臨近堆載對深厚軟土樁基影響的現場試驗研究

丁任盛

(滬昆鐵路客運專線浙江有限責任公司，浙江杭州310000)

關于堆載對臨近樁基影響這一課題，國內外不少學者依托現場試驗開展了分析和研究。Heyman等［1］進行了確定土堤與已有樁基最近影響距離試驗。Wenz［2］開展了礦石堆場對軟土中樁基影響的現場試驗，發現土體水平位移400～500 mm時，樁達到破壞。魏汝龍［3］對閘墩下樁基和碼頭下樁基傾斜事故進行了分析，發現水閘工程問題是由于地基土的側向變形造成，而碼頭工程問題是由于不均勻沉降導致。楊敏等［4］通過對堆載引起的某廠房坍塌事故進行分析，提出了堆載大小和樁基變位的控制標準。李仁平等［5］分析了東南沿海軟土地基上橋頭路基對臨近橋梁樁基的影響。盡管如此，由于軟土的區域性、堆載與臨近樁基相互作用的復雜性，國內外棄土、堆料等堆載引起臨近樁基傾斜、失穩的案例時有發生。為此，本文針對深厚軟土地區中堆載對臨近橋梁樁基內力與變位影響開展現場試驗研究，為確定高速鐵路橋梁樁基臨近位置堆載的安全距離和后續理論分析提供依據。

1 試驗現場概況

1.1 試驗場地選擇

試驗場地位于浙江省寧波市江北區莊橋鎮邵余村附近的寧波北站貨場內，如圖1所示。場地地貌單元屬寧紹濱海沖積、海積平原，地勢相對較平坦，地面標高約1.44 ～2.68 m。

圖1 試驗場地平面圖Fig.1 Plan of test site

1.2 工程及水文地質條件

試驗場地原為河道，土層分布不均勻，厚度變化較大，主要以淤泥質粉質黏土和粉質黏土為主。從上到下具體分布如下。

雜填土:主要由塊石、碎石、礫石及少量黏性土組成，結構松散，顆粒粒徑10～50 cm，厚4.8 m。

淤泥:灰色，流塑，高壓縮性，稍有臭味，含腐植物和貝殼碎片，局部夾粉土小團塊，厚8.3 m。

粉質黏土夾粉土:青灰色，軟塑，中等～高壓縮性，含腐植物和貝殼碎片，局部地段夾粉土，厚4.8 m。

淤泥質粉質黏土:灰色，流塑～軟塑，高壓縮性，具鱗片狀結構，含腐植物和貝殼碎片，局部地段為粉質黏土，厚12.6 m。

粉質黏土:灰色，軟塑，中等～高壓縮性，中等韌性，含少量腐植物，夾薄層粉土、粉砂，40.1～43.2 m含大量粉土，厚12.7 m。

粉質黏土:褐色，可塑，中等壓縮性，中等韌性，含少量氧化鐵，局部地段為黏土，厚1.9 m。

中砂:灰褐色，中密，低～中等壓縮性，主要礦物成份為石英、長石、云母等，顆粒級配較差，黏質結膠，夾黏性土，厚2.2 m。

粉質黏土:灰色，可塑，中等壓縮性，含鈣質結核及腐植物，夾細砂層，局部地段粉粒含量高，厚2.8 m。

試驗場地地表水系較發育，主要賦存于河塘溝渠，以大氣降水補給為主。排泄以側向徑流為主，水量豐富。

淺部地下水以孔隙潛水為主，水位變幅受附近江河水位的影響，隨季節性有所變化，一般變幅在0.5～1.0 m左右。第2層為弱承壓水，賦存于中砂層中。勘探期間由鉆孔中測得綜合穩定水位深度在地表以下0.40 ～1.0 m。

2 試驗方案

2.1 試驗目的與規劃

通過該試驗，擬達到以下目的:

1)掌握不同堆載條件下，單排樁樁基礎的內力與變位規律;

2)了解樁基礎內力與變位隨堆載高度、距離的變化規律。

為此參照杭甬鐵路客運專線樁基礎設計參數，在試驗現場專門制作了3根直徑1.0 m，長度45.0 m，間距 3.0 m 的鉆孔灌注樁，上設長 7.4 m，寬1.4 m，高1 m的鋼筋混凝土承臺，形成單排樁基礎進行試驗。試驗樁基的立面與平面布置示意圖見圖2和圖3。計劃堆載長度a=25.0 m，寬度b=10.0 m，實際加載過程按附加應力分級控制，模擬最大荷載70 kPa。堆載位置按距離承臺邊緣15.0，10.0 m 2種情況考慮。

