填土堆載下梁式帶帽支盤樁現(xiàn)場試驗研究

劉廣宇，熊 力，李國維，趙星宇，周 洋

(1.廣東潮汕環(huán)線高速公路有限公司，廣東 汕頭 515041；2.河海大學(xué) 道路與鐵道工程研究所，江蘇 南京 210098； 3. 河南工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，河南 鄭州 450001)

0 引言

剛性樁(如CFG樁、PHC樁以及大直徑薄壁筒樁等)已在軟基處理中廣泛使用[1-8]。然而相關(guān)研究和案例表明，很多工況下傳統(tǒng)剛性直桿樁并不能滿足工程安全需要。例如莫景逸等[9]發(fā)現(xiàn)當深厚軟基的上覆硬殼層較薄或缺失的情況下，PHC管樁基礎(chǔ)的沉降過大、過快，最大沉降將近2 m，最大水平位移達384 mm。另外，劉吉福等[10]發(fā)現(xiàn)，即使?jié)M足穩(wěn)定性驗算的情況下，軟土發(fā)生沿樁繞流對基樁產(chǎn)生水平推力，容易誘發(fā)直桿樁地基失穩(wěn)。孫訓(xùn)海等[11]通過現(xiàn)場原位試驗發(fā)現(xiàn)剛性樁地基樁的承載力發(fā)揮與基礎(chǔ)剛度呈正相關(guān)。工程上常采用增加樁長、縮小樁徑、增大樁截面積以及設(shè)置樁帽等方式增加樁承荷載占比，但此類手段工程造價過高。

支盤樁是在直桿異形樁同深度處擴盤形成的變截面異性樁，常用于房建基礎(chǔ)或橋梁樁基中，相比于直桿樁具有諸多優(yōu)勢。張明霞等[12]通過室內(nèi)試驗，利用PIV技術(shù)觀察軸向荷載作用下支盤樁樁周土體位移場變化規(guī)律。結(jié)果表明，與等截面直桿樁相比，支盤樁通過增大樁周土體變形位移場范圍，減小土體變形位移場強度，從而提高了樁基承載能力。王伊麗等[13]采用數(shù)值分析手段，對擠擴支盤樁豎向承載特性進行系統(tǒng)分析，研究表明，相對直桿樁，擠擴支盤樁具有承載力高、沉降小的特性。Abbas等[14]通過室內(nèi)模型對比研究單盤、雙盤支盤樁與直桿樁的承載性能，結(jié)果表明支盤樁承載性能受盤徑、盤數(shù)及盤周土性狀影響較為明顯，相同樁長時支盤樁承載力明顯高于直桿樁；Kumar等[15]通過有限元模擬分析了支盤樁抗拔性能，結(jié)果表明添加盤體可改善樁的荷載沉降/變形行為，提高樁體抗拔性能。

模型試驗受限于尺寸效應(yīng)且不能考慮現(xiàn)場復(fù)雜的地質(zhì)條件和邊界條件，很多學(xué)者進行了現(xiàn)場試驗研究。鞠彥忠等[16]依托實際工程和ABAQUS有限元模擬等手段對2×2(正方形布設(shè))擠擴支盤群樁承載力規(guī)律進行了研究，研究結(jié)果表明在極限狀態(tài)下支盤端承和樁身側(cè)摩阻力占總承載力的80%左右。楊建平等[17]以及陳飛等[18]通過現(xiàn)場原位單樁靜載試驗研究樁身荷載傳遞規(guī)律，發(fā)現(xiàn)在荷載等級較小時，支盤樁樁身內(nèi)力分布規(guī)律與等截面樁相似，隨著荷載等級的提高支盤承載性能逐漸發(fā)揮，在極限狀態(tài)下支盤承載占比可達70%以上。然而，當前支盤樁原位試驗基本局限于單樁荷載傳遞機理或者小范圍正方形布設(shè)的群樁(如4聯(lián)群樁)承載效應(yīng)等方面，且涉及利用地梁連接的帶帽型復(fù)合支盤樁地基承載力特性的現(xiàn)場研究研究未有報道。

本研究依托潮汕環(huán)線高速公路項目，在臨近路段對采用地梁-帶帽支盤樁和地梁-帶帽管樁加固地基進行對比試驗，重點對填土荷載下兩種加固地基方式的沉降、路基頂面樁-土應(yīng)力比、樁-土荷載分擔比、支盤樁樁身荷載傳遞規(guī)律進行比較研究，以求多維地評價支盤樁聯(lián)合地梁對深厚軟土地基的處理效果，為后續(xù)相關(guān)支盤樁地基設(shè)計提供參考依據(jù)。

