深厚填土区碎石土抗剪性能及桩基力学特性分析

王林峰，程 平，唐 宁，杨 柳，朱 航

(1. 重庆交通大学 山区公路水运交通地质减灾重庆市高校市级重点实验室，重庆 400074；2. 成都理工大学 地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，四川 成都 610059)

0 引 言

近年来，碎石土作为一种有着较好力学性能的岩土体材料被广泛运用于公路、铁路等基础设施的路基填筑中。常见的碎石土是不连续非线性松散体，具有非均质性，这是由于“土”和“石”之间的强度差异造成的[1-2]。由于组成碎石土的岩土材料颗粒结构、颗粒粒径、密度、强度等力学性质复杂，加之不同地区岩土体受自然环境影响，使得深厚填土区碎石土的力学能能也存在较大差异。因此，开展不同条件下的碎石土力学性能研究是保障公路、铁路工程建设，提高桥梁桩基承载性能的关键环节。

国内外学者针对碎石土和桥梁桩基等在多因素变化下的力学性能已有较多研究。宋岳等[3]和郭喜峰等[4]分别对三峡库区某滑坡体的土石混合料进行取样，进行了直剪试验和筛分试验，得到了库区碎石土在含石量和颗粒粒径变化下的抗剪强度变化规律；胡峰等[5]考虑含石量、碎石土上覆压力、土体中块石尺寸等因素，采用自主研发的大型土工抗剪强度试验仪器进行了剪切试验，揭示了土石混合体的力学性能；丁秀丽等[6]运用离散元模拟软件PFC进行了碎石土的双轴压缩试验，揭示了碎石土在一定含石量条件下的应力-应变关系，表现为台阶状；徐文杰等[7]通过野外试验，对比分析了碎石土在天然状态和浸水状态的抗剪强度变化规律；A.SIMONI等[8]和A. A.MIRGHASEMI等[9]分别通过研究发现，碎石土力学性能受含石量的影响较大；卢黎等[10]针对特殊大粒径且含有粉质黏土的较密实碎石土进行了抗剪强度分析；裴向军等[11]研究了含水率和掺砂量对双聚材料改良碎石土性能的影响。这些研究为碎石土在工程实际中的应用提供了理论参考。

由于道路建设往往需要穿过沟壑纵横、地势起伏的高山峡谷，各种类型的桥梁桩基成为工程建设所必需，为满足桩基具有可靠承载地基基础，阻止桩体负摩阻力等不利因素产生，工程上常采用深挖后再填埋的方式处理地基。程麦理[12]基于有限元数值模拟软件ANSYS分析了黄土地区桩基的承载力特性；刘源等[13]通过开展室内三位荷载试验，分析了桩周土体含水率变化对碎石桩承载性能的影响，对工程实际起到了较好的指导作用；杨剑等[14]采用数值模拟方法，将桩周土体强度参数的相关距离和变异参数相结合进行分析。

综上，笔者依托渝黔高速公路綦江北互通段公路建设工程项目，考虑深厚填土区碎石土含水率和含石量变化，通过室内试验分析了碎石土抗剪性能，采用数值模拟揭示桥梁桩基在深厚填土地基土上的承载特性。

1 碎石土物理试验

1.1 试验材料

渝黔高速公路綦江北互通段公路桥梁建设项目位于重庆市綦江区新盛镇附近，由綦江北互通及连接线组成。为更好的开展项目施工，确保桥梁桩基建设，本试验所用的碎石土原材料取自綦江区新盛镇公路桥梁桩基施工现场。该工程弃土场填土为松散堆积，填土区域厚度范围为15～40 m，填土粒径集配差，堆积年限不超过5 a。由于填土堆积时间短，又没有经过压实，目前为欠固结状态。碎石土主要由砂泥岩碎块石及粉质黏土组成，石块大小不一，填土的固结沉降将会在桩周产生一定的负摩阻力。

1.2 天然含水率测定

碎石土天然含水率采用烘干法测定[15]。选取具有代表性的碎石土土样进行称量(分为5个盒子，盒子编号为1～5)，然后放入烘箱中在105 ℃下恒温烘干8 h，取出土样冷去至室温后再称量其质量，采用式(1)计算其含水率，试验结果精确至0.01。

(1)

式中：w为含水率，%；m0为铝盒质量，g；m1为铝盒加湿土质量，g；m2为铝盒加干土质量，g。

测得的试验数据如表1，经式(1)计算得到施工现场碎石土天然含水率为8.33%。

表1 碎石土天然含水率测定结果Table 1 Determination results of natural moisture content of gravel soil

1.3 碎石土颗粒级配测定

碎石土颗粒分析实验是为测定碎石土中各粒组所占该土总质量的百分数，以便更好了解碎石土粒组成情况。笔者采用筛分法对施工现场取回的碎石土样进行颗粒分析[15]。

根据筛分试验结果(表2)绘制颗粒级配曲线，如图1。根据颗粒级配曲线，按式(2)、式(3)计算不均匀系数和曲率系数。

(2)

