路堤荷載下帶受力盤塑料套管混凝土樁受力及變形研究

沈 斌，張東權，劉 旭，周華東

（1.上海奉賢建設發展（集團）有限公司，上海市 201400；2.河海大學，江蘇南京 210098；3.上海匯壹土木工程技術有限公司，上海市 202150）

0 引言

塑料套管混凝土樁（TC樁）作為一種以國外Augeo樁技術為基礎，結合國內沉管管樁施工工藝而發展起來的一種新樁型樁，是一種不會由于振動擠土斷樁、成樁質量可靠、對周圍環境影響小，施工快速方便的新型小直徑地基處理方法[1,2,3]，在江浙滬地區已有廣泛的應用。但為進一步擴大TC樁的應用范圍，提高其單樁承載力及樁身穩定性。近些年衍伸開發出了在原有TC樁樁身豎向間隔設置圓形受力盤，形成帶受力盤的塑料套管混凝土樁（簡稱帶受力盤TC樁），以達到擴大TC樁有效樁徑的目的。帶受力盤TC樁作為一種新型的地基處理方法，在國內正處于初級推廣階段，尚未對它進行專門的理論研究。其主要的創新在于受力盤的使用，類似于支盤樁但受力機理及荷載傳遞機制與支盤樁存在明顯的區別[4]。由于軟土地基特殊性[5]，長期以來對軟土工程性質及其處理技術的研究始終是熱點之一[6,7]。帶受力盤TC樁在軟基處理中的技術經濟優越性已得到工程實踐的驗證[8]，但在軟土地基中的受力變形機理尚未深入系統研究。研究其在軟土地基下合理的受力盤尺寸、受力盤承載力發揮機制、受力盤TC樁荷載傳遞機制、路堤變形及穩定等科學技術問題，進一步改進施工工藝，建立適宜上海軟土地基帶受力盤TC樁實用設計計算理論，對其作為路堤樁的適用性、經濟合理性進行評價、分析和對比，積累設計和施工經驗，具有重要的理論及實踐價值。

1 工程概況

試驗場地位于上海市奉賢區奉浦大道道路建設工程橋頭處理段，根據工程地質勘查報告可知，該場地地勢較平坦，地貌類型屬濱海平原相。根據本次勘察資料，場地地基土在勘察深度范圍主要由飽和粘性土、粉性土、砂土組成，場地主要位于正常沉積區，局部受古河道切割，暗綠色硬土層缺失。擬建場地揭示9大土層，共19個亞層，由上至下發育土層主要為：

①1填土、②褐黃～灰黃色粉質粘土、③灰色淤泥質粉質粘土、③t灰色粘質粉土夾粉質粘土、④灰色淤泥質粘土、⑤1灰色粘土、⑤2灰色粉砂夾粘性土、⑤3灰色粉質粘土、⑤4灰綠色粉質粘土、⑥草黃～灰綠色粉質粘土、⑦1草黃～灰綠色砂質粉土、⑦2-1灰黃色粉砂、⑦2-2灰色粉砂、⑧2灰色粉質粘土與砂質粉土互層、⑨1灰色粉砂、⑨2灰色細砂。其中②、③、④、⑤層土為Q4沉積物，⑥、⑦、⑧層土為Q3沉積物。

2 試驗方案

針對路堤荷載下帶受力盤TC樁受力及變形機理，本次試驗分別進行了樁身受力分析、沉降性狀、荷載分擔比的現場試驗研究。通過埋設鋼筋應力計研究帶受力盤TC樁在路堤荷載下樁身軸力及樁側摩阻力隨樁身深度的變化規律；埋設分層沉降管及表面沉降板觀測帶受力盤TC樁處理段工后沉降變化；分別在蓋板上與蓋板間間埋設土壓力盒研究路堤荷載下樁土應力比。

3 結果分析

3.1 樁身受力分析

對于帶受力盤TC樁，在豎向荷載作用下，樁體通過樁端阻力、樁側摩阻力、受力盤端阻力將荷載傳遞到樁身范圍的土體中，樁頂荷載沿樁向下逐漸傳遞到土體中，樁身軸力逐漸減小，樁頂的沉降量為樁身壓縮量和樁尖底部土體的壓縮量之和。研究和分析樁基在工作荷載下的工作狀態，對樁身的軸力分布及樁身側摩阻力進行研究是非常有必要的，因此在試驗過程中在樁身埋設鋼筋應力計來測得樁身受力情況，同時樁側摩阻力也可以從測得的樁身軸力求得。