1 工程概況

1.1 場地條件

試驗依托于潮汕環(huán)線高速項目，試驗場地位于牛田洋區(qū)域內(nèi)的河溪互通標段。牛田洋地區(qū)位于榕江下游入海口處，陸地主要由近代圍墾形成，區(qū)域內(nèi)分布有大量農(nóng)田和魚塘，全區(qū)域分布有一層厚為10～20 m的淤泥質(zhì)軟土，對工程建設(shè)尤為不利。根據(jù)試驗區(qū)域內(nèi)的鉆孔資料，地層分布情況為：素填土，層厚1.4 m，灰黃色，濕，松散，主要由粉質(zhì)黏土、砂、碎石組成；淤泥，層厚10.6 m，灰黑色，飽和，流塑，土質(zhì)均勻，富含腐殖質(zhì)，味臭；粉質(zhì)黏土，層厚9.2 m，灰黃、紅色，底部含有較多砂粒；粗砂，層厚1.7 m，灰黃色，飽和，中密，分選性差，含較多黏粒；粉質(zhì)黏土，層厚4.1 m，灰黃色，可塑，土質(zhì)均勻；中砂，層厚5.4 m，灰黃色，飽和，中密，分選性差，含較多黏粒，含少量礫石；粉質(zhì)黏土，黃紅、灰白色，可塑，土質(zhì)較均勻，局部含少量粗礫砂。土層具體物理力學(xué)參數(shù)見地質(zhì)概況簡圖(圖1)。

圖1 試驗場地地質(zhì)概況(單位：m)Fig.1 Geological condition of test site (unit: m)

1.2 地基加固方案

本試驗場地采用帶有樁帽的支盤樁進行地基加固，并利用地梁將相鄰樁體進行連接。支盤樁樁長32.8 m，樁徑0.6 m，設(shè)置3盤1支，六星支中心處深度為20 m，上盤中心處深度為23.6 m，中盤中心處深度為26.8 m，底盤中心處深度為30 m(見圖2)。盤徑1.4 m，采用梅花型(正三角形)布置，樁間距4 m，等效單樁處理圓直徑為4.2 m。地梁厚度為60 cm，寬度為60 cm。樁體、樁帽、地梁施工完畢，鋪設(shè)一層薄素填土對場地進行找平后鋪設(shè)一層土工格柵，土工格柵安裝在土壓力傳感器上方。堆載施工采用分級填筑，模擬工程堆載情況。

1.3 儀器安裝埋設(shè)

本現(xiàn)場試驗選取由7根樁組成的正六邊形試驗單元為研究對象，為了獲得各項力學(xué)數(shù)據(jù)，單元內(nèi)安裝各類測力計(包含孔壓計)。具體安裝位置如下：

(1)樁身軸力測量。將光纖光柵傳感器封裝在樁內(nèi)縱向主筋中，每個監(jiān)測斷面按正交方向埋設(shè)4枚傳感器，取4枚傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值作為該斷面的實際內(nèi)力，減少偏心和混凝土不均引起的誤差。光纖光柵傳感器具體布設(shè)位置見圖2。

圖2 樁身內(nèi)力傳感器沿深度布設(shè)(單位：m)Fig.2 Layout of internal force sensors on pile body along depth (unit: m)

(2)樁頂荷載測量。采用振弦式錨索測力計制作軸力計，軸力計直徑60 cm(等于樁徑)，高40 cm。安裝時先截斷45 cm樁頭并進行平整，覆蓋5 cm細砂找平，軸力計安裝好后覆土至與地表齊平。樁頂軸力計(ZD)具體布設(shè)平面位置見圖3。

(3)填土下荷載測量。為減小應(yīng)力集中對土壓力監(jiān)測數(shù)據(jù)的影響，傳感器預(yù)先澆注在35 cm×35 cm×8 cm的混凝土基座中，傳感器與地基之間用細砂找平，保證測量精度。土壓力計分別布設(shè)在樁帽以上(TT1,TT2,TT3)、地梁以上(TT4,TT5)及樁間中心處(TT6)，具體布設(shè)平面位置見圖3。

圖3 支盤樁試驗段傳感器布置Fig.3 Layout of sensors in test part of SBP

2 試驗數(shù)據(jù)