(3)

式中：Cu为不均匀系数；Cc为曲率系数；d10、d30、d60分别为颗粒级配曲线上小于该粒径的土含量占总质量10%、30%、60%的粒径。

经计算，Cu=12、Cc=8.3。根据标准：当Cu≥5、Cc=1～3时，为良好级配土或不均粒土；若由于该实验所用碎石土不能同时满足上述条件，则该碎石土为不良级配土。

表2 碎石土各粒组所占百分比Table 2 The percentage of each group of gravel soil

图1 碎石土颗粒级配曲线Fig. 1 Grain gradation curve of gravel soil

1.4 碎石土抗剪强度分析

抗剪强度是碎石土的重要力学性能之一，常用黏聚力c和内摩擦角φ作为评价土体抗剪强度主要参数。本试验采用YDS-2携带式岩、土力学性质多功能试验仪进行碎石土直剪试验。

碎石土直剪试验试验采用快剪法，用应力控制法施加剪应力。垂向荷载保持不变，分级施加剪切荷载，剪切前后的碎石土土样如图2。由图2可知：碎石土剪切后形成的剪切面是凹凸不平的曲面，且曲面粗糙，这正是由于土体中含有不同粒径的碎石，剪切时碎石和土体的相互错动及挤压，在剪切面内形成较为粗糙的曲面，这与一般土体的剪切面有较大区别。

图2 碎石土剪切前后对比Fig. 2 Comparison of gravel soil before and after shearing

剪切后的试验所得数据按照式(4)、式(5)处理：

(4)

式中：σ为正应力，MPa；Iσ为垂向油缸压力表预定值，MPa；Iσ0为垂向油缸压力表初值，MPa；Sv为垂向油缸活塞面积，m2；G为试样盖板、滚珠轴承、半球形座和上半部分混凝土试件的总重，kN；Sj为剪切面面积，m2。

(5)

式中：τ为剪应力，MPa；Iτ为剪切油缸压力表预定值，MPa；Iτ0为剪切油缸压力表初值，MPa；Sh为剪切向油缸活塞面积，m2；Sj为剪切面面积，m2。

1.4.1 含水率对碎石土抗剪强度参数影响

施工区碎石土天然含水率为8.3%，为研究含水率对碎石土抗剪强度参数影响，本试验设置含水率为8%、10%、12%这3种不同工况。根据式(6)计算出所需水量，然后拌合均匀试验需要的碎石土样。

(6)

式中：w为所需含水率，%；mw为土体中水的质量， g；mo为碎石土的质量，g。

采用碎石土直剪试验仪进行不同含水率下的试验，如表3；根据摩尔-库仑强度公式，绘制碎石土抗剪强度曲线，如图3；通过拟合公式求得不同含水率下碎石土的内摩擦角和黏聚力关系曲线，如图4。

由图3、图4可知：随着施工区碎石土含水量的增加，在相同正应力作用下，土样达到剪切破坏所需要的剪切应力不断减小，碎石土抗剪强度参数中的土体黏聚力随着含水率的增大先平缓减小，当含水率超过10%时，碎石土黏聚力减小较快，内摩擦角则随着含水率的增加而减小。

表3 不同含水率碎石土直剪试验结果Table 3 Direct shear test results of gravel soil withdifferent moisture content

图3 不同含水率下碎石土直剪试验曲线Fig. 3 Direct shear test curve of gravel soil with different moisture content

图4 碎石土含水率与内摩擦角、黏聚力的关系曲线Fig. 4 Relation curve between water content of gravel soil andinternal friction angle and cohesion

碎石土土体中的水具有润滑作用，这是由于土体孔隙水增多所致，由于含水量增加，碎石土中大粒径颗粒部分发生软化，相互摩擦之后棱角破碎，其强度也就降低了。这也说明，降雨条件下土体抗剪强度降低，易出现土体滑动，需加强对施工区环境监测，防止灾害发生。

1.4.2 含石量对碎石土抗剪强度参数影响

施工区域桥梁桩基施工段需要进行大量的填土，其碎石含量也是影响土体抗剪强度的重要因素。为合理控制填土质量，保障填土地基具有较好的承载力与稳定性，需要通过试验确定碎石土含石量对其抗剪强度参数影响。设计碎石土样的含石量分别为20%、40%、60%。控制碎石土的含水率为天然含水率8.3%，按照碎石土直剪试验步骤开展试验，试验结果及分析如表4和图5、图6。

由图5、图6可知：随着施工区碎石土中碎石含量增加，在相同正应力作用下，土样达到剪切破坏所需要的剪切应力不断增大，碎石土抗剪强度参数中的土体黏聚力随着含石量增加逐渐减小，内摩擦角则随着含石量增加而增大。

