基于单桩承载力现场试验的负摩阻力数值研究

潘正中，周 洋，李国维，李博炀，熊 力

(1.广东潮汕环线高速公路有限公司，广东 汕头 515041； 2.河南工业大学，河南 郑州 450001；3.河海大学，江苏 南京 210098)

0 引言

桩打入压缩性较高的软黏土层时，桩周土体可能受到某种原因而发生固结或沉降，当土体沉降大于桩身位移时，土体对桩产生负摩阻力[1]。负摩阻力相当于对桩身施加额外荷载，导致桩身承载力相对减少，增加桩体位移。中国滨海地区广泛分布着深厚软土地层，利用桩基进行软土加固时，常常遇到桩体承受负摩阻的情况。例如:(1)桩基施工挤压软土引起超孔隙水压，孔压消散及地下水位下降都会引起土体固结沉降，上层土体极有可能对桩体带来负摩阻力；(2)在进行高速公路等工程时，有时在桩体打入软土地基后不可避免桩周区域的大面积堆载，从而引起地基沉降。有时堆载对桩周土体沉降和桩体负摩阻的影响持续到工后很长时间；(3)沿海地区近10 a来不断发展的围海造地工程带来了大量的吹填土地基。吹填土含水率极大，这些地基或全部、或局部存在自重固结未完成的状况。桩体施工后，桩周土体仍会在自重下逐步沉降。以上工况下，土体对桩体均会产生负摩阻力，桩身安全承载空间相对压缩，不利于工程安全。2006年，袁灯平等[2]则统计了由于忽视负摩阻力而造成工程事故的案例，他的研究表明工程设计、咨询和施工必须考虑负摩阻的影响。

很多学者对当前国内的基桩试桩方法、桩基设计方法[3-5]的局限性进行了试验和数值研究[6-8]。首先，根据《建筑基桩检测技术规范》(JGJ106—2014)[3]，试桩过程中桩体本身沉降大于桩周土体，桩侧摩阻力均为正值[6]，这与很多实际工况有较大出入[7]。其次，《建筑桩基技术规范》(JGJ106—2014)[3]通过将中性点以上的侧摩阻力按0计算来考虑负摩阻力，虽较《建筑桩基技术规范》(JGJ106—2014)[3]更接近事实，但与实际情况仍然有所出入；且规范仅对端承桩做了说明，忽略了摩擦桩的情况。另外很多学者依据不同的地质条件、工程状况开展了对桩基负摩阻力的试验研究[2,9-15]。例如，宗雪梅等[14]研究了黄土中桩侧负摩阻力问题；徐兵等[6]、李玲玲等[13]研究了灌注桩的负摩阻力问题；李光煜等[11]、刘兹胜等[16]研究了管桩的负摩阻力问题。

叶观宝等[8]以Indraratna等[17]于1992年在泰国进行的桩体拉拔试验结果为基础，通过有效的数值模拟和理论比较等研究手段，清晰地指出了现有规范[3-4]可能低估桩体的下拉荷载约300～700 kN。需要指出的是Indraratna等[17]的现场试验是在曼谷软黏土地层条件下进行的，与我国东南沿海软土地层条件不一致；且他的研究重点放在了沥青涂层对桩体承载力的综合影响，不涉及我国规范中指定的单桩竖向抗压静载试验。本研究则以我国粤东地区的工程实例为背景，以常见的单桩竖向抗压静载试验为基础，并通过理论分析和数值模型，研究负摩阻引起的下拉荷载对工程表现和安全系数的影响。

1 现场试验

1.1 试验概况

本现场试验位于粤东某高速公路收费站及管理大楼区域，有地质勘测资料绘制的土层概况见图1。从图中可知，桩侧上部土层为承载力较弱的淤泥质软土层，而下部为较为密实的黏土层和砂质黏土层。其中，淤泥质土体孔隙比较大，黏聚力(c)以及内摩擦角(φ)由固结快剪测得，而黏土的黏聚力(c)以及内摩擦角(φ)由天然快剪测得。由工程地质勘测资料可知淤泥质软土的压缩模量(Es)较小，不足2 MPa。

图1 试验场地的工程地质概况Fig.1 Profile of engineering geology in test field

本研究以3根桩径为1.2 m的混凝土灌注桩为测试对象，进行破坏性静载试验。桩长为60.4～66 m，均大于设计桩长(60 m)，桩身基本贯穿软黏土层。3根试桩的设计参数见表1，其中承载力容许值由设计方按照规范[5]计算而来。

表1 试桩设计参数Tab.1 Design parameters of test piles

1.2 试验平台

本次试验采用压重平台反力装置，尺寸为12×12 m2；堆载重物采用尺寸为2×1×1 m3的预制混凝土块(每块50 kN)，堆载重物逐层堆放、码放7～8层，直至24 000 kN。主梁、次梁作为堆载平台，放置在支墩上，支墩下地基采用混凝土管桩进行处理。桩顶反力装置采用4个量程为8 000 kN的液压千斤顶。