2.1 樁身軸力變化情況

通過光纖光柵傳感器測量數(shù)據(jù)計算而來的樁身內(nèi)力沿深度變化曲線見圖4。隨著堆載的施加樁身軸力明顯增加，軸力曲線在土層交界處和支盤上下界面出現(xiàn)轉(zhuǎn)折。然而，可以明顯地從圖中看出樁身軸力在各個深度處的增長趨勢有顯著差異。第2次荷載施加以后，樁身軸力僅在六星支以上增長明顯，并在六星支處發(fā)生明顯拐點。此結(jié)果表明六星支以上樁體側(cè)摩阻力快速增加，且六星支也發(fā)揮了明顯的承載作用。第3次荷載施加以后，六星支和上盤之間，上盤和中盤之間軸力也有一定程度增長，但這兩段軸力曲線近乎豎直，說明此段內(nèi)樁側(cè)摩阻力幾乎為0，軸力主要源自于上盤和中盤的承載作用。總體上，堆載施加結(jié)束后，六星支和上盤的承載及以上土層的摩阻力承擔了75%左右的堆載負荷。另外，就本試驗項目而言，中盤和下盤承載力幾乎沒有發(fā)揮承載作用，極限承載力還有很大余量，可以繼續(xù)承擔路面鋪設(shè)和交通荷載引起的附加應(yīng)力。

圖4 支盤樁樁身軸力變化曲線Fig.4 Curves of axial force in SBP

2.2 樁-土荷載分擔比

圖5是樁頂(樁帽下)軸力隨時間變化曲線。從圖中可知，樁頂軸力對填土荷載響應(yīng)及時，每次填土荷載都能相應(yīng)地引起軸力的迅速升高。由施工方案可知，單樁處理范圍等價于半徑2.1 m的圓形，等效處理面積約13.8 m2。假設(shè)填土重度為20 kN/m3，則單位厚度的填土可在單樁處理區(qū)域內(nèi)施加約280 kN 的荷載。

圖5 支盤樁樁頂荷載變化曲線Fig.5 Curves of loading on SBP top

利用圖5數(shù)據(jù)，可計算樁頂對上部荷載的分擔比例，如圖6所示。從樁土荷載分擔比曲線可以看到，荷載初期(如填土高度小于2.5 m)，支盤樁承擔荷載隨著填土荷載的增加而增加，說明土拱逐漸形成、土拱效應(yīng)逐漸明顯。在加載后期，樁土荷載分擔比基本穩(wěn)定在80%左右，繼續(xù)填筑荷載樁土荷載分擔比變化不大。結(jié)果表明填土荷載幾乎由樁承擔，樁間土只承受少量荷載，土體壓縮量得以控制在很小范圍，地梁-樁帽-支盤樁的復(fù)合結(jié)構(gòu)是有效的荷載承載體系。

圖6 支盤樁荷載分擔比Fig.6 Sharing ratio of loading on SBP

2.3 填土下土壓力分布

圖7和圖8是樁帽及地梁上土壓力隨時間的變化曲線。首先，路基表面(填土下)土壓力和填土荷載變化規(guī)律一致，但是各位置處的土壓力大小有所不同。樁帽上部土壓力范圍為300～400 kPa，地梁上部中心處土壓力范圍為200～300 kPa，而樁間位置土壓力在50～100 kPa。將樁帽上、地梁上和樁間土給位置處的土壓力進行算術(shù)平均，并計算各自承擔荷載的占比，最終繪制出累加柱狀圖。從圖8可以清楚地看出，樁帽和地梁以上共同承載了80%左右的填土荷載，且這些荷載最終傳遞到樁體上。這一結(jié)論和上節(jié)中，80%的荷載由樁身承擔的結(jié)論相互驗證。其中，堆載初期，樁帽上部荷載占比35%～39%，地梁上部占比27%～34%；堆載后期，樁帽上部荷載占比41%～43%左右，地梁上部占比37%～38%左右。總之，樁帽地梁是承擔填土荷載的主要結(jié)構(gòu)。

