根式基礎豎向承載性能的現場試驗及數值模擬

王中明

(黃淮學院 建筑工程學院， 河南 駐馬店 463000)

根式基礎作為一種新型的基礎形式，最早由殷永高[1]于2007年首先提出并應用于深厚軟土地基的基礎工程實踐中，經過十余年的發展，目前其已在基礎工程領域得到了較為廣泛的應用，發展成為一種新型的基礎形式。但是其承載機理不但與基礎本身的特性相關，而且與土層條件密切相關，為此，不同學者針對不同樁體形式及土層條件分別采用現場及模型試驗、理論分析及數值模擬等方法對根式基礎的承載性能進行了深入研究。

首先在試驗研究方面，龔維明等[2,3]采用自平衡法對工程用和試驗用兩種根式基礎的承載性能進行了試驗測試，研究了軸力、側阻力和根鍵彎矩的分布規律，發現根式基礎在提高承載力及降低沉降等方面均大大優于同直徑的沉井基礎。龔維明等[4,5]以馬鞍山長江大橋橋墩基礎為工程背景，通過現場試驗研究了深厚覆蓋土層地區根式基礎的承載力，發現根鍵能充分調動周圍土體的強度，最終提高根式基礎的豎向承載力。龔維明等[6]通過現場試驗研究了沉井側壁注漿對根式沉井豎向承載性能的影響，發現頂入根鍵和井側后注漿均可大幅提高沉井的豎向極限承載力。余 竹等[7]對池州長江公路大橋某橋墩的根式基礎開展了靜載試驗，分別采用自平衡法和堆載法對根式基礎的極限承載力和樁身側摩阻力進行了測定，結果表明根鍵承擔了較大部分的荷載，因此根鍵的存在能大幅提高基礎的承載力。章征等[8]對某長江大橋南錨碇根式沉井基礎進行了豎向承載力試驗測試，對根式沉井基礎及頂入根鍵前的普通沉井基礎的豎向承載力進行了自平衡試驗測試，發現根鍵對提高沉井基礎豎向承載力效果顯著。龔維明等[9]在淮河特大橋基礎和馬鞍山長江大橋南錨錠基礎分別進行了現場原位沉井基礎頂推根鍵前后的水平靜載試驗，發現沉井基礎在頂推根鍵后極限承載力分別提高了約60%和100%。同時采用慢速維持荷載法測試了帶承臺群井體系的水平承載力及變位情況，研究了根式沉井基礎群井效率系數。孫硯等[10]采用模型試驗對比研究了無根鍵、1層根鍵和5層根鍵等3種不同工況下的基礎豎向極限承載力，認為有根鍵時樁側摩阻力發揮更為充分，采用根鍵不但可以減少工程量、降低造價，而且還可大大提高基礎承載力。劉臻等[11]采用模型試驗研究了根鍵位置不同對根式樁豎向承載特性的影響，認為根鍵分布位置對樁基承載力效能發揮有顯著影響。Dai和Gong[12]采用雙向靜載試驗對根式沉井的豎向承載力進行了試驗測試，發現根鍵的存在大大提高了根式沉井豎向承載力，降低了沉井頂部沉降。

其次在數值模擬研究方面，朱小軍等[13]在對根式沉井進行室內上拔模型試驗的基礎上，運用ABAQUS軟件對試驗進行了數值模擬，結果表明根鍵能調動更大范圍內的土層發揮抗拔作用，進而顯著提高根式沉井的抗拔性能。殷永高等[14]對馬鞍山長江大橋橋墩根式沉井基礎的豎向及水平承載力進行了現場載荷試驗及數值模擬研究，結果表明根鍵能夠帶動沉井基礎周邊大范圍土體共同承擔，進而大大提高根式沉井基礎承載力。付守印[15]利用FLAC3D軟件研究了根鍵分布角度對根式沉井水平承載力的影響。盧永剛等[16]采用數值方法研究了沉井基礎Q-s曲線和井身變形情況，并與試驗結果進行了對比分析。

最后在理論研究方面，丁二虎等[17]將根式基礎的豎向承載力視為井壁的極限摩阻力、井底極限端承力以及根鍵下部土體的極限反力等3部分之和，從而得到了根式基礎豎向承載力的簡化計算方法。楊光武等[18]通過對馬鞍山長江大橋橋墩基礎的力學分析，建立了根式沉井在豎向荷載、水平荷載及其組合作用下的力學模型。胡紅波等[19]通過理論分析及數值模擬研究了根式基礎在密實砂土區的豎向承載力，認為根鍵對增加根式基礎側摩阻力的能力有限，但是可大大提高基礎底面的豎向承載力。胡豐等[20]基于荷載傳遞法及Winkler 地基梁理論，通過考慮根鍵彎曲及重疊折減效應，推導了含受彎根鍵的根式沉井承載性能的彈性解答，并給出了豎向位移和軸力隨深度的分布曲線。

