帶帽PTC型剛性樁工作性狀現場試驗研究

陳超群，雷金波，李盛芳，汪躍輝

(1.南昌航空大學土木建筑學院，江西南昌 330063;2.益陽市城市規劃設計院，湖南益陽 413000;3.中國水利水電第八工程局有限公司，湖南長沙 410000)

近年來隨著我國道路建設的迅猛發展，特別是在東南沿海地區，路線設計時很難避免深厚軟土地基，如何解決工程實踐中遇到的軟基沉降變形已引起巖土界的普遍關注。PTC管樁作為一種高強度的剛性樁，能夠有效控制沉降變形，滿足高速公路工后沉降的要求［1］。但由于樁土相對剛度差極大，極易造成剛性樁樁頂刺入量過大，因此在樁頂配置樁帽，以增大樁頂與上部結構的接觸面積，形成帶帽PTC型剛性樁［2-4］。為深入研究帶帽PTC型剛性樁在處理深厚軟土地基的工作性狀，在某繞城高速公路兩試驗區進行了帶帽剛性單樁加固軟基的現場足尺試驗，研究了不同地質條件下帶帽剛性單樁的荷載沉降、樁身軸力、地表土應力分布特征、樁土荷載分擔比等工作特性，以便進一步優化工程設計。

1 試驗區地質條件

1.1 試驗區A地質條件

試驗區為蘇昆太高速公路HC-6標，樁號為K33+324—K33+419便道南側臨近場地。該區0～8.9 m及10.6～12.0m為硬殼層，軟土主要分布在12～29 m和8.9～10.6 m處，29 m以下為性狀較好的粉土層。孔隙比為0.69～1.37，含水率24.0% ～48.3%，塑性指數為11.9～21.0，液性指數為0.32～1.25，軟土的壓縮系數為0.21～0.80mPa-1，壓縮模量為2.62～8.23 MPa，屬中高壓縮性土。

1.2 試驗區B地質條件

試驗區選擇在蘇滬公路，樁號為K10+074—K10+182便道北側臨近場地。該區軟土主要分布在0～10m和23～27 m，10～23 m土質好，可視為一硬殼層，27 m以下為性狀較好的粉土層。孔隙比為0.63～1.07，含水率為21.0% ～38.5%，塑性指數為14.3～19.9，液性指數為 0.11～1.19，壓縮系數為0.09～0.57 MPa-1，壓縮模量為3.38 ～38.6 MPa。

具體的土層參數和物理力學指標可參考文獻［5］。

2 試驗概況

2.1 試驗目的

1)確定帶帽剛性單樁的豎向極限承載力。

2)確定帶帽剛性單樁在豎向荷載作用下樁身軸力、地表土壓力及樁側摩阻力的分布規律。

3)確定帶帽剛性單樁在豎向荷載作用下樁土荷載分擔比及其變化規律。

2.2 試樁設計

試驗區A和試驗區B各設計4根樁，每根樁均進行單樁靜載試驗，兩試驗區的平面布置相同，如圖1所示。

1)兩試驗區均采用PTC-A400-65型管樁，樁帽尺寸(長×寬×厚)為1.5m×1.5m×0.4 m，樁帽頂與試驗場地地表平齊。其中試驗區A的T1和T2樁樁長為25m，T3和T4樁樁長為29 m;試驗區B的T1和T2樁樁長為17 m，T3和T4樁樁長為27 m。

圖1 試驗區平面布置示意(單位:mm)

2)單樁靜載試驗反力由錨樁提供。錨樁采用PHC-B-500-100，試驗區A、試驗區B錨樁樁長分別為31.0m和28.0m。

2.3 測試內容

1)沉降觀測:采用百分表觀測不同荷載作用下各樁頂的沉降量(豎向位移)。

2)樁身軸力:采用在樁體不同位置預置鋼弦式應力計進行測試，試驗區A中T2樁在1 m，6 m，10m，16 m，20m，24 m 處，T3，T4 樁在1 m，6 m，10m，16 m，22 m，28 m處預置;試驗區B中T1，T2樁在1 m，6 m，10m，13 m，16 m 處，T3 樁在2 m，5m，9 m，15m，25m 處預置。