圖7 填土下土壓力變化曲線Fig.7 Curves of earth pressure under fill

圖8 支盤樁地基各部位承載比例Fig.8 Load bearing ratio of each part of SBP

3 管樁地基承載力對比

3.1 管樁參數(shù)及堆載方案

在鄰近路段相同地質(zhì)條件下PHC管樁處理段路基中部進行沉降監(jiān)測。管樁樁徑0.4 m，設(shè)計樁長32 m，樁間距2.8 m，正方形布樁，樁頂同樣采用樁帽地梁一體澆注連接成整體，地梁厚度為30 cm，寬度為30 cm。PHC管樁對比試驗段施工期總填土高度為3.5 m，監(jiān)測點布設(shè)見圖9。

圖9 管樁試驗段傳感器布置Fig.9 Layout of sensors in test part of pipe pile

3.2 結(jié)果與討論

圖10顯示的是PHC管樁樁頂(樁帽下)承擔荷載隨著填土荷載變化的曲線。對比支盤樁同一位置處的荷載變化曲線，可知堆載結(jié)束之前，二者的變化規(guī)律是一致的。然而堆載結(jié)束后不久，PHC管樁頂部荷載瞬間下降了約95 kN，降低幅度約30%。原因可能為樁頂承受較大荷載后樁土界面產(chǎn)生蠕變滑動，荷載緩慢分擔到樁間土上。蠕變發(fā)展到一定階段樁土界面發(fā)生局部剪切破壞，樁端沉降加速，土拱被破壞路基頂面荷載重新分布，此時樁間土承擔較大的荷載。出于安全考慮，筆者決定終止PHC管樁處理區(qū)堆載試驗，堆載高度確定為3.5 m。

圖10 管樁樁頂荷載變化曲線Fig.10 Curves of loading on pipe pile top

圖11管樁樁頂荷載分擔比隨填土荷載變化的曲線。在填土階段，隨著筋膜效應(yīng)發(fā)揮和土拱的形成，樁頂荷載分擔比迅速增加，并穩(wěn)定在70%之間，此時大部分的填土荷載由樁頂直接承擔。在管樁發(fā)生沉降加速后，樁頂荷載分擔比也迅速減小，最終穩(wěn)定在40%，這一數(shù)值遠小于支盤樁的80%。支盤樁的承載力性能優(yōu)于直桿型PHC管樁

圖11 管樁荷載分擔比Fig.11 Sharing ratio of loading on pipe pile

圖12是填土下表面處的位于樁帽上部(TT1)、地梁上部(TT2)以及樁間土(TT3)3個不同位置的土壓力曲線。土壓力的整體趨勢和支盤樁一致，隨著填土荷載的增加而增大，且樁帽承擔荷載大于地梁大于樁間土。然而，加載后期，各位置處的土壓力分布與支盤樁有巨大差異。PHC樁帽上荷載有所減少，同時樁間土荷載有所增加；另外，仔細觀察可知地梁上部荷載也有略微下降。此結(jié)果可能由于土拱結(jié)構(gòu)的破壞或者樁體沉降過大引起。圖13是各位置處的荷載承擔累加比例柱狀圖。與支盤樁不一致的是管樁地基中樁間土的承載量占比有明顯上升，而地梁的承載量占比明顯下降。

圖12 填土下土壓力變化曲線Fig. 12 Curves of earth pressure under fill

圖13 管樁地基各部位承載比例Fig.13 Load bearing ratio of each part of pipe pile foundation

4 結(jié)論

本研究依托潮汕環(huán)線高速公路項目，對梁式帶帽型支盤樁地基進行了現(xiàn)場堆載試驗研究，并與PHC管樁地基進行對比分析。根據(jù)試驗結(jié)果得出以下結(jié)論：

(1)由樁身軸力可知，六星支和上盤及以上土層摩阻力承擔了75%左右的堆載負荷，中盤和下盤承載力幾乎沒有發(fā)揮承載作用。

(2)荷載初期土拱效應(yīng)明顯，支盤樁隨著填土荷載增加而增加。加載后期，樁土荷載分擔比穩(wěn)定在80%左右。填土荷載幾乎由樁承擔，地梁-樁帽-支盤樁的復(fù)合結(jié)構(gòu)是有效的荷載承載體系。

(3)堆載結(jié)束時，支盤樁樁帽上部荷載占比42%左右，地梁上部占比37%左右。樁帽地梁是承擔填土荷載的主要結(jié)構(gòu)。

(4)堆載初期，支盤樁和管樁頂部荷載承擔規(guī)律一致；堆載后期，PHC樁土界面產(chǎn)生蠕變滑動、土拱被破壞，路基頂面荷載重新分布，最終樁頂荷載分擔比為40%，遠小于支盤樁的80%。