然而雖然前人已對根式基礎承載機理進行了較深入的研究，但是由于根式基礎的承載特性不但與基礎本身有關，而且還與土層條件及基礎 - 土體間的相互作用密切相關。因此對每一個具體工程都有其鮮明的個性特征，為此本文依托浙江某高速公路改擴建項目，針對該工程中普遍存在的深厚軟土地層中根式基礎的承載特性及機理展開深入研究。首先通過現場靜載試驗對比研究普通樁基礎和兩根根式樁基礎在深厚軟土區的承載特性，而后通過數值模擬方法研究根鍵參數對根式樁基礎承載特性的影響規律，以進一步深入理解根式基礎的承載機理。

1 試驗概況

1.1 試驗背景和地質條件

試驗地點選擇在浙江某高速公路改擴建工程的某高架橋第40#，41#，42#橋墩之間，對兩根根式樁基礎和一根普通樁進行現場靜載試驗，試驗樁布置圖及樁體參數分別如圖1和表1。樁基類型均為Φ1600鉆孔灌注樁，樁身混凝土為C25，設計樁長為20 m，采用混凝土護壁水下澆灌混凝土工藝，樁體結構如圖2。其中根式樁1#的根鍵間距110 cm，第一層根鍵布置在樁頂下2.0 m處，共布置16層，每層4個根鍵，共計64個根鍵；根式樁2#的根鍵間距220 cm，第一層根鍵布置樁頂下2.0 m處，共布置8層，每層4個根鍵，共計32個根鍵。試驗樁均現場制作，且養護28 d。

圖1 試驗樁布置/m

表1 試驗樁參數

圖2 根式樁基礎結構示意/cm

根鍵施工方法為：(1)根據根鍵設計圖紙，用鋼板制作根鍵鋼模，然后澆灌混凝土至鋼模中，并插入根鍵配筋，養護14 d；(2)在樁身鋼筋籠上預留用于頂進根鍵的預留孔，預留孔對稱布置在鋼筋籠上，每層共四個預留孔；(3)平整場地→鉆機鉆孔→下鋼筋籠→下根鍵到設計高程→千斤頂對頂根鍵→從下往上頂進→澆灌混凝土。部分施工照片如圖3。

圖3 根鍵施工部分照片

場地地質條件為濱海深厚軟土地區，在38 m深度范圍內主要為黏土和淤泥質土，主要土層物理參數見表2，其中抗剪強度參數采用快剪試驗獲得。本次共進行了3根試樁的單樁豎向抗壓極限承載力靜載荷試驗，3根樁均為破壞式試驗，檢測現場環境正常。檢測依據為中華人民共和國行業標準JGJ 106-2014《建筑基樁檢測技術規范》。試驗時的加載順序依次為根鍵樁1#、普通樁、根鍵樁2#。由于三個樁的間距較遠，為28 m，大于樁長，因此認為3個樁體之間不會產生影響，因此不考慮它們之間的相互作用。最后的試驗結果也驗證了這一假設。

表2 土層物理力學參數

1.2 試驗目的

(1)測試根式樁與普通樁的極限承載力和樁頂位移，獲得荷載 - 位移曲線，即Q-s曲線。

(2)研究根式樁在豎向荷載作用下的受力特性，即樁身軸力曲線。

1.3 試驗設備及測試項目

(1)加載設備

在樁頂布置兩個QF-320型油壓千斤頂，最大反力為10000 kN，架好反力梁，并在梁上堆載預制混凝土試塊。

(2)樁頂位移測量

樁頂位移測量裝置采用4只最大量程為50 mm的位移傳感器，對稱安裝在樁頂四周。3根試驗樁均采用武漢巖海生產的RS-JYB/C全自動靜載測試儀觀測并記錄。

(3)樁身軸力測量

樁身軸力采用振弦式鋼筋應力計進行量測，沿樁身方向。振弦式鋼筋應力計第一層布置在距樁頂向下1.6 m處，之后每隔2.2 m布置一層，共布置9層，在每一層上均勻布置4只。

1.4 試驗加卸載和終止條件

試驗采用快速維持荷載法，加載分級進行，采用逐級等量加載；預加載為360 kN，之后每級按180 kN逐級遞增；卸載分級進行，每級卸載量為360 kN，逐級等量卸載。