3)土壓力:采用土壓力盒測量兩試驗區各試樁樁帽下0.2 m處的土壓力變化，土壓力盒距試樁中心0.5m。

2.4 加荷等級

試驗區A各試樁(T1～T4)的加荷等級分別為250 kN，200 kN，300 kN，250 kN;試驗區 B 各試樁(T1 ～T4)的加荷等級分別為140 kN，100 kN，180 kN，180 kN。

2.5 試驗方法

豎向抗壓靜載試驗采用慢速維持荷載法，并按照《建筑基樁檢測技術規范》(JGJ 106—2003)［6］的規定進行。

3 試驗結果與分析

3.1 Q-S曲線分布特征

兩試驗區各樁的靜載Q-S曲線如圖2。

由圖2可看出，兩試驗區各樁Q-S曲線均有一處較為明顯的轉折點，符合樁基沉降變形特點。同時根據規范，對于陡降型的Q-S曲線可取曲線發生明顯陡降的起點作為單樁的極限承載力。比較圖3中各試樁Q-S曲線還可發現:①兩試驗區T1和T2樁的極限承載力分別小于各自試驗區的T3和T4樁，這說明樁的長短直接影響其極限承載能力。同一試驗區帶帽長樁在荷載作用下的地基沉降比帶帽短樁小，說明帶帽長樁更加有利于控制地基的沉降。②試驗區A的T3和T4樁的極限承載力要比試驗區B相應各樁的極限承載力低，這主要是因為試驗區A的試樁穿過的地質條件較好的土層厚度要比試驗區B的少，說明不同的地質條件對各樁的極限承載力也存在影響。

圖2 兩試驗區靜載試驗Q-S曲線

3.2 樁身軸力分布特征

試驗區B的T1樁樁身軸力分布曲線如圖3所示，樁身軸力隨深度增加而減小。在同一深度處不同的荷載作用下樁身軸力不同，在荷載達到1 260 kN以前樁身軸力隨荷載的增大而增大，當荷載達到1 260 kN后，樁身軸力增加緩慢。同一荷載作用下樁身軸力隨深度的增加而減小，但在樁端處樁身軸力幾乎一致，這說明該樁為摩擦型樁。其他各樁的樁身軸力與荷載等級之間的關系與圖3相類似。

試驗區A的T3和T4樁不同深度處樁身軸力與荷載的關系見圖4。

在相同荷載下同一深度處T3樁樁身軸力比T4樁要大，說明加荷等級的大小對樁身軸力有影響。在深度較淺的區域尤為明顯，但這種影響程度是隨深度的增加而減小的，到10m深度樁身軸力基本相同。這可能是因為不同等級加載其穩定的時間不同，使得隨時間消散的附加孔隙水壓力場不同，因而導致土體力學性質發生不同的改變，從而對樁身軸力產生影響。

3.3 地表土應力分布特征

圖5為兩試驗區T1樁和T3樁在0.2 m深度處地表土應力變化曲線。由圖5可知，地表土應力隨著荷載的增大而增大，在加載初期4條曲線基本重合且斜率幾乎不變。隨著荷載的進一步增大，同一荷載作用下地表土應力出現了明顯的差異，4條曲線的斜率增加且有明顯的突變。這說明在加載初期樁體是主要的承載對象，同時樁帽下淺層地表土也有一個被壓密的過程，達到某一荷載水平后土承擔的荷載才迅速增加，土體承載性能才得到明顯發揮，這也說明了加載過程中存在樁土分擔荷載相互調整的現象。比較分析圖4和圖5還可發現，在各級荷載作用下，地表處樁身軸力(樁體分擔的荷載)與地表土應力(土體分擔的荷載)之和與其總荷載相當，符合樁體相互作用的一般規律。

