合肥地区上更新统黏土中桩土共同作用特征测试分析

王小勇，陈诚，刘振杰

（安徽工程勘察院，安徽合肥230011）

0 前言

复合桩基是由桩基和承台下的地基土共同承担上部荷载的桩基础。相较于传统桩基础设计方法，复合桩基将桩基与天然地基有机组合在一起，可以充分发挥两者的优势，既可以充分发挥桩控制基础沉降的能力，同时还能充分发挥桩对提高基础承载力的作用，可以有效地解决高层建筑基础设计时遇到的不仅要解决沉降过大问题还要解决天然地基承载力不足的问题，可以有效地降低工程造价，在工程建设中有着很好的发展前景。

关于复合桩基的设计，桩基规范已作出明确规定，在控制总体安全度及变形的前提下，复合桩基可明确按桩土应力比进行设计，但由于桩土共同作用的复杂因素，桩土间应力如何分配并没有十分明确的定论。

合肥地区上更新统(Q3)黏土广泛分布，属硬塑—坚硬状态，为超固结土，既可以作为桩基础的桩端持力层，也可作为天然地基基础持力层，是合肥地区工程建设中广泛采用的基础持力层。为了进一步探讨合肥地区上更新统黏土中复合桩基的工作机理，研究复合桩基中桩土的分担规律，在合肥市某高层住宅楼建设过程中，相关单位通过在建筑物基底埋设土压力盒和钢筋应力计，在主体结构施工阶段跟踪监测桩应力和土应力，得到桩土应力数据并开展初步分析，对于研究合肥地区上更新统黏土中复合桩基桩土应力分担特征进行了一次有益的探索。

1 项目概况

测试所选的该高层建筑物为地上34 层，地下1层，剪力墙结构，标准组合下设计总荷载约213000kN，基底位于上更新统黏土，基础型式采用桩筏基础，筏板面积470m2，厚750mm，复合桩基采用PHC 500 AB 125 管桩，剪力墙下布桩，参照以往类似经验，设计时桩土应力分担比按7∶3来计算，总桩数65 根，桩长15.0m，桩身及桩端均位于上更新统黏土中，桩间距最小值1.70m，最大约为3.75m，桩身混凝土强度等级C80，设计要求的单桩竖向抗压承载力特征值为1950kN。

2 工程地质条件

拟建场地内上覆土层主要为第四系上更新统下蜀组(Q3)黏土，下伏基岩为古近系(E)砂质泥岩、泥质砂岩，地基岩土层分布及上更新统黏土主要物理力学性质见表1、表2。

3 测试方案

桩顶钢筋应变计埋置：分别选取场地角桩、边桩、中间区域的4根桩作为试验对象，以测试桩基应力和承载力的发挥程度。每根作为试验对象的管桩各放置6个钢筋应力计，分散均匀布置，钢筋应力计附在6根钢筋上(即各成120°角），共计24 个钢筋应变计，通过测试桩顶钢管的应力推导出管桩的受力情况。

表1 建筑场地地层分布一览表Table 1. Stratigraphic distribution in the construction site

表2 上更新统黏土主要物理力学性质指标一览表Table 2. List of the main physical and mechanical properties of the upper Pleistocene clay

土压力盒埋设：在埋设钢筋应力计的管桩附近及中部区域地基土反力较大的8处埋设土压力盒。土压力盒埋设于筏板底板下约15cm 深的地基土中，土压力盒保持水平放置，通过铺砂及填水泥砂浆与周边达到无孔隙且紧密接触，每处埋设1～2个土压力盒，共计12 个土压力盒，通过测试得出地基反力(视同为地基承载力)。

桩顶钢筋应变计及土压力盒埋设位置见图1。

图1 基础平面测试元件布置示意图Figure 1. Schematic diagram for layout of foundation plane test elements

4 监测数据

桩顶钢筋应变计及土压力盒在底板钢筋绑扎完成和底板混凝土浇筑完成后分别进行了第一次测试和第二次测试，后根据实际施工进度，原则上每施工完三层，观测一组数据，施工结束后三个月、六个月、一年再分别观测一组数据。

监测期间由于施工等原因造成部分监测点破坏，但由于备份点正常工作，因此监测数据完整性和准确性总体未受过太大影响。

4.1 钢筋应变计监测推导数据

钢筋应变计共有20 只正常工作，通过钢筋应变计监测数据推导的4 根桩的应力值见表3，典型的Z14测点监测变化曲线见图2。

表3 桩应力值一览表Table 3. List of pile stress values

图2 Z1桩典型应变计（Z14）监测变化曲线Figure 2. Curve of monitored change from Z1 pile typical strain gauge (Z14)

4.2 土压力监测数据

土压力盒共有10只正常工作，土压力盒监测累计数据统计成果见表4，典型的T31 测点监测变化曲线见图3。

表4 土压力累计值统计表Table 4. Statistics of soil pressure cumulative values

图3 典型土压力(T31)监测变化曲线图Figure 3. Monitored variation curve of typical soil pressure(T31)