每級荷載施加后維持1 h，在第15，30，45，60 min時測讀樁頂沉降量，當樁頂沉降速率達到相對穩定標準時，再施加下一級荷載。

某級荷載下，當樁頂沉降量大于前一級荷載作用下的沉降量5倍且樁頂總沉降量超過40 mm時或者達到相關規范標準時即停止加載。

1.5 試驗過程

(1)首先對根式樁1#進行加載試驗，當荷載增加到2160 kN時，樁頂累積沉降量為9.69 mm，本級荷載下沉降量為1.67 mm；當荷載增加到2340 kN時，樁頂累積沉降量為42.32 mm，本級荷載下沉降量為32.63 mm，符合加載終止條件，停止加載。

(2)其次對普通樁進行加載試驗，當荷載增加到1620 kN時，樁頂累積沉降量為12.34 mm，本級荷載下沉降量為4.18 mm；當荷載增加到1800 kN時，樁頂累積沉降量為46.25 mm，本級荷載下沉降量為33.91 mm，符合加載終止條件，停止加載。

(3)最后對根式樁2#進行加載試驗，當荷載增加到1980 kN時，樁頂累積沉降量為10.44 mm，對應荷載沉降量為1.31 mm；當荷載增加到2160 kN時，樁頂累積沉降量為49.00 mm，本級荷載下沉降量為38.56 mm，符合加載終止條件，停止加載。

部分試驗圖片如圖4所示。

圖4 試驗過程部分照片

2 試驗結果分析

2.1 樁頂沉降分析

根據普通樁與根式樁1#，2#的靜載荷試驗繪制相應的Q-s曲線，如圖5。可以看出普通樁、根式樁1#，2#的極限承載力分別為1620，2160，1980 kN，對應樁頂沉降量分別為12.34，9.69，10.44 mm。相比普通樁，根式樁1#，2#的極限承載力分別提高了33.33%和23.75%，而樁頂沉降量分別減小了21.47%和15.40%，即根鍵的存在顯著提高了樁體的極限承載能力，減小了樁頂沉降位移，這說明根式樁的承載力及沉降控制能力要優于普通樁。同時對比根式樁1#，2#的承載性能可以發現，前者的極限承載力及樁頂沉降量分別為后者的1.09倍和92.82%，這是由于根式樁1#的根鍵數量多，為后者的2倍，因此可以認為隨著根鍵數量的增加，樁體承載力增加、樁頂沉降降低，即根鍵可以有效地提高樁體承載力并降低樁頂沉降。

圖5 樁體Q-s曲線

2.2 樁身軸力分析

根據鋼筋應力計采集數據，可得各級荷載下普通樁和根式樁軸力分布圖，如圖6～8。同時選取樁頂荷載為36，90，144 t時的試驗數據，作三根試驗樁樁身軸力對比圖，如圖9。可以看出：(1)普通樁與根式樁在不同荷載下，樁體軸力均沿深度方向遞減，這說明在軟土地基中樁的承載力主要是靠樁側摩阻力來承擔；(2)當樁頂荷載較小時，普通樁與根式樁樁身軸力相差不大，而隨著荷載的增加，其差距逐漸增大，這說明在樁頂荷載下，樁身首先發揮承載作用，而后隨著外荷載的逐漸增加，樁身所承擔的荷載逐漸向根鍵轉移，從而形成樁身 - 根鍵共同承載；(3)從樁身軸力的大小來看，普通樁的樁身軸力均大于根式樁，這說明根式樁的根鍵部分分擔了部分外荷載，因而作用在樁身的荷載有所減小，且二者之間的軸力差距也隨著外荷載的增加而增加，這說明外荷載越大，根鍵的承載作用也越顯著；(4)對同一荷載而言，普通樁與根式樁之間的軸力差距一般是上部小、中下部大，這說明下部根鍵的承載能力發揮更為充分；(5)對比兩根根鍵樁可以發現，根鍵數量越多，在同一外荷載下樁身軸力就越小，這是由于根鍵分擔了一部分外荷載，進而導致樁身軸力降低。總之，通過對樁身軸力的測試研究發現，根式樁的樁身軸力小于普通樁的樁身軸力，即樁體承載力越大，同一荷載下的樁身軸力越小，樁體越不易發生破壞。這是因為根式樁的根鍵部分承擔了部分外荷載，進而降低了樁體本身的應力，最終提高了樁體的承載力。