圖5 試驗區T1和T3樁地表土應力隨荷載變化曲線

由圖5還可看出，試驗區A的T3樁樁周地表土應力在加載后期比試驗區B的T3樁大，這主要是由于地質條件不同所致。試驗區A靠近地表面有一剛度較大的硬殼層，土層力學性狀較好，而試驗區B靠近地表面則是一可壓縮層。加載后期試驗區A的T1樁樁周地表土應力比T3樁大，說明帶帽短樁比帶帽長樁更能發揮淺層地表土的承載作用。

3.4 樁側摩阻力分布特征

圖6 試驗區B的T1樁樁側摩阻力隨深度變化曲線

試驗區B的T1樁樁側摩阻力隨深度的變化曲線如圖6所示。由圖6可以看出，上部土層的摩阻力先于下部土層發揮作用。隨著荷載的增加，樁身壓縮量和樁土相對位移逐漸增大，下部土層的摩阻力才逐步發揮出來。圖中每一級荷載作用下，樁側摩阻力的最大值都出現在深度為9～10m處。由靜力觸探曲線可知10～23 m土質較好，土質較好的土層發揮的側阻力比土質較差的土層大。當荷載達到1 260 kN時，其各段的摩阻力增加很小或不增加甚至出現減小的現象，說明其側摩阻力已經發揮到了最大值并出現滑移，此時這部分樁側土的抗剪強度由峰值強度跌落為殘余強度，這就是樁側摩阻力的軟化現象［7］。

3.5 樁土荷載分擔比

兩試驗區樁土荷載分擔比如圖7和圖8所示。

由圖7和圖8可知樁土荷載分擔比是隨著荷載而變化的，在未達到樁各自的極限承載力時，土的荷載分擔比趨近于恒值，其值介于0到0.1之間，樁的荷載分擔比在0.9到1之間，樁是主要的荷載分擔者;當樁達到極限承載力后，土的荷載分擔比迅速增加，土承擔的荷載迅速增大，最后試驗區A樁的土分擔比為0.3～0.6，試驗區B樁的土分擔比則為0.1～0.3。說明地質條件對單樁樁土荷載分擔比有比較明顯的影響。試驗區A是上部有一硬殼層，而試驗區B上部則是一可壓縮層，說明土體的力學性能越好，其分擔的荷載就越多。而且在同一地質條件下不同樁長也使得荷載分擔比不同，就樁的荷載分擔比而言，同一荷載作用下長樁比短樁要大。

4 結論

1)帶帽長樁承載能力比帶帽短樁要強，控制沉降能力也比短樁強。

2)樁身軸力自上而下發揮。不同的加荷等級對樁身軸力有影響，并且隨深度有明顯遞減的趨勢，在10m深度時樁身軸力基本趨近相同。

3)地表土應力隨荷載增加由慢到快增大。地表土層條件和樁長是影響地表土應力大小的重要因素。

4)樁側摩阻力的大小隨荷載的變化而變化，土質越好的土層發揮的樁側摩阻力越大，摩擦型樁應盡量多地穿過地質條件較好的土層。

5)樁土荷載分擔比與樁長和土層條件等因素有關。樁體越長，樁的荷載分擔比就越大;土體的力學性能越好，其分擔的荷載就越多。

［1］蘇振明，陳擁軍.PHC管樁荷載傳遞特性研究［C］//中國土木工程學會第九屆土力學及巖土工程學術會議論文集.北京:清華大學出版社，2003:439-448.

［2］何良德，陳志芳，徐澤中.帶帽PTC單樁和復合地基承載特性試驗研究［J］.巖土力學，2006，27(3):435-441.

［3］雷金波.帶帽剛性樁復合地基荷載傳遞機理研究［J］.巖土力學，2007，28(8):1643-1649.

［4］雷金波，陳超群.帶帽控沉疏樁復合地基優化設計及其工程應用［J］.鐵道建筑，2011(1):66-69.

［5］雷金波，陳從新.帶帽剛性樁復合地基現場足尺試驗研究［J］.巖石力學與工程學報，2010，29(8):1713-1720.

［6］中華人民共和國建設部.JGJ 106—2003 建筑基樁檢測技術規范［S］.北京:中國建筑工業出版社，2003.

［7］張忠苗.樁基工程(第一版)［M］.北京:中國建筑工業出版社，2007.