竖向荷载作用下根式基础模型试验研究

刘臻，朱大勇，殷永高，邹本辉，侯超群

(1.合肥工业大学土木与水利工程学院，安徽 合肥 230009； 2，浙江大学宁波理工学院，浙江 宁波 315100；3.安徽省交通控股集团有限公司，安徽 合肥 230008； 4.中路高科交通检测检验认证有限公司，北京 100088；5.合肥工业大学汽车与交通工程学院，安徽 合肥 230009)

0 引言

随着城市建设飞速发展，土地资源利用有限，设计、施工、建造水平逐渐提高，选择合理的基础形式成为工程师面临的首要问题。由于桩基承载力高、稳定性好等特点，在一般民用建筑、桥梁、近海钻采平台、抗震工程中得到广泛应用[1]。合理使用桩基既能有效控制建筑物的变形沉降，又能提高建筑物的自身承载力。目前，桩基种类多达200余种，工程应用广泛的传统桩基形式主要有:螺旋式基础、端头扩孔式基础等。

根式基础作为一种新型的变截面基础形式由殷永高在2006年提出[2]。根式基础利用仿生学原理，通过增加桩基与周围土体的接触面来提高桩基的承载力。此后，众多学者针对根式基础开展了大量的研究。龚维明[3]指出根键能带动桩基周边土体共同发挥作用。杨光武[4]建立根式沉井在竖向荷载作用下的力学模型并结合经验公式，推导出该类基础竖向承载的分析方法，将计算结果与实测结果进行对比得出增加根键可有效提高沉井基础的承载力。周广腾[5]进行弹塑性有限元分析，探讨了根键布置位置及数量等因素对其承载力的影响。刘彦峰等[6]采用自平衡试验的方法对某长江大桥的普通桩以及根式桩进行竖向承载力试验，最终验证根键能提高桩基承载力以及减小桩顶沉降。孙敦华[7]研究表明根键在受压情况下带动周边土体承担荷载效果显著，根式基础比普通桩基承载能力大幅度提高。秋仁东[8]通过长桩基础承载力性状研究，给出桩基轴力、侧阻力、土压力的承载力随群桩沉降的变化规律并分析其承载机理。

上述研究成果提高了对根式基础承载机理的认识，同时也助推了根式基础在工程实践中的应用。目前，在安徽省合肥-阜阳高速公路淮河特大桥、安徽省池州秋浦河悬索桥等桥梁下部结构均采用根式基础。

截止目前，根式基础的理论研究已取得很大进步，但在试验研究方面仍存在一定的滞后。本文通过室内模型试验，对根式桩基进行竖向抗压实验，探究其荷载-沉降规律以及荷载在砂土中的分布特征，为工程建设提供设计参考依据。

1 室内试验模型概况

1.1 试验模型装置及土料准备

室内模型试验在一个由角钢、槽钢、工字钢通过高强螺栓拼接形成 2 m(L)×2 m(B)×2.55 m(H)的结构框架内开展。已有文献表明，桩基试验时，在土体中的应力影响范围约为(3-8)D，(D为模型桩的直径)。本次试验中，模型桩的直径为8 cm，桩基外侧到模型箱内壁距离为12.4 D，桩基底部到模型箱底部距离55 cm，满足试验要求。

为保证加载过程荷载稳定，本试验采用杠杆加载的方式。杠杆与压力传感器之间放置钢珠作为两者之间的点接触，加载装置如图1所示。

图1 模型加载装置

模型箱内土样选择干砂以保持实验过程材料特性稳定，其颗粒级配曲线如图2所示。通过室内土工实验得出砂土基本物理力学指标性质如表1所示。

试验中砂土分层填埋，分层厚度10 cm，再利用小型手提式混凝土振动压实机进行压实，当砂土高度达到30 cm时，按设计位置放置土压力盒并保证其平整，直至砂土高度达到桩基45 cm，完成填埋。选取桩基影响范围内的5个点，利用轻型触探仪进行砂土密实度检测，防止桩基周边砂土密实度不同造成试验误差。

图2 试验砂土颗粒级配曲线

表1 砂土物理力学性质指标

1.2 试验模型桩基制作

在模型桩基的材料选择上，充分考虑强度、变形方面的要求，选用尼龙材料制作模型桩。模型桩几何尺寸为直径8 cm，桩长60 cm，砂土中埋设45 cm。根键与桩基采用同种材料，采用嵌入的方式使根键与桩基形成整体构件。