圖2 堆載試驗立面示意圖Fig.2 Elevation of surcharge test

圖3 堆載試驗平面布置示意圖Fig.3 Plan of surcharge test

2.2 測試項目與測點布置

根據試驗目標確定的測試項目有樁身應力/應變、承臺及測斜管管口水平位移、試驗樁與堆載之間土體的深層水平位移，各試驗項目選用的測試元件與儀器設備見表1。

表1 堆載試驗項目與測試元件、儀器Table 1 Test project，components and instruments

參見表1，在測試樁鋼筋籠的不同高程上布置應變計，對樁體應力/應變進行測試，獲得樁身應力/應變分布規律，并以此分析樁身彎矩變化情況。對每根試樁，同一高程上的混凝土應變計沿垂直于承臺長度方向對稱布置。3根試驗樁上的應變測試斷面沿豎向采用交錯的布置方式，以保證導線順利引出，并降低試驗成本。

在樁基礎與堆載之間的土層中布置深層水平位移量測裝置，以獲得不同位置土層水平位移沿深度的分布規律。深層水平位移測點距離試樁中心的距離分別為2.2，3.7 m，試驗中采用2種測斜裝置進行觀測，分別為滑動式測斜(圖3中以H標記)和固定式測斜(圖3中以G標記)。

在承臺四角和各個測斜管管口布置位移觀測點，采用全站儀對承臺和測斜管管口進行水平位移觀測，獲得承臺和測斜管管口水平位移隨堆載距離、荷載強度的變化規律。

2.3 加載方式與持荷時間

本次試驗共進行兩大工況，其中第一大工況又分為A1－1，A1－2和A1－3 3個小工況，第二大工況又分為A2－1，A2－2 2個小工況。堆載的方式與持荷時間如表2所示。

表2 堆載試驗工況表Table 2 Working conditions of the test

3 堆載作用下的樁基性狀變化分析

通過對現場試驗結果的整理，獲得不同堆載條件下樁身彎矩、樁身位移、樁側土深層水平位移的分布規律，分析堆載作用引起的樁基性狀變化。

3.1 樁身彎矩

式中:Mi為i斷面彎矩;E為樁身彈性模量，本試驗樁身混凝土等級為C40，根據《混凝土結構設計規范 GB50010—2002》，取 E=32.5 GPa;I為截面對中性軸的慣性矩，本試驗樁徑D=1 m，則

2式相減，可得

根據混凝土應變計實測結果，由公式(2)可以計算得到各個工況樁身的彎矩圖，如圖4所示。

從圖4可以看出:

1)各工況樁身彎矩的分布規律基本相同，地面下0～7 m，樁身承受負彎矩(堆土側受拉)，7 m以下樁身承受正彎矩(堆土對側受拉)。樁身彎矩的最大值大約都出現在地面下14 m處，分析認為這是由于4.8～13.1 m深度范圍內為淤泥質軟弱土層，堆載作用下土體位移更加明顯所致各工況堆載引起的彎矩主要發生在樁身上段，地面26 m以下樁身彎矩均小于10 kN·m。

2)隨著堆載荷載強度的增加和距離的臨近，樁身彎矩正、負彎矩均呈現增大趨勢。工況A1－1，A1－2，A1－3，A2－1和 A2－2的最大彎矩分別為37.886，65.802，101.694，123.628 和 293.118 kN·m，通過A1－1，A1－2和A1－3工況的對比可知，堆載距離不變，樁身彎矩隨著堆載強度增加而增大;對比A1－3和A2－2工況可得到:荷載強度不變，隨著堆載距離的減小，樁身彎矩增幅明顯。

3.2 樁身位移

橫向受力情況下，基樁上任意一個樁單元(i單元)轉角示意圖如圖5所示。

假設從i斷面到i+1斷面之間任一斷面的應變差值可根據兩斷面應變差值線性插值，則距離i斷面z處斷面的拉、壓應變差值為

式中，li為i單元的長度。

圖5 樁單元轉角示意圖Fig.5 Angle of rotation of pile unit

式(4)對z積分可得轉角公式

將z=0代入式(5)，得到

將z=li與式(6)代入式(5)，可得到i+1斷面的轉角θi+1與i斷面轉角θi之間的關系

z=0時，i斷面的位移為

將 z=li，式(6)、式(9)代入式(8)，可得到 i和i+1斷面水平位移xi與xi+1之間的關系

式(5)再次對z積分可得位移公式

試驗數據處理時，由于樁長較長，可近似取樁端轉角為0和位移為0，逐段向樁頂計算。由于試驗元件測量系統誤差的存在，依據樁頂觀測點位移觀測值，將總體誤差根據各測試單元長度按比例分配，得到各測試斷面位移修正值。

