深厚土石填方体基桩负摩阻力的原位试验研究

敖国碧 杨文学

(1.贵州有色地质工程勘察公司，贵州 贵阳 550005； 2.贵州桥梁建设集团有限责任公司，贵州 贵阳 550005)

贵州地区山岭及丘陵较多，且地质水文条件相对复杂，土石混合料作为一种基础填料，越来越广泛地应用于各个工程领域中。土石混合料是由土和岩块(碎石)组成的复合体。其压缩变形参数不仅取决于土料和石料本身的强度，还与混合料的空隙压密、粗颗粒的接触状态、细粒的含水量等众多因素有关，但各因素的影响机制目前并未有统一的结论。土石混合料虽然包括一部分石料，但是其中的土料所需的固结时间较长沉降较大，产生桩周负摩阻力，引起基桩下拉荷载，极易造成桩端地基的屈服或破坏、桩身破坏、结构物不均匀沉降等影响，如在桩基设计时未能充分合理考虑类似负摩阻力的影响，会给工程建设带来安全隐患。近年来，由于桩基在回填土、软土、湿陷性黄土地区的应用越来越多，针对负摩阻力的研究进行了大量的现场试验，得到许多极有价值的研究成果。

参考文献[1]针对浙江省宁海县某软土场地中的桩基础进行了负摩阻力特性现场测试，试桩桩长分别约37.1 m和27.6 m，桩径相应为1 m和0.8 m的冲击锤成孔灌注桩试验结果表明，成桩工艺对负摩阻力的影响较大。参考文献[2]针对太浦河泵站变配电站地基中部分桩身处于厚度在2 m～10 m的回填土中的钻孔灌注桩(桩长分别为20.05 m和18.55 m两种，桩径为0.8 m)进行了负摩阻力特性现场试验，根据试验资料，由于桩周填土体的固结沉降引起0.2倍～0.4倍桩长范围内存在桩侧负摩阻力，负摩阻力呈上部土层大下部土层小的规律，在地基未稳定之前，中性点的位置也随之变化。参考文献[3]通过针对软土地基中桩长为43 m、桩径为1.0 m的桥台钻孔灌注桩基进行现场试验，试验结果显示，台后填土对桥台桩轴力的影响不仅发生在填土回填期间，而且在相当一段时间里仍有一定的影响。参考文献[4]对宁海电厂工程2组冲孔灌注桩的现场负摩阻力进行试验研究发现，桩身最大轴力随固结时间而增大，中性点位置也随时间略有上移，现场试验得出的桩侧摩阻力系数为0.3～0.4。参考文献[5]进行了现场桩基负摩阻力的监测工作，依托于巨腾国际内江基地一期工程，从近30 m回填土施工、桩基施工开始一直到上部结构施工完成，即桩体应力和变形基本达到稳定为止，历经2年时间。试验监测资料揭示，在新近厚填方体采用嵌岩桩时，填土负摩阻力很难消除，只是经过一段时间的自然固结后，会大幅消减负摩阻力的大小和作用范围。

为了系统的研究土石混合料中基桩负摩阻力发挥机制，本次在贵州某深厚土石混填方工程中选定几根基桩进行负摩阻力、桩周土沉降的长期原位试验研究，为类似土石混合料高填方中的桩基工程设计提供参考和借鉴。

1 工程概况

根据场区地形特点，本工程采用平坡式布置，结合土石方综合平衡的原则，场平标高为1 341.7 m。场地整平后，场地最大挖方高度约28 m，最大填方厚度约22 m。挖方区除去表层较薄的耕植土，红黏土层，即为强度稍高的红黏土、含碎石粉质黏土及基岩，因此挖方区可采用天然地基，而未经处理的填土地基，不宜作为建(构)筑物的基础持力层，对填土较厚区域的建(构)筑物的基础采用强夯+钻孔灌注桩处理方案。

1.1 地形地貌

工程区域地貌单元属低中山峰丛地貌，地形起伏较大，地面高程约为1 329.0 m～1 369.0 m，地形坡度一般为10°～20°，局部陡坡地带为25°～38°。拟建场地由数个较低缓的山丘和三条丘间冲沟组成，沟谷多呈宽阔“U”形，局部呈“V”形，丘顶多呈浑圆状。