本次实验将模型桩分为三类，分别为等截面桩(第1类试桩)、贯穿式桩(第2类试桩)、梅花式桩(第3类试桩)，如图3所示，试验模型桩几何尺寸以及编号，见表2。

图3(a) 第2类根键布置俯视图

图3(b) 第3类根键布置俯视图

图3(c) 桩基主视图(单位：mm)

表2 模型桩具体参数

1.3 试验数据测量

实验过程中量测系统主要分为以下几个部分:

(1) 变形量测

采用精度0.01 mm，量程50 mm的大行程百分表，测量实验过程中桩基的竖向位移。测量时百分表分布在桩基两侧，防止测量过程中出现偏心，起到数值对比的效果。

(2) 桩顶荷载量测

桩顶荷载由压力量程为5000 kg的轮辐式称重传感器测量，搭配精确量程显示器读取数据。

(3) 土压力量测

本次实验选择电阻式土压力盒测量桩基在受压情况下周围土体中的土压力变化趋势。土压力盒直径为2.8 cm，厚度为1 cm，桩底两侧的量程为0.1 MPa，桩底的量程为3 MPa。试验中土压力盒摆放位置如图4所示，1号桩、2-1号桩、2-2号桩、3-2号桩土压力盒摆放位置一致，方便实验数据比对。本次试验中，应变式测试元件采用XL 2101B6型静态应变仪测试分析系统采集。

1.4 试验加载方式

试验中采用快速维持稳定加载法进行加载。快速维持荷载法是将预计的最大加载分为若干等级，以相等的时间间隔连续进行加载并读取相应的沉降量，由此获得荷载—沉降曲线来确定桩的极限承载力[9-10]。这种方法可以减少实验时间，特别适用于砂土地基。

图4 测试元件分布图(单位：mm)

实验中，若出现以下情况，判断实验终止[1]:

1)桩基在某级荷载作用下，桩顶沉降量大于前一级荷载作用下桩顶沉降量的5倍。

2)已达设计要求的最大加载量。

2 竖向极限承载特性分析

图5为第一类试桩(1号桩)、第二类试桩(2-1号桩、2-2号桩、2-5号桩)、第三类试桩(3-2号桩、3-5号桩)的荷载-沉降曲线。

图5 荷载-沉降对比曲线关系图

可以看出，在桩基达到承载极限之前，荷载-沉降关系曲线基本处于线性变化。当荷载-沉降关系曲线变为非线性变化时，则表示桩基达到破坏状态，桩基发生沉降骤变，施加在该状态上的前一级荷载为桩基的极限承载力。整理得出试验各桩型极限承载力以及1号桩与其余试桩进行对比的情况，如表3所示。

表3 3类试桩极限承载力以及对比

由图5可知，2-1、2-2、2-5号桩当所受荷载较小时，沉降变化没有差别；当荷载逐渐变大时，2-1、2-2、2-5号桩的沉降变化成递增关系。说明根键层数对桩基承载力的提升成递增关系，根键层数越多，桩基承载力提升越大。

当荷载达到12 kN时2-2号桩、3-2号桩，以及当荷载达到19 kN时2-5号桩、3-5号桩，荷载-沉降曲线均出现明显差异，说明桩基在根键层数相同的情况下根键位置分布对桩基承载力的提升影响不同。

由表3可知，相比第1类试桩，改变桩基上根键布置位置及数量，均有提高桩基承载力功效。

从根键受力特性分析，根键在桩基上位置不同，桩基性能发挥存在差异。在保持根键数相同、根键布置形式相同的情况下，将2-2号桩、3-2号桩以及2-5号桩、3-5号桩分成两组进行试验得出数据，并绘图分析。

如图6所示，在荷载到达11 kN之前，2-2号桩、3-2号桩的曲线基本重合，当荷载大于11 kN后，3-2号桩沉降开始小于2-2号桩。造成这种差别的原因是，2-2号桩根键从4个不同方向嵌入砂土，3-2号桩根键从8个不同方向嵌入砂土，提高桩基与周边砂土契合度，更好的使试桩与周边砂土共同承担荷载，有效抑制桩基竖向沉降，对桩基的承载力提升有一定效果。