碎石土黏聚力主要由其中的黏土提供，内摩擦角主要由大粒径块石提供，当碎石含量较少时，碎石土主要表现为土体性质，块石还未形成骨架，当碎石含量增多，碎石土中黏土含量减少，相应的黏聚力就减小，内摩擦角增大。这表明在采用碎石土作为深挖基坑填土材料时，要合理搭配细颗粒土与大粒径碎石含量，选择较好级配的土，经充分压实后才能保证填土地基具有较好的承载特性，满足工程需要。

表4 不同含石量碎石土直剪试验结果Table 4 Direct shear test results of gravel soils with different stonecontent

图5 不同含石量下碎石土直剪试验曲线Fig. 5 Direct shear test curve of gravel soil with different stone content

图6 碎石土含石量与内摩擦角、黏聚力的关系曲线Fig. 6 Relation curve between stone content of gravel soil andinternal friction angle and cohesion

2 桩基力学特性分析

2.1 模型建立

桩基础在岩土工程中的运用十分广泛，其力学特性不仅受桩基自身材料属性影响，还受地基填充材料在空间上力学参数变化影响。笔者采用MIDAS/GTS有限元分析软件建立深厚填土区以碎石土作为填土材料的桩基计算模型，本计算模型中主要是碎石土和桩这两种不同性质的材料，其中碎石土体为普通黏土，桩体材料为钢筋混凝土，根据施工现场填土厚度为15～40 m，设置模型尺寸为20 m×20 m×50 m，包含基岩和填土层，如图7。

图7 有限元计算模型Fig. 7 Finite element model

模型的桩径设为d=1 m，桩长设为h=30 m，土体设为均质弹塑性土层，土体和桩的计算参数如表5。桩和土体间接触面单元中的法向刚度和切向刚度分别为：KN=1×108kN/m，Ks=1×106kN/m，桩顶集中力为1 000 kN，桩周围均布荷载为100 kPa。为研究工程区碎石土填土地基单桩在荷载作用下的沉降规律和负摩阻力分布特性的变化规律，本次数值模拟分为4种工况，如表6。

表5 模型计算参数Table 5 Model calculation parameters

表6 数值模拟工况Table 6 Numerical simulation conditions

2.2 沉降分析

依据所建立有限元模型，逐级对桩顶施加荷载，根据桩体沉降随荷载的变化规律，得出单桩的极限承载力。当桩顶荷载为1 000 kN时，桩顶竖向位移为2.07 cm，如图8。

为得出单桩的极限承载力，分别设置桩顶荷载为500、1 000、1 500、2 000、2 500、3 000、3 500、4 000、4 500 kN，通过模型计算得到桩顶荷载作用下单桩的荷载-沉降曲线，如图9。由图9可知：当桩顶荷载达到3 000 kN时，桩顶沉降出现突变，桩体被破坏，此时的沉降值为55.1 mm，即单桩竖向抗压极限承载力为3 000 kN。

图8 桩体沉降计算结果Fig. 8 Calculation results of pile body settlement

图9 单桩Q-s曲线Fig. 9 Q-s diagram for single pile

为更好研究桩体在不同加载次序下的沉降，笔者根据所设置的工况分析先堆载后桩载、先桩载后堆载、先桩载再堆载最后桩载这几种情况下的桩体沉降变化，如图10。

图10 加载次序变化时的桩体沉降Fig. 10 Settlement diagram of pile when loading order changes

由图10可知：首先对桩周碎石土施加堆载至100 kPa时，桩体达到的最终沉降为47.8 mm，再对单桩桩顶施加荷载至3 000 kN时，桩体形成的最终沉降量为156.5 mm；当首先对桩顶施加荷载至3 000 kN时，桩体达到的最终沉降为55.1 mm，再对桩周碎石土施加荷载至100 kPa时，桩体最终沉降为187.5 mm；若当先对单桩施加1 500 kN荷载时，桩体先达到的沉降为27.7 mm，再对桩周土施加荷载至100 kPa时，桩体沉降为74.7 mm，最后再对桩体施加1 500 kN荷载时，桩体最终沉降等于147.3 mm。

通过分析发现，当先施加堆载时，造成的桩顶沉降变化幅度小于先施加桩载再施加堆载情况，且当先施加的桩载越大时，后续施加堆载时造成的桩顶沉降变化幅度也随之增大。先施加桩载再堆载最后桩载工况下的桩体最终沉降较小，这种加载方式对桩基承载力有较好发挥，这与文献[16]通过数值模拟的结论相似，可在工程实际中运用。