1.3 桩身轴力测量

试验中桩身轴力采用振弦式钢筋应力计，量程范围为-300～300 MPa (压为正，拉为负)。试验前，应力计沿不同深度，特别是在土层交界处附近，按图2(a)位置焊接在钢筋笼主筋上。每个深度位置处，均匀地布设钢筋计4个，如图2(b)所示。试验过程中每级荷载施加稳定后，记录桩身不同断面处钢筋应力计的频率，由此计算钢筋力及各断面轴力，两个断面之间的轴力差值就是该段桩体的侧摩阻力。

图2 应力计布置(单位：m)Fig.2 Arrangement of stress gauges (unit：m)

2 静载试验结果及分析

2.1 桩体轴力分布特征

图3展示了3根试桩Q-S曲线。由图3可知在某区间内Q-S曲线走势趋陡，可观测出较为明显的破坏特征点，可判定试桩属于摩擦型桩。取曲线曲率最大点为破坏特征点，对应荷载定为其极限承载力(Qw)。表2罗列3个桩的静载试验结果。3根桩的承载力在12 000～15 000 kN之间，其中2#桩的承载力稍低，原因来自土层性质的变化等。总体上，试桩结果可以相互验证，特别是1#桩和3#桩，试验结果可靠。桩体的试验结果将用于后续的数值模拟比较与验证。

表2 各试桩承载能力及位移测试结果Tab.2 Test result of bearing capacity and displacement of test piles

图3 各试桩Q-S曲线Fig.3 Q-S curves of test piles

2.2 桩体侧摩阻力分布特征

图4以1#桩为例，绘制了静载试验加载过程中，3个不同的荷载下桩体侧摩阻力沿深度的分布曲线。图4显示，当应力较小时，桩体上侧是侧摩阻力的承担主体，下部桩体表面基本不承担阻力。上部摩阻力明显大于下部摩阻力，桩端尾部摩阻力接近于0。随着桩顶荷载的增加，桩身通体的侧摩阻力发挥出来，下层土体是强度较高的含砂黏土层，发挥主要的侧摩阻作用。另外，淤泥质土层范围的桩侧摩阻力随桩顶荷载增大虽略有增长，但是增幅较小，而砂质黏土层范围的桩侧摩阻力随桩顶荷载增大显著增长。

图4 1#桩的桩侧摩阻力分布曲线Fig.4 Distribution curves of side friction of pile 1

由图4结果可计算总摩阻力约为13 500 kN，占极限荷载的87%，端部应力仅占13%，属于典型的摩擦型桩。且承载当上部荷载与极限荷载相当时，即15 510 kN, 按上部淤泥质软土层范围为20 m计算，软土层产生高达1 500 kN的摩阻力。

2.3 负摩阻力的影响

当在实际工况中考虑负摩阻力对桩基承载力的影响时，应在静载试验值的基础上扣除软土层产生的正摩阻力及负摩阻力可能产生的下拉荷载。实际工况下桩基单桩极限承载力取值应调整为：

Q实=Q试-Q正-Q下拉，

(1)

式中，Q试为试验测试中得到的极限承载力；Q正为静载试验过程中软土层产生的正摩阻力；Q下拉为深厚软土地区中性点以上负摩阻力引起的下拉荷载。

依据《建筑桩基技术规范》(JGJ94—2008)可以计算出桩侧负摩阻引起的下拉荷载，从而得到实际工况下桩基的承载力。以本研究中涉及的3根桩为例按式(1)计算极限承载力和安全系数(见表3)。由表3可以看出，1#桩和3#桩在不考虑下拉荷载时，安全系数大于2，而考虑下来荷载时安全系数小于2，2#桩的安全系数更是低至1.5。因此，在软土地区的工程中，若将静载试验的桩基极限承载力直接作为实际工况下桩基的极限承载力用于设计，将会导致一定的工程安全隐患。

表3 不同工况下试桩极限承载力与安全系数Tab.3 Ultimate bearing capacities and safety factors of test piles under different conditions

3 数值模拟及参数分析

3.1 数值模型及验证

采用ABAQUS有限元软件，进行三维数值模拟计算，模拟静载试验过程，模型如图5所示。数值模拟中土体本构采用Mohr-Coulomb模型，土层简化厚度为21 m的软土层、21～60 m的黏土层和下部的基岩，模型初始应力为土体自重。桩土之间接触采用面面接触，法向接触为硬接触，切向接触形式为摩擦形式，摩擦系数为tan(φ)以及最大弹性滑动距离设定为10-5m。

图5 数值模型(单位：m)Fig.5 Numerical model (unit：m)

