距为桩径的3.7 倍，所以桩间会存在土拱效应，而SZ2 是中桩，所以受到两个土拱的作用，而SZ1为边桩，仅受到一侧土拱作用的，所以SZ2 的位移近似是SZ1 位移的两倍。

图11 中桩与边桩位移曲线Fig.11 Displacement curves of center pile and side pile

5 结 论

（1）平衡堆载试验中，堆载高度达到4 m，堆载面积为24 m×16 m 时，基桩负摩阻力总和达到2 687 kN 左右，中性点深度约为29.5 m。因此，在桥梁建设时应充分考虑大面积堆载下负摩阻力对桥梁基桩的影响，而不能将桩身全部按照正摩阻力进行设计计算，负摩阻力的存在大大降低了桥梁基桩的工程荷载。

（2）平衡堆载后基桩轴力在不同测试阶段不一样，桩侧负摩阻力随时间而变化，堆载达到3 个月左右时，3 根试桩侧摩阻力基本达到稳定，说明负摩阻力存在明显的时效性，在工程中宜考虑负摩阻力的时效性影响。

（3）不平衡堆载对吹填区的影响主要在距离地面20 m 范围之内，土中最大位移出现在距离地面4～5 m 左右，而桩身最大位移出现在桩顶，堆载后一周内，桩和土的位移变化速率最大。当堆载仅为3 m 高时，桩身最大位移已经达到105.4 mm，说明在吹填区不平衡堆载对桩基的影响非常大，吹填区桩基的水平承载力是非常弱的。通过对桩间土位移与自由土体位移的对比可知，自由土体最大位移要比桩间土最大位移要小88.7 mm，说明桩基对土体的位移有很好的遮拦作用，证明了土拱效应的存在，同时，桩上部15 m 范围内，中桩水平向位移近似是边桩的两倍进一步证明了土拱效应的存在。

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