5 监测数据分析

通过对监测数据及监测曲线的分析，可以得知在整个施工过程中各个时间节点对应的桩土应力值和桩土应力发展情况，进而分析出桩土应力分担比例、桩土应力发展趋势和桩土应力共同作用的一些特征。

5.1 桩土应力分担比例分析

根据设计提供的参数，该建筑在标准组合下设计总荷载约213000kN，本次监测时间至竣工后一年，此时的实际荷载为106500kN 左右。根据监测数据分析，实测的单桩承载力平均值为1106.3kN，实测的土压力平均值为111.2kPa。实际由桩承担的最大荷载约为72000kN，其余的上部荷载34500kN 由土承担，地基土分担的荷载占比约32%，可得出30层左右高层建筑在上更新统黏土中采用复合桩基时桩土应力的分担比例约为7∶3，与设计采用的分担比例较为吻合。

5.2 桩土应力发展趋势分析

通过桩承载力监测曲线和地基土承载力曲线形态及相应数据分析可知，在结构施工阶段各监测桩承载力和各土压力盒监测数据总体均随楼层荷载的不断增加而增大，而且曲线也能反映出施工速度快慢对承载力影响的趋势。建至6层之后，随着楼层不断增高，桩土应力呈不断增大状态，直至竣工之时，桩土应力随楼层增加呈直线增加状态，当竣工后荷载增加缓慢，桩土应力曲线也表现出趋缓状态。这种桩土应力发展情况最直观地反映了上部荷载变化对桩和地基土受力的影响，即桩基和地基土受力均与上部荷载变化呈紧密的正相关关系。

同时，根据桩承载力监测曲线和地基土承载力曲线形态及相应数据分析，总体上，在上部荷载作用下，桩首先发挥作用，随着上部荷载的逐渐增大，桩间土逐渐分担荷载，分担比例随上部荷载的增加逐渐由小变大，结构竣工时，桩土分担比例也趋于稳定，桩间土在承载过程中反映出滞后于桩基的现象。因此，对于复合桩基，其位于较硬土层中时，桩间土承担荷载随上部荷载增加而逐渐增加，如果以单桩极限承载状态来设计桩基，那么，由于桩间土分担的荷载可作为基础设计的安全储备及桩基承载力安全的补充，可以认为这种情况下的地基基础是安全的。

5.3 桩土应力共同作用分析

根据监测数据，距桩相对较近的土压力盒测得的地基力均相对较小，而距桩较远的土压力盒测得的地基承载力则相对较大，反映了复合桩基中，桩土有明显的共同分担上部荷载的现象，桩基桩距对于桩土应力共同作用有明显的影响，桩距越小(密桩)，桩基承担的上部荷载越大，反之，桩距越大(疏桩)，地基土承担的上部荷载越大。

监测数据也表明，该建筑工程中，角桩和边桩承受的荷载明显大于中心区域桩基所受荷载，而地基土承受荷载大小值差异更大，但受部位的影响没有明显的规律。说明虽然我们在岩土工程中一般将地基土视为各向均质体，但由于建筑荷载在空间上的差异，复合桩基中桩土应力分配在场地内并不是单一值，而是随之在空间上存在相应的差异，因此，希望通过理论计算来精准地确定桩土应力比没有太大的实际意义。而在关于复合桩基具体的工程设计中，着重的还是要通过采用合理的桩土应力分担比例，确保单桩承载力及地基承载力不超过极限值，同时控制沉降差才更为关键。

6 结论和启示

(1)根据本次现场实测资料，证明桩筏基础中筏板的荷载分担现象是客观存在的，筏板的荷载分担比与场地土体的力学特性具有一定关系，对于34 层的建筑，本场地硬塑—坚硬状态的上更新统黏性土中，其荷载分担比约为32%，相对于复合桩基中土应力分担比例一般为10%～45%的区间值，其分担比处在较高位，与以往合肥地区测试的经验较为吻合，因此合肥地区30层左右的高层建筑在上更新统黏土中进行复合桩基初步设计时，可将桩土应力的分担比例设为7∶3。建议相关单位在条件许可时多开展相关测试工作，以形成成熟的理论经验，指导今后同类型工程建设。

(2)本次测试数据显示，复合桩基中，当桩间土较为坚硬时，即使采用疏桩方式布置桩基，桩基的承载力往往也达不到极限值，因为较坚硬的桩间土可能承担了比设计值更高的上部荷载。因此对于合肥地区硬塑—坚硬状态的上更新统黏土，在将其作为复合桩基的双持力层(桩基桩端持力层及承台基础持力层)时，考虑承台效应的PHC管桩墙下布桩基础方案是相对安全合理的。

(3)本次监测表明，由于土体具有蠕变性，桩土应力比实际上也一直处于变化之中，如果将复合桩基中的桩与土视为一整体，则桩土之间的应力分配变化只是整个复合桩基的内力调整，始终是个动态平衡过程，也可以看作是桩土间安全储备的转移。