由埋設在測試樁中的混凝土應變計測出的樁身應變，采用公式(10)可以得到各工況樁身水平位移分布曲線，如圖6所示。

圖6 樁身水平位移分布圖Fig.6 Distribution of horizontal displacement of pile

從圖6可以看出:

1)各工況樁身水平位移均呈上大下小的分布趨勢，最大水平位移發生在樁頂處。在地面下0～20 m范圍內，樁身水平位移較為明顯;地面下20～30 m水平位移較小(＜1.6 mm);地面30 m以下的樁身水平位移接近為零。

2)工況A1－1和A1－3相比，樁身水平位移的分布規律一致，樁頂處水平位移由2.63 mm增加到4.18 mm;而工況A2－1和A2－2相比，A2－2的樁身水平位移有了明顯的增大，樁頂處增大了15.7 mm，可見堆載的荷載強度的不同對樁身位移的影響程度也不同。

3)以工況A2－2為例，堆載完成后第1 d的樁頂位移為15.88 mm，第 3 d增加到19.9 mm，說明深厚軟土地區堆載對臨近樁基的影響具有明顯時間效應。

4)工況A1－3和工況A2－2相比，堆載寬度均為10 m，荷載強度均為70 kPa，只是樁基與堆載邊緣間距由15 m變為10 m，樁身水平位移大幅增加，加載穩定后的最大水平位移由4.0 mm增加到19.9 mm。可見間距對堆載所引起的變化的影響較大。

5)工況A1－2和工況A1－3堆載寬度均為10 m，荷載強度由55 kPa增加到70 kPa，對比其樁身位移曲線，可以發現樁身水平位移隨著堆載荷載強度的增加而增加，只是增幅較小，這和堆載區域較遠(間距15 m)有關系。

3.3 樁側土深層水平位移

本次試驗對6個深層水平位移觀測點進行觀測。試驗結果表明，5個滑動式測斜孔測得的水平位移分布規律基本相同，本文選擇H2孔進行分析，距離試樁中心的距離為3.7 m，測出的水平位移分布曲線如圖7所示。固定式測斜孔G1距離試樁中心的距離為2.2 m，得出的水平位移分布曲線如圖8所示。

圖7 H2測孔深度－位移曲線Fig.7 Curves of displacement of H2hole

圖8 G1測孔深度－位移曲線Fig.8 Curve of displacement of G1hole

通過圖7～8可以看出:

1)各工況堆載與樁基之間土體的深層水平位移分布規律基本相同，總體上隨著深度的增加而減小，最大值出現在地面處;地面下0～20 m范圍內土體位移較明顯，20 m以下的土體水平位移小于2 mm。

2)隨著堆載的荷載強度和距離的變化，各個深度的土體位移逐漸增大，其中工況A2－2的堆載荷載強度70 kPa，位移穩定后由滑動測斜儀測出的H2測孔的孔口位移為64.48 mm，較工況A2－1(荷載強度55 kPa)增加了47.18 mm;固定測斜儀測出的G1孔的孔口位移為35.6 mm，較工況A2－1增加了24.8 mm。可見土體距離堆載場地越近，堆載引起的土體水平位移越大;同時，荷載的增加對土體的位移影響較大。

4 結論

1)各工況樁身彎矩分布規律大致相同，主要出現在樁身上段26 m的范圍內，彎矩的最大值出現在地下14 m處，大致位于淤泥質軟弱土層的底部。

2)堆載作用下，各工況樁身向堆載的對側偏移，其最大值出現在樁頂處，且隨深度的增加逐漸減小，地面20 m以下樁身水平位移＜1.6 mm。

3)各工況堆載與樁基之間土體的深層水平位移的最大值均出現在地面處，且隨著深度的增加而減小，地面下0～20 m范圍內土體位移較明顯。

4)各工況下，樁身彎矩、樁身水平位移、樁與堆載之間土體的深層水平位移的分布規律基本相同，但其量值均隨著堆載的臨近與荷載強度的增加而增加。

5)深厚軟土地區堆載對臨近樁基的影響具有明顯時間效應。

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