樁身軸力隨深度變化曲線見圖1，可以看出隨著深度增加樁身軸力逐漸減小，并且隨著深度增加樁身軸力減小的速度呈現加大趨勢，這說明樁頂荷載主要傳遞到了深部地基土中。從圖1中還可以看出，在樁身10 m受力盤處軸力發生突變。分析其原因可能為：路堤荷載作用下帶受力盤TC樁樁身發生軸向彈性壓縮變形以及樁端刺入土體變形，樁與樁尖土體通過摩擦作用傳遞荷載，樁與土共同作用各自承擔不同比例的外部荷載作用；豎向荷載沿樁身向下傳遞過程中必須克服樁側摩阻力，樁側摩阻力為正值時，樁身軸力隨深度非線性遞減，樁側摩阻力為負值時，樁身軸力隨深度非線性遞增，由于帶受力盤TC樁受力盤端阻力的存在，使得在受力盤位置處樁身負側摩阻力大大增加，樁身軸力隨之增加。

圖1 樁身軸力隨深度變化曲線圖

從圖2可以看出，側摩阻力隨著路堤荷載的增加逐漸發揮出來，沿樁身深度呈現先增大后減小區間變化，在受力盤位置處發生突變側摩阻力達到最大值10.0 kPa左右。分析其原因可能為：受力盤的引入使得上部荷載更加均勻的傳遞到了不同深度的地基土，使得側摩阻力沿樁身不同程度的發揮，其中在受力盤附近樁側摩阻力變化最為明顯。從圖還可以看出沿樁身有負側摩阻力存在，分析其原因可能是：在路堤荷載作用下，當荷載引起樁周土體下沉量大于樁身下沉量時，沿樁身將產生樁側負摩阻力。

圖2 樁側摩阻力隨深度變化曲線圖

3.2 樁土應力比

3.2.1 路堤填筑荷載下蓋板上與蓋板間應力變化規律

從圖3可以看出隨著路堤荷載的填筑，蓋板間不同位置的應力都迅速增加，位于蓋板中心位置的土壓力在填土加荷70 d時應力達到峰值102 kPa，然后趨于穩定，應力向樁體發生轉移。圖4所示為樁間距3 m土壓力隨路堤土填筑變化曲線圖，可以發現隨著路堤土的填筑蓋板中和蓋板間土壓力基本不變，而蓋板左側土壓力迅速增加。分析其原因可能是：土壓力盒是在澆注蓋板時放置，埋設于蓋板里面，蓋板混凝土在凝固過程產生體積收縮，由于不均勻收縮導致蓋板向左側發生傾斜，隨著路堤土的填筑，上部荷載的增加，傾斜現象越來越明顯，最終導致蓋板左側土壓力盒所受壓力迅速增加，蓋板中和蓋板間土壓力盒所受壓力變化緩慢不明顯，但是在路堤土填筑初期可以發現蓋板中土壓力明顯大于蓋板間土壓力。通過研究分析圖3可以得出：在路堤土填筑加荷過程中，從蓋板間三個不同位置的應力變化規律來看，組樁中位于蓋板中心位置處應力最大。

圖3 2 m間距土壓力隨填土荷載變化規律

圖4 3 m間距土壓力隨填土荷載變化規律

3.2.2 路堤填筑荷載下樁土應力比的變化規律

與樁筏基礎相比，路堤樁以蓋板代替樁頂筏板，并采用較大樁距。它的實質是使柔性路堤下剛性樁復合地基盡可能的發揮樁基礎的功效，最大限度的發揮剛性樁的承載優勢，以減小路堤沉降和不均勻沉降。蓋板的設置使樁土應力比這一概念了有了不同的含義，蓋板與樁體之間是剛性連接，也是樁的一部分，所以蓋板上應力與樁間土應力的比值以及樁頂應力與樁間土應力的比值都可以稱作樁土應力比。圖5和圖6分別為這兩種不同樁間距的應力比隨路堤填土荷載的變化規律。