1.2 地层岩性

本场地地基岩土层从上到下依次为素填土、红黏土、粉质黏土、基岩，描述如下：

①素填土：0 m～10 m，新近回填的，褐灰色、黄褐色、紫红色，主要成分为黏性土，混少量碎石、块石及角砾，碎石主要成分为页岩及灰岩，棱角状，粒径2 cm～8 cm，稍密～松散。

②红黏土：10 m～23.5 m，母岩以灰岩为主的残坡积物，棕红色，棕黄色，含较多碎石，粒径0.5 cm～2.0 cm，碎石成分为灰岩，土体中裂隙发育，稍湿～湿，以可塑状态～硬塑为主。

③粉质黏土：23.5 m～27 m，颜色较杂，黄色为主，次为褐黄色、褐红色、绿灰色、深褐色，含50%～10%页岩、泥岩及灰岩的岩屑碎块，碎块局部富集，含少量铁猛质氧化物，偶见灰白色物质，属于碳酸盐岩风化残积层。稍湿，硬塑状态。

④基岩：27 m以上，以灰岩为主，夹灰质白云岩、白云岩。青灰色、深灰色及灰黑色。隐晶～微晶结构，薄～中厚层理构造，灰质白云岩、白云岩次之，中等风化。

1.3 桩基特征

拟建场平标高为1 341.7 m，填土厚度约22 m，桩端持力层为中风化灰岩，进入持力层1 m，最大桩长约为28 m；服务区办公楼填土厚度约11 m，桩端持力层进入含碎石粉质黏土深度为3 m，最小桩长约18 m。均为旋挖成孔灌注桩，桩径800 mm，C30钢筋混凝土。

2 基桩原位试验

在深厚土石混合填方体中，为确保旋挖灌注桩的成桩可行性、成桩工艺及成桩质量，积累经验，获取桩基持力层的有关资料，为桩基持力层的合理选择提供依据。本次试验通过单桩竖向抗压静载试验和高应变检测，获得旋挖成孔灌注桩在竖向抗压荷载作用下单桩极限承载力，桩周土的极限侧阻力和极限端阻力，评价桩的荷载—变形特性、桩周土沉降与基桩负摩阻力的关联性等相关参数，为桩基方案优化及工程桩的设计、施工提供依据。现场监测的工程桩采用旋挖成孔，孔深为28 m，在桩顶往下0 m～10 m范围内以1 m间距布置光纤测点，10 m～18 m范围内以2 m为间距布置光纤测点。基桩光纤测点布置见图1，桩周土分层沉降仪布置见图2。

同时在桩周土采用分层沉降磁环测定桩周土沉降，在安装监测光纤的工程桩附近5 m左右的位置埋设分层沉降标。分层沉降标为一磁环(见图2)，磁环四周有3个不锈钢卡片，安装时卡片倾向上，周围土层沉降时，卡片带动磁环沿沉降管下滑，每个分层沉降标采用2 m间距布置。

3 监测结果及分析

3.1 桩周土沉降监测结果

测试周期为360 d，埋设时沉降管一直伸至基岩面，以底部沉降磁环为参考磁环，四个沉降管的沉降曲线如图3所示。

从图3可以看出，在沉降管埋入后第一个月内，四个沉降管各位置均无沉降(磁环与桩周土接触差)，1号沉降管和3号沉降管位置是在沉降管埋入后30 d～180 d内沉降快速增长，后期沉降趋于稳定；而2号管是从沉降管埋入后30 d～150 d内沉降快速增长，后期沉降趋于稳定，4号管是从沉降管埋入后30 d～120 d内沉降快速增长，后期沉降趋于稳定。同一测量时刻，四个沉降管位置各深度处显示浅层沉降大，而深部沉降小。其原因有两方面：一方面土石填料虽然在填筑过程中压实度较小，但是在逐层填筑过程中二次对下卧已填土层进行了二次压实，加之上覆填筑层逐渐增大上覆荷载，且分层填筑碾压过程中压实机械的压实作用力会对下层填筑层产生二次压密作用等，密实度得到了进一步的提升，所以变化值较小；另一方面沉降在深度方向上是累加体现的，同一平面位置，地面点的沉降是相同位置深度范围竖向位移的累加体现，所以越往浅部位置走磁力沉降环测得的分层沉降值越大。