表4列出了桩身和各土层参数的取值，其中桩体密度和弹性模量均采用使用的C35混凝土参数；土层1中土体剪切强度参数取3个淤泥质土层均值，土层2中土体剪切强度参数取2个黏土层均值。需要注意的是，数值模拟中M-C模型采用土体弹性模量(E)作为抗压强度指标。因此，如何正确估计土体的弹性模量是本模拟中的关键点。依据杨敏和赵锡宏[18]现场静载试验的研究结果，桩基土体的弹性模量应为1～8.5Es，并建议上海软土可取2.5～3.5Es。对于本研究而言，笔者取土层1中的E=2Es，土层2中的E=3Es。开始模拟时，按照与试验一致的加载顺序在桩顶施加预定荷载。由于3个试验桩距离数十米，土层性质、参数势必稍有差异，且试验结果确实也略有不同。为了更好地模拟3个不同试桩结果，在保持数值模型基本设置(几何模型、材料类型、排水条件等)不变的情况下，微调土体强度参数。

表4 桩身和土体参数Tab.4 Parameters of pile and soil

图6是各桩的数值模拟Q-S曲线与实际试桩静载试验Q-S曲线。由图6可知，数值模拟很好地模拟了全部3根试验桩的沉降趋势和总量，特别是对于1#桩和2#桩。3#桩的模拟曲线和试验曲线有所差距，但在可接受范围内。因此，总体上数值模型的有效性得以验证，并用于进一步模拟更多实际工况，研究桩基桩侧摩阻力分布情况。

图6 静载试验与数值模拟Q-S曲线Fig.6 Q-S curves of static load test and numerical simulation

3.2 多工况下桩侧摩阻力分布

在实际工况条件下，桥桩附近可能会进行大面积的回填土堆载。在1#桩静载试验数值模型的基础上，在桩周半径为5 m的范围内增加5 m高的填土堆载，模拟该工况下桩侧摩阻力，堆载速率为1 m/d。图7是桩侧摩阻力沿深度分布曲线，中性点深度大约在14.3 m处(软土层厚度2/3处)，下拉荷载大约为527.5 kN。其中由静载试验可知中性点以上正摩阻力约为1 070 kN。则可知，考虑负摩阻力，单桩的实际承载力由14 410 kN降低为12 810 kN，幅度达11%。

图7 1#桩堆载工况模拟下摩阻力分布Fig.7 Distribution of frictions of pile 1 simulated under stacking condition

3.3 软土厚度及堆载高度的影响

在土层总厚度不变的情况下，变化软土层和黏土层相对厚度，模拟侧摩阻力的分布规律。软土层厚度分别取10，20，30，40 m。图8为不同软土层厚度条件下的桩侧摩阻力模拟结果。图8所示，随软土层厚度增大，摩阻力0点深度加大，下拉荷载增大。图9显示软土层厚度与中性点深度近似为线性关系，与下拉荷载近似为线性关系。图10为软土层厚度变化对中性点及下拉荷载的影响。由图8也可间接推算出，当软土厚度远大于20 m时，实际单桩承载力相比于试验结果降低幅度远大于11%，对工程安全极为不利。

图8 软土层厚度影响下桩侧摩阻力分布Fig.8 Distribution of pile side frictions under influence of soft soil layer thickness

图9 软土层厚度对中性点深度与下拉荷载的影响Fig.9 Influence of soft soil layer thickness on neutral point depth and downdrag load

图10 回填土厚度影响下桩侧摩阻力分布Fig.10 Distribution of pile side frictions under influence of backfill soil thickness

图10为桩体周围不同回填荷载条件下的桩侧摩阻力的数值模拟结果。图10所示，随回填土厚度增大，中性点深度略有加大，下拉荷载也有所增大。图11为回填土厚度变化对中性点及下拉荷载的影响。图11显示回填土厚度与中性点深度近似为线性关系，与下拉荷载近似为抛物线关系。另外，仔细比较图8～11，负摩阻力大小和中性点位置对软土厚度更为敏感。

图11 回填土厚度对中性点深度和下拉荷载影响Fig.11 Influence of backfill thickness on neutral point depth and downdrag load

4 结论

本研究通过现场试验和数值分析研究了负摩阻力对单桩试验结果的影响，得到以下几点主要结论：

(1)试桩荷载较小时，摩阻力由上部软土层提供；试桩荷载较大时，摩阻力主要由下部黏土层提供。就本桩基静载试验而言，接近极限荷载时，软土层承担的正摩阻为1 500 kN。

(2)依据规范将中性点以上正摩阻力假定为0，同时考虑下来荷载，则试桩结果确定极限荷载需要进行大幅降低以确定实际承载力，造成安全系数显著降低。

(3)本研究建立了单桩静载试验的数值模型并进行了验证。数值模拟结果显示，当时堆载高5 m时，单桩的实际承载力降低约11%。

(4)软土层厚度增大，桩基中性点位置深度增大，下拉荷载增大。桩基周围回填土厚度增大，桩基中性点位置深度增大，下拉荷载增大。相比之下，负摩阻力大小和中性点位置对软土厚度更为敏感。