圖6 普通樁樁身軸力

圖7 根式基礎1#樁樁身軸力

圖9 普通樁與根式基礎軸力對比

3 數值模擬研究

由上述試驗結果可以看出，在深厚軟土地基中，根式樁比普通樁將具有更高的承載力，并能有效減小樁頂沉降。但是由于試驗費用較高且工期較長，為此下面擬基于在巖土工程領域中廣泛應用的FLAC3D軟件對根式基礎的承載性能進行數值模擬研究，以深入探討其承載機理。

3.1 數值計算模型概況

由于本節主要探討根式基礎的承載機理，因此擬采用如圖10所示的理想計算模型，即土層取為單一地層，參數如表3所示。樁體采用實體單元，其參數取為：樁體直徑1.8 m、樁長50 m，樁底土取20 m，水平向樁側土邊界取為樁體半徑的9倍，根鍵長度為0.6 m，根鍵直徑為0.5 m，根鍵層間距為1.5 m。樁 - 土之間的接觸采用interface界面單元。結合實際工程中的根鍵布置情況，本模型自樁頂下10 m處開始布置根鍵。考慮模型與樁頂荷載的對稱性，取1/4模型進行計算，如圖10b所示。模型邊界條件為：在土體的側面和底部全約束，在對稱面上的約束垂直于對稱面的位移。

圖10 數值計算模型

相對于土體而言，樁體及根鍵的強度均較高，不易發生強度破壞，因此取二者的本構模型分別為摩爾 - 庫倫模型和線彈性模型，其參數如表3。

表3 計算參數

計算工況：擬分別研究根鍵長度(分別取為0.6，0.9，1.2 m)、根鍵直徑(分別取為0.3，0.4，0.5，0.6 m)、根鍵布置位置(分別布置在樁體上部、中部和底部)和根鍵層間距(分別取為1.0，1.5，2.0 m)對樁體承載性能的影響。

3.2 計算結果及分析3.2.1 根式樁承載特性分析

對普通樁和根式樁的承載特性進行數值分析，通過改變在樁頂施加的豎向荷載，記錄樁頂的豎向位移，當樁頂豎向位移達100 mm時停止加載，并以樁頂豎向位移為100 mm時所對應的樁頂荷載為樁體的極限承載值。普通樁和根式樁豎向荷載 - 位移(Q-s)曲線見圖11。可以看出，普通樁豎向極限承載力為20245.5 kN，根式樁豎向極限承載力為38710.5 kN，樁體極限承載力提高了91.2%。而當樁頂豎向荷載在17803.1 kN以內時，根式樁與普通樁的樁頂豎向位移量相差不大，根鍵的作用未能充分發揮。當樁頂豎向荷載超過17803.1 kN后，根式樁樁頂豎向位移仍隨樁頂荷載的增大而平穩增大，但普通樁的豎向位移量急劇增大。由此可知，根鍵充分調動了樁周土體的承載作用，提高了樁體的極限承載力，減少了樁頂的豎向位移；另外當樁頂荷載較大時，更有利于根鍵作用的充分發揮。這也與殷永高等[14]在根式沉井與普通沉井豎向承載特性的現場試驗研究結果規律一致。

圖11 樁體荷載 - 位移曲線

3.2.2 根鍵長度對根式樁承載特性的影響

保持其他參數不變，改變根鍵長度以研究不同根鍵長度l對根式樁豎向承載特性的影響。根鍵長度分別為0.6，0.9，1.2 m。根據數值模擬結果，繪制不同根鍵長度下荷載 - 位移曲線，如圖12。可以看出，樁體的極限承載力隨根鍵長度的增大而增大，根鍵長度為0.6，0.9，1.2 m所對應的極限承載力分別為38710.5，43237.8，44509.5 kN。樁體在樁頂豎向荷載作用下，根鍵長度從0.6 m增大到0.9 m時，樁頂豎向位移明顯減少，而根鍵長度從0.9 m增大到1.2 m時，樁頂豎向位移減少并不明顯，因此在實際施工過程中，考慮到經濟性和安全性，針對該數值計算模型，根鍵長度應選用0.9 m為宜。