3.2 基桩轴力与负摩阻力监测结果分析

由于本次监测过程中房屋建筑上部结构未施工，外加是嵌岩桩，可认为桩侧阻力的变化值是由新近填土的次固结沉降引起，为纯负摩阻力。在测量桩周土分层沉降的同时，采用光纤解调仪测取安装在桩身钢筋上光纤点波长数据，并通过公式换算成各点处的轴力值，再进一步通过轴力值换算成为桩侧摩阻力值。两根试验桩桩身轴力及摩阻力监测值见图4，图5。

从图4,图5可直观看出轴力变化的规律和趋势，桩基施工后约2个月，2015年9月18日桩侧有明显的负摩阻力，由于桩顶无荷载，且为嵌岩桩，图4和图5都是由于桩侧填料下沉时对桩产生向下的位移或位移趋势，给桩体施加了一个下拉荷载，这一荷载使桩体轴力发生变化。负摩阻力产生的原因很多，对于新近填土而言主要是由于新近填土在自重作用下产生新的固结沉降引起。结合图3四个分层沉降管的沉降也可以发现，在2015年9月18日四个沉降管各位置都发生了一定的沉降，正是桩侧土的沉降激发了桩侧的负摩阻力值。

为了方便对两根试验桩进行对比，取60 d，125 d，184 d和360 d典型数据绘制桩身轴力及桩侧负摩阻力，如图6，图7所示。桩侧负摩阻力在184 d内随时间增长而增加，正负摩阻力交界点位置随时间增长而下降，在184 d以后，桩侧负摩阻力基本不变。

3.3 中性点分析

作为承受负摩阻力的桩体设计而言，一个重要的概念即中性点，有三个取值方法[6]：桩周土与桩体位移相等的点、桩身轴力最大的点、正负摩阻力的分界点。

根据桩身轴力中性点的确定原则，图4，图5中显示2015年9月18日～2015年10月21日这一时段中性点深度为7 m，随后一个月后中性点下移到8 m，再往后至2015年12月17日中性点下移9 m，直至2016年1月20日以后，中性点定在10 m，并趋于稳定。由于土石混合料回填完成后即开始桩基施工，在此期间，土石混合料自身的主固结期加剧沉积，以及相应的桩侧负摩阻力发挥逐渐体现，所以前期的180 d沉降明显，为土石混合填料的固结沉降。

3.4 负摩阻力发挥时效和桩周土沉降的关联性分析

两根基桩各深度段桩侧摩阻力随时间变化曲线，见图8，180 d往后，负摩阻力值基本不发生变化。结合图3四个分层沉降管的沉降也可以发现180 d后桩周土沉降速率明显变慢，在前期的6个～8个月沉降基本已经完成，若地面无附加荷载施加，桩侧负摩阻力已经趋于稳定。另外从图8可以看出8 m～10 m段的桩侧摩阻力由起始的正摩阻力随着桩周土进一步固结转换成负摩阻力，说明深部填料随着时间延续都会进一步稳定。

桩侧土体的沉降与桩侧负摩阻力的发挥是宏观同步的，而从发挥机理上应是先有桩周土沉降，然后激发了桩侧负摩阻力，对桩体形成附加荷载，桩体发生变形，桩侧阻力发生调整(由于桩变形，中间点略有上移)，如此反复调整达到平衡。

4 结论

通过现场原位试验研究了土石混合料高填方体中基桩负摩擦力的发挥机制，经过对监测数据的分析，得到以下结论：

1)新近回填地基在其自重作用下的固结需要一定的时间，这期间的固结状态与填料的含水量、密实度、填料成分都有关。本次大型土石混合料填方体的固结时间主要集中在前8个月，即240 d，240 d以后，固结沉降基本已完后，后期的固结沉降较小，基本可忽略不见。填料固结沉降在深度方向上是上大下小，但并未线性递减的趋势。

2)回填土在固结沉降的同时即激发了桩侧负摩擦力，二者的出现和变化规律是一致的，本工程中，在桩基完成后前4个～5个月，固结沉降随时间急剧增加，后期基本趋于稳定，所以桩侧负摩擦力是前4个～5个月急剧增长，后期趋于稳定。由于整个监测过程中，桩顶并未施加荷载且为嵌岩桩，桩身测得的轴力变化基本都是负摩擦力引起的，由于固结沉降沿深度减小，所以直至固结沉降稳定后也只有浅部的0 m～3 m左右的负摩阻力达到极值，深部由于桩土间位移越来越小，其负摩阻力并未完全稳定。