考慮時間效應填土場基樁負摩阻力試驗研究

賴余斌，余國華，魯 明，王 良，林 峰，王殿龍

（1.廣西電網有限責任公司電網建設分公司，廣西南寧530000；2.中國能源建設集團廣西電力設計研究院有限公司，廣西南寧530000；3.中國地質大學＜武漢〉工程學院，湖北武漢430074）

1 概述

在我國工業化和城鎮化的建設過程中環境問題日益凸顯，大量基礎設施建設選址存在著“不節能、不環保”的問題，這與現行理念和生態不符合；隨著環保理念的大力提倡，越來越多的基礎設施的選址偏向于一些地質地貌情況較為復雜的棄土場、新近填土場等地區，從而使得基礎設施建設過程中土建專業面臨的挑戰也越來越多。新近填土是欠固結土的一種，其在堆載、地下水等內外界因素影響下常常會產生大于基樁沉降，因此基樁側壁產生負摩阻力。負摩阻力會對樁身產生下拉力，可能會引起樁身破壞、樁端土屈服、建構筑物不均勻沉降等問題。因此，考慮新近填土場地樁側負摩阻力對基樁的影響是基樁設計必不可少的環節。

近年來，國內外已經系統地開展了關于基樁負摩阻力模型的試驗研究，并取得一定的成果[1]：Little[2]利用模型試驗研究了超載作用下的負摩阻力，并根據試驗結果估算了有效應力系數和總應力系數；Ergun[3]利用模型試驗研究樁間距的對負摩阻力群樁效應的影響；謝耀峰[4]等基于港口碼頭樁基工程進行但樁負摩阻力模型試驗研究和排架模型樁上的負摩阻力試驗研究；吳一偉[5]等利用室內模型試驗對砂土液化后固結沉陷引起的基樁負摩阻力進行研究，得到基樁負摩阻力與地面沉降之間的關系。這些研究嚴謹地分析了基樁負摩阻力的特性，探究其作用機理，對基樁負摩阻力的理解和預測做出了很大的貢獻。工程實踐過程中可以發現，新近填土場地會引起較大的基樁負摩阻力，且隨不同的地質條件和工程需求會設置不同的填土層厚度，然而國內外關于這一方面的研究較少，遠不夠完善。

綜合上述幾個方面的原因，本文開展了新近填土場地條件下基樁負摩阻力試驗，將填土層厚度設為對照組，設置填土層厚度/樁長分別為1、0.8、0.6三個對照組，對不同填土層厚度情況下的新近填土場地基樁負摩阻力進行研究，通過試驗研究了樁頂加載與樁頂承臺沉降及樁端阻力之間的關系，樁身軸力、樁側負摩阻力隨樁深方向分布情況，以及樁周土體分層沉降隨固結時間的變化情況。研究結果表明，基樁軸力及負摩阻力都存在顯著的時間效應，隨填土層厚度的增加，基樁負摩阻力逐步增大。

2 模型試驗裝置及試驗過程

本文采用中國地質大學（武漢）研制的基樁樁土響應模型試驗機進行模型試驗，該裝置可對基樁及樁周土進行加載，并可對載荷作用下的基樁受力及位移進行監測；模型試驗裝置如圖1所示。試驗時箱壁涂一層潤滑油，并覆蓋塑料薄膜以減少試驗土與箱壁摩擦所造成的影響，降低邊界效應。

模型樁采用長L為820mm，外徑為50mm，壁厚為3mm的封口有機玻璃管，基樁彈性模量E沿經測試為2.21×103MPa。為確保試驗準確性，將模型樁切半合，并在其內表面均勻布置應變片，將應變片導線從其側壁穿孔引出，再將其粘在一起；接著在樁外側粘細砂以增加樁側粗糙度，實際樁徑為52mm。

圖1 模型試驗裝置示意圖

試驗用模型箱填土取自武漢市江夏區某建筑工程填土，經土工試驗測試其為粉質粘土，各項土體參數見表1。為模擬新近填土與原狀土層，確保上下土層有密實度及力學性能的差異，將填土分為2層，下層填土用夯錘夯實以模擬原狀土層，上層填土采用人工踏實模擬新近填土。依據對照組設定，將填土層厚度分別設置為820mm、670mm、520mm。

表1 土樣的主要物理性質指標

在模型試驗裝置設定后，靜置24h后對模型樁進行預壓、歸零等操作，保證模型樁與加載儀器上下部之間的良好接觸，然后參考快速荷載維持法[7]對樁頂進行分級加荷載，為保持相對穩定，每隔半小時加一級荷載；樁頂加載完后，對樁周土進行加載；在加載過程中注意補充千斤頂油壓，保證載荷穩定；隨樁周新近填土固結沉降，對基樁受力、位移及土層位移進行監測，當各測值趨于穩定時結束試驗。