2.3 桩侧摩阻力分析

桩基摩阻力产生对桩体承载性能有着重要影响。笔者按表6中的几种工况对桩侧摩阻力进行分析，其数值模拟结果如图11。

图11 不同加载次序作用下桩侧摩阻力变化规律Fig. 11 Change rule of pile lateral friction resistance under different loading order

由图11(a)可知：单桩受到桩顶的荷载作用时，此时桩周土受扰动较小，碎石土沉降较小，位移基本保持不变，单桩位移随着外界桩顶荷载的增加而增大，桩土相对位移中桩体位移比桩周碎石土体位移大，由此形成的桩侧摩阻力为正摩阻力，且随着桩深的增大不断增加。

由图11(b)可知：当桩周土受堆载作用且桩顶无荷载时，此时桩周图受扰动较大，其碎石土体位移随着堆载作用的增加而增大且远大于桩体位移，由此在单桩周围先出现负摩阻力。由模拟可知：当在桩周土体上施加的堆载从20 kPa逐级增加到100 kPa时，出现在桩侧的负摩阻力峰值分别为-31.4、-60.8、-80.7、-100.3、-118.8 kPa。随着时间延长，桩周碎石土体逐渐沉降固结，位移和变形较小，当达到碎石土和桩体位移一致这一临界值时，桩土相对位移为零。桩侧摩阻力为零的逐渐固结稳定桩周土位移逐渐减小，当桩周土位移与桩体位移相等时，桩侧摩阻力为零。最后由于桩体位移大于土体位移，桩侧将产生负摩阻力。

由图11(c)可知：对单桩周围土体施加一定的堆载时，桩侧将产生负摩阻力；当堆载停止，开始对单桩施加桩顶荷载时，桩体位移将逐渐大于碎石土体位移；因此桩侧负摩阻力区逐渐减小，最后形成正摩阻力，实现摩阻力的重分布。由模拟可知：桩侧负摩阻力峰值由-118.8 kPa逐级减小为-98.9、-77.9、-51.5、-25.7 kPa，当荷载达到3 000 kN时桩侧负摩阻力消失。

由图11(d)可知：当对桩体施加的荷载等于1 500 kN时，桩侧仅出现正摩阻力，且逐渐增大；当堆载等于20 kPa时，桩顶开始出现负摩阻力；随着堆载不断增大桩侧摩阻力逐渐实现重分布，正摩阻力减小，负摩阻力增大；当施加1 500 kN桩顶荷载时，桩体和碎石土相对位移再次发生改变；由此形成桩侧负摩阻力随着桩顶荷载的增加而减小，正摩阻力逐渐增大，最后导致桩侧摩阻力再次重新分布。

通过模拟结果可知：当桩土发生相对位移时，深厚填土区土体在荷载作用下沉降位移大于桩体位移，初期将产生负摩阻力，由于时间增长，填土沉降变小，桩体位移大于土体位移，摩阻力出现由“负”到“正”的变化。由此可知，在桩基施工过程中，为避免桩侧产生不利的负摩阻力，要事先对填土进行夯实，使土体沉降不会过大，同时为避免桩土产生过大的相对位移，可在桩体外围设置保护套筒。

3 结 论

笔者依托渝黔高速公路綦江北互通段公路桥梁建设项目，选取该施工现场深厚填土区碎石土开展室内力学试验，并分析了以碎石土作为填土地基的桩基在不同荷载及加载次序作用下的力学特性，得到如下结论。

1)碎石土抗剪性能受含水率和含石量的影响较大，当碎石土含水率从8%增加到12%时，土体黏聚力在8%～10%范围内先平缓的由24.53 kPa减小到24.36 kPa；当含水率超过10%时，则迅速减小到21.51 kPa；内摩擦角则随着含水率增加从14.04°减小到11.86°。这表明：水对碎石土具有润滑和软化作用，降低了碎石土的抗剪强度；当含石量从20%增加到60%时，黏聚力从21.78 kPa减小到15.79 kPa，内摩擦角则从15.64°增加到26.57°。要合理搭配细颗粒土与大粒径碎石含量，选择较好级配的碎石土作为填土材料才能满足工程需要。

2)桩基沉降不仅受荷载大小影响，也受到加载次序影响。先施加堆载造成的桩顶沉降变化幅度小于先施加桩载再施加堆载的情况。施加荷载时，先桩载再堆载最后桩载工况下的桩体沉降较小，工程实际中可采用这种加载方式。

3)加载次序对单桩桩侧摩阻力变化规律有较大影响。当只桩载作用时，桩侧出现正摩阻力；只堆载时，在加载前期将产生负摩阻力，随着土体固结稳定，负摩阻力逐渐减小，达到一定时间后，开始出现正摩阻力；先堆载且使堆载等级稳定后，随着桩载施加，桩-土相对位移发生变化，摩阻力将重新分布；桩体负摩阻力的产生取决于桩土相对位移大小，在实际施工过程中，要确定合理的加载次序及加载大小。