圖12 不同根鍵長度時樁體荷載 - 位移曲線

3.2.3 根鍵直徑對根式樁承載特性的影響

保持其他參數不變，改變根鍵直徑以研究不同根鍵直徑對根式樁豎向承載特性的影響。根鍵直徑分別為0.3，0.4，0.5，0.6 m。根據數值模擬結果，繪制不同根鍵直徑下荷載 - 位移曲線，如圖13。可以看出，樁體的極限承載力隨根鍵直徑的增大而增大，根鍵直徑為0.3，0.4，0.5，0.6 m所對應的樁體豎向極限承載力分別為35861.9，36904.7，37159.1，37667.8 kN。當樁頂荷載較小時，根鍵直徑為0.3 m時樁頂的沉降位移最小，根鍵直徑為0.4 m時樁頂的沉降位移最大；隨著樁頂荷載的增大，即當樁頂荷載超過30520.8 kN時，樁頂豎向沉降位移普遍隨根鍵直徑的增大而減小，這說明當荷載較大時，大直徑根鍵的作用更加明顯。因此在實際施工過程中，應考慮實際情況，合理選擇根鍵直徑。

圖13 不同根鍵直徑時樁身荷載 - 位移曲線

3.2.4 根鍵位置對根式樁承載特性的影響

保持其他參數不變，改變根鍵在樁體豎向上的布置位置，分別在樁體的上部、中部、下部布置相同個數的根鍵，以研究根鍵布置位置對根式樁承載性能的影響。模型及計算結果分別如圖14，15。可以看出，在樁頂豎向位移相同情況下，根鍵在下部時樁體承載能力最好，其次為根鍵在中部，最差為根鍵在上部。根鍵在上部、中部及下部時樁體的極限承載力分別為25230.5，27417.9，29020.2 kN。這是由于在樁頂豎向荷載及土體自重作用下，越深處的土體擠壓作用越強，從而對根鍵的束縛能力越強，所以根鍵越靠下，樁體的承載力越大。

圖14 不同根鍵布置位置模型

圖15 不同布置位置時樁身荷載 - 位移曲線

3.2.5 根鍵層間距對根式樁承載特性的影響

保持其他參數不變，改變根鍵層間距以研究不同層間距對根式樁豎向承載特性的影響，根鍵層間距分別為1.0，1.5，2.0 m。模型及結果分別如圖16，17。可以看出，在樁頂豎向位移相同情況下，根鍵層間距2.0 m時樁體承載能力最好，其次為層間距1.5 m，最差為層間距1.0 m。根鍵層間距為1.0，1.5，2.0 m時樁體的極限承載力分別為28715.0，33318.5，36803.0 kN，與普通樁相比，極限承載力分別提高了41.83%，64.57%，81.78%。根鍵層間距由1.0 m提高到1.5 m過程中樁體極限承載力增量大于根鍵層間距由1.5 m提高到2.0 m過程中樁體極限承載力增量，但兩者的增幅近似相等，都約為23%左右。這是由于當根鍵層間距較小時，相鄰層根鍵之間類似于群樁的折減效應更加明顯，不能很好發揮土體的承載作用所致。

圖16 不同根鍵層間距模型

圖17 不同根鍵層間距時樁身荷載 - 位移曲線

4 結 論

(1)基于深厚軟土區的樁體承載力靜載荷試驗結果表明：1)根鍵可顯著提高樁體的豎向承載性能，且布置根鍵越多，效果越明顯，本試驗中根式基礎1#和2#相較于普通樁，豎向極限承載力分別提高了33.33%和23.75%；2)當樁頂荷載相同時，根式基礎樁頂沉降量小于普通樁，這表明根鍵加強了樁體與土的耦合作用，進而使得樁體沉降控制性能改善，這在軟土地區對沉降控制要求較高的工程來說，具有良好的應用優勢；3)普通樁和根式樁的軸力傳遞機理類似，當根式樁在有根鍵部位軸力傳遞的遞減幅度要大于普通樁。

(2)通過對根式樁與普通樁承載性能的數值計算結果表明：1)與普通樁相比，根式樁極限承載能力顯著提高，且樁頂沉降量明顯減小。這說明根鍵有利于充分調動樁周土體，改善樁體承載性能；2)隨著根鍵長度的增大，樁體極限承載力增大，但根鍵長度由0.9 m變為1.2 m時，樁體極限承載力的增幅有限，這說明根鍵并非越長越好，根鍵長度與樁體的極限承載力呈非線性關系；3)根鍵直徑對樁體極限承載力的影響較小，總體上隨根鍵直徑的增大樁體極限承載力略有增加，但樁頂豎向位移量卻有明顯減小，所以實際施工中應綜合考慮各種因素，合理選擇根鍵直徑；4)根鍵布置位置對樁體的承載特性有較大影響，根鍵在下部時樁體的承載能力提高最大；5)根鍵層間距對樁體承載力的影響類似于群樁中單樁間距對群樁承載力折減效應的影響。