图6 2-2号桩、3-2号桩荷载-沉降曲线对比图

如表4所示，3-2号桩的承载性能相对2-2号桩有所提升。虽桩基承载性能提升不足10%，但得出在试桩根键层数相同时，根键分布位置有差异，其承载性能也存在不同。

如图7所示，2-5号桩、3-5号桩，在所受荷载达到18 kN时，承载性能开始出现差异。2-5号桩此时已达到极限承载，而3-5号桩再持续几级加载后，最终达到极限承载。同时在桩基沉降方面，2-5号桩在达到极限荷载后的沉降略大于3-5号桩。原因在于3-5号桩根键与砂土契合程度强于2-5号桩，被根键嵌入的砂土与桩基共同承担抵抗沉降，砂土能对桩基自身产生更大的侧摩阻力，对提高承载力有显著的帮助，当桩基带动土体越多时，沉降反而相对减少。

表4 2-2号与3-2号桩承载性能比较

图7 2-5号桩、3-5号桩荷载-沉降曲线对比

如表5所示，3-5号桩的承载性能相对2-5号桩提升仅有7%，而3-2号桩相对2-2号桩有10%。说明当桩基上布置根键层数越多时，根键布置位置对承载性能的提升效果逐渐减弱。

表5 2-5号桩与3-5号桩承载性能比较

第三类试桩仅对每层根键分布的位置进行调整，便可提升桩基承载力。第二、三类桩基在荷载较小时存在细微关联，在荷载作用逐渐变大后，第三类桩基沉降少于第二类桩基。在桩基根键层数相同情况下，第三类桩基相比第二类桩基承载力有显著提升。

由此得出，根键带动周围砂土共同发挥作用能显著提高桩基的竖向承载能力，从加载初期便可以显著提升桩基的竖向承载力。同时增加桩基的根键层数可以提高桩基承载力和减少桩顶沉降，改变桩基上根键的分布位置对桩基的承载力、沉降量存在影响。

3 桩底土压力分布规律

通过埋设在桩底的土压力盒，得到本文所探究的土压力分布。为近一步研究3类桩基(1号桩、2-1号桩、2-2号桩、3-2号桩)桩底砂土受力情况，参照砂土荷载传播范围摆放土压力盒，离桩近摆放较密，离桩远摆放较疏，摆放位置如图4所示，其土压力盒量程由中间向两边依次降低，并且摆放顺序不变。此处，将最贴近桩基砂土中的土压力盒所测结果进行对比分析。在荷载作用下，土压力值会逐渐增大并反映出一定规律，如图8-图11所示。

图8-图11分别是1号桩、2-1号桩、2-2号桩、3-2号桩，在荷载作用下，桩底土压力值逐渐增大的变化趋势。为研究根键带来的提升效果，此处选择1号桩、2-1号桩的试验结果进行对比分析，见表6所示。

表6 1号桩、2-1号桩实测数据对比

由图8可知，桩基在荷载作用下，桩底土压力值最大并且向四周扩散逐渐减小，但变化明显的土压力值扩散范围有限。1号桩达到承载力极限时，测得桩底土压力值变化为37%，是因桩基沉降增大，影响桩底土压力分布，但仍集中在底部。当荷载为2.88 kN和9.53 kN时，测得距离桩8 cm处的土压力值几乎相近并且较小。由此分析，1号桩桩底的应力场范围在桩基的8 cm周边以内。

由图9可知，2-1号桩土压力值变化趋势与1号桩相近，由桩底向两侧逐渐减少。2-1号桩在前两级荷载作用下，土压力值变化幅度达到94%略小于1号桩变化趋势。原因在于2-1号桩所受荷载并非直接由桩顶向桩底传递，其中一部分荷载在传递过程中被根键抵消，剩余荷载才通过桩底传递至砂土中，因此土压力值变化幅度相对减小。当桩基承载达到极限时，桩底土压力值达到711 kPa，远大于1号桩在达到承载极限时所测的土压力值。当荷载为2.3 kN、11.73 kN时，测得距离桩8 cm处的土压力值增幅大于1号桩变化幅度，同时距离桩16 cm处土压力值变化微小。由此得出，2-1号桩在砂土中应力传递范围8-12 cm。