圖6 3 m樁間距樁土應力比隨填土荷載的變化規律

從圖5樁土應力比變化曲線可以看出，路堤填土加載初期，荷載主要由樁承擔，樁土應力比值隨填土荷載增加而增加，在隨后的加載中，比值上下波動，呈鋸齒形增大，反映了墊層在后期加載中對樁土應力比的不斷調整，或者說是帶受力盤TC樁間歇式樁頂上刺和樁尖下刺的反映。這時土承擔的應力隨孔隙水壓力的消散和固結變形而下降，墊層將土的壓應力減小的一部分調節給樁承擔，樁承擔了增加的荷載，當荷載積聚到一定值時，會產生相對的滑動，造成樁頂和樁尖再次發生刺入變形，增大了刺入量，這樣把荷載重新傳給樁間土，這個過程不斷反復就造成了樁土應力比值的不斷波動，這種波動一般在填土加荷后還要持續一段時間，隨著路堤土填筑的完成變化幅度逐漸減小，最終趨于穩定。而圖6則沒有明顯的鋸齒形增大趨勢，主要是因為樁間土壓力變化緩慢且平穩，所以導致樁上應力和樁間應力比值變化趨勢不同于圖5。對比圖5和圖6還可以發現采用2 m樁間距樁土荷載分擔比例要比3 m樁間距均勻。

3.3 工后沉降監測

如圖 7Q-S曲線所示，可以看出路堤土填筑前30 d沉降迅速增加，隨著上部荷載的增加，沉降繼續增加，但沉降速率開始減緩，最終趨于穩定。從圖中還可以看出，前6個月最大累計沉降量達到105 mm，后三個月累計沉降量為7 mm，遠遠小于前期的沉降量，這主要是因為：施工前期，路堤土在附加應力和自重應力作用下發生固結，土體下沉量大；在竣工后前幾個月內，路堤土還沒有完全固結穩定，在上部車輛荷載作用下，土體下沉量依然很大，隨著時間的推移，路堤土逐漸固結穩定，帶受力盤TC樁承載力完全發揮效應，沉降速率開始減緩，最終趨于穩定。上述結果表明，經過帶受力盤TC樁加固處理后，路基沉降得到有效控制，總沉降量不大，能滿足設計要求，說明帶受力盤TC樁處理軟基加固效果較好。預壓期結束后，采用受力盤TC樁處理的橋頭路段、橋頭過渡段和一般路段月沉降速率均滿足5 mm/月的要求。

圖7 Q-S曲線圖

4 結論

（1）結合現場不同期間測得的相關數據對帶受力盤TC樁復合地基處理軟基的實際效果以及其在路堤荷載作用下的承載性狀做了初步分析。測試結果表明在路堤荷載下，帶受力盤TC樁樁身存在負摩阻力，且在荷載填筑前期和后期均存在；

（2）路堤下的沉降數據表明經帶受力盤TC樁加固處理后，路基沉降量得到明顯控制，滿足工后月沉降速率小于5 mm的要求；

（3）在路堤填筑荷載作用下，樁土應力比呈鋸齒形增加，樁土存在應力轉移過程，應力基本由樁體承擔，通過側摩阻力和盤端阻力傳遞給深層地基土體。

本文雖然通過現場試驗分析研究了在路堤荷載下帶受力盤TC樁受力及變形機理，而相關理論研究還需進一步探討。

[1]陳永輝,齊昌廣,王新泉,等.塑料套管混凝土樁單樁承載特性研究[J].中國公路學報,2012,25(3)：51-59.

[2]蘇杰.塑料套管現澆混凝土樁新型地基處理方式的試驗研究[D].江蘇南京：河海大學,2008.

[3]CHEN Yong-hui,CAO De-Hong,WANG Xin-quan,etc.Field Study of Plastic Tube Cast-in-Place Concrete Pile[J].Journal of Central South University of Technology,2008,15(s2)：195-202.

[4]盧成原,孟凡麗,吳堅,等.不同土層對支盤樁荷載傳遞影響的模型試驗研究[J].巖石力學與工程學報,2004(20)：3547-3551.

[5]張軍輝.不同軟基處理方式下高速公路加寬工程變形特性分析[J].巖土力學,2011(4)：1216-1222.

[6]徐林榮,牛建東,呂大偉,等.軟基路堤樁-網復合地基試驗研究[J].巖土力學,2007(10)：2149-2154,2160.

[7]袁燈平,黃宏偉,程澤坤.軟土地基樁側負摩阻力研究進展初探[J].土木工程學報,2006(2)：53-60,84.

[8]陳永輝,王新泉,劉漢龍,等.塑料套管混凝土樁及其加固處理軟土地基的方法[P].中國：200910024639.2,2009.