图8 1号桩桩底水平方向变化规律

图9 2-1号桩桩底水平方向变化规律

可以看出，实测土压力近似呈V型，离桩近的值较大，离桩远的较小，随着荷载的增大，这种趋势更加明显。这是由于根键对其下一定范围内砂土有压密作用，致使桩底砂土密实度增大，造成一定的传递影响。

根键与桩基构成整体结构，增加桩基与砂土的嵌入度以及牢固度，带动更多的砂土承载竖向荷载，提高桩基竖向承载力，使土压力传递范围增大，说明根键对于力的扩散有明显的影响。

图10 2-2号桩桩底水平方向变化规律

图11 3-2号桩桩底水平方向变化规律

接下来，在荷载作用下将层数相同的第二类、第三类桩基(2-2号桩、3-2号桩)所测得土压力值进行分析对比，如表7所示。

表7 2-2号桩、3-2号桩实测数据对比

通过图10-图11可知，3-2号桩的土压力峰值相比2-2号桩略大。当2-2号桩所受荷载为2.5 kN、12.58 kN时，测得距桩16 cm处的土压力值仅存微小差距，表明较为明显的土压力值变化趋势在桩周16 cm以内。同理，3-2号桩土压力扩散范围在距桩周18 cm以内。由此得出，根键层数的增加不仅提高桩底土压力值，还增大荷载在砂土中的传递范围。

在荷载作用下，2-2号桩所测出的土压力值均比3-2号桩的土压力值小，原因在于桩基上的根键分布位置不同。2-2号桩的根键是增加同方向根键的数量，相对单层根键增加根键层数，根键在桩基上的方向不变；3-2号桩的根键通过增加不同方向上的根键，减少根键之间水平间距，来强化桩基的嵌入度，提高承载效能。当根键交错增加时，受力面上的根键间距相对减少，使桩基根键联系更加紧密。通过增加桩基受力面来充分发挥根键的效能，使桩基在沉降中带动更多砂土，从而增加荷载传递范围。2-5号桩、3-5号桩是2-2号桩、3-2号桩的增强版，提升极限承载力的原理类似，因此我们着重分析2-2号桩、3-2号桩。

1号桩、2-1号桩的数据对比得出桩基根键的作用，桩基上安装根键提高桩基的承载性能，从而扩大荷载在周边砂土中的传播范围，对土压力的扩散作用明显。2-2号桩、3-2号桩的数据对比得出，桩基根键位置分布可能存在最佳分布位置，一般的分布位置会造成根键承载力发挥不充分，试桩不能发挥最大承载特性。因此，不同分布位置的根键均会影响荷载在砂土中的传递范围，寻找根键在桩基上的最佳分布位置，是根键在设计需要的考虑问题之一。

4 结论

为了更好的发挥根式桩的特性，本文以室内试验为依托，开展了根式桩的试验研究，通过布置百分表以及土压力盒等监测仪器对相关内容进行测量，并将3类试桩的测量结果进行相互比较，得出几条结论:

(1)通过Q-S曲线知，在不同荷载作用下，试桩表现出不同的沉降特性。当荷载较小时，试桩的竖向承载力与竖向位移成正比例变化；当荷载逐渐增大时，根式桩的位移曲线斜率变化明显缓于第一类试桩。根式桩可以显著提高桩基的竖向承载特性。

(2)根键可以有效地提高桩基承载能力，根式基础的承载性能远大于普通桩基。2-1号桩承载力相对1号桩提升23%，除增加根键层数提升桩基承载力方法外，改变根键分布位置也可提升桩基承载力。3-2号桩、2-2号桩基相对1号桩分别提升43%和32%，同时3-2号桩基相对2-2号桩基提高了9%。根键层数相同的情况下，第三类桩基比第二类桩基在承载力方面有明显的提高。

(3)土中应力变化范围会根据桩基承载特性不同而有所区别。三类试桩的土中应力分布情况类似，但土中应力分布范围有明显不同。2-1号桩的土中应力范围是1号桩范围的1.5倍左右，3-2号桩基的土中应力分布范围相对2-2号桩基的应力分布更广。由此得出，根键层数、根键分布位置的变化造成桩基承载性能的变化从而对桩基砂土中传递荷载均有影响。