3 模型試驗結果及分析

本文按照試驗規劃對填土層厚度/樁長分別為1、0.8、0.6的3個填土層厚度進行試驗，試驗中基樁最大加載量為300N。由于試驗條件有限，油缸泄壓、應變片粘粘、引線方式等一系列問題的干擾，測試結果的偶然誤差的較大，軸力測試結果呈現出一定的波動性，但其基本趨勢較為清晰，并不影響試驗探究結果。

3.1 樁頂載荷與基樁沉降關系

由圖2可知不同填土層厚度情況下基樁沉降趨勢基本一致，由于樁頂加載量較小，樁體及樁周和樁底土體均處于彈性變形階段而遠未達到破壞階段，故而Q-s曲線近似呈線性關系；當填土層厚度820mm時，基樁樁頂沉降量為-4.37mm；當填土層厚度為670mm時，基樁最大沉降量為-4.01mm；當填土層厚度為520mm時，相對應基樁最大沉降量為-3.55mm；由此可知，隨新近填土厚度的增加，基樁沉降量逐步增大，新近填土層越厚基樁沉降越大；此為隨填土層厚度增加，基樁正摩阻力逐步減小導致；此外，由于受樁身自重、單樁樁頂荷載值較小以及試驗不可排除的誤差等因素的影響，樁頂加載時單樁樁頂沉降量偏小。

圖2 樁頂加卸載與樁頂沉降關系曲線

3.2 樁頂荷載與樁端阻力值關系

由圖3可知，當填土層厚度520mm時，樁底反力為235.1N，當填土層厚度670mm時，樁底反力為246.5N，當填土層厚度820mm時，對應樁底反力為259.9N；樁端阻力值在樁頂載荷逐步增加過程中，樁端阻力值也在逐漸增大，由于樁頂加載量較小，樁體及樁周和樁底土體均處于彈性變形階段而遠未達到破壞階段，故而樁頂載荷與樁端阻力曲線近似呈線性關系；隨填土層厚度增加，基樁樁底反力也呈現增大趨勢，樁端阻力隨樁頂載荷呈現線性變化的趨勢，這可看出填土層厚度影響彈性階段基樁沉降曲線的斜率；隨樁周新近填土厚度增加，土體提供的正摩阻力逐漸減小，從而導樁底承擔的荷載逐步增大。

圖3 樁頂加卸載與樁端阻力關系曲線

3.3 樁身軸力、側摩阻力與深度的變化關系

本文通過對3個試驗對照組監測結果，對樁身軸力、樁體深度及時間的關系如圖4所示，進行分析可以發現，基樁軸力在不同深度情況下具有相近的變化趨勢；在加載之初，樁頂軸力等于樁頂分擔的荷載值，即樁頂無摩阻力的影響；隨深度增加，樁身軸力沿樁身深度方向先增大后減小，樁體上部軸力增長速率較下部大，基樁負摩阻力呈現出先增大后減小至消失的變化趨勢；在新近填土自重固結過程中隨時間的增長，基樁軸力的增加速率先快后慢逐步趨于穩定，基樁負摩阻力的增加趨勢呈現與之相似的變化趨勢，新近填土在固結沉降過程中引起的負摩阻力增大，由負摩阻力引起的下拉力增大，從而基樁軸力增大，中性點位逐步下移，這是由于土層上部樁-土相對位移大于下部，側摩阻力逐步發揮，上部樁側負摩阻力值大于下部。通過對3個試驗對照組測得在固結沉降120h后，填土層厚度為520mm時，基樁最大軸力為540.19N，中性點位置在0.54m處；填土層厚度為670mm時，基樁最大軸力為590.32N，中性點位置在0.58m處；填土層厚度為820mm時，基樁最大軸力為601.16N，中性點位置對應為0.64m。隨新近填土層厚度的增加，基樁軸力逐步增加，負摩阻力也逐步增大，中性點位置逐步下移，基樁中性點位置與新近填土層中的位置的比值逐步減小，即基樁中性點位置在新近填土層中的位置逐漸上移。

4 結論

本部分研究通過開展室內模型試驗，探究在填土固結沉降過程中有載荷作用情況下的基樁軸力、側摩阻力的探究可以發現：

（1）基樁側負摩阻力的發揮、中性點位置變化等都存在明顯的時間效應；隨填土固結沉降時間增加，基樁軸力逐步增加，基樁負摩阻力也隨之增加，基樁中性點位置逐步下移；

（2）填土層厚度對基樁沉降、樁底反力、軸力、負摩阻力及中性點位置有較大影響，隨填土層厚度增加，基樁沉降、樁底反力、軸力、負摩阻力逐漸增加，中性點位置下移，而中性點位置與新近填土層厚度減小，這是由填土厚度增加，樁土相對位移量變大引起。

參考文獻：

[1] 黃強.樁基工程若干熱點技術問題[M].北京：中國建材工業出版社,1996.

[2] Little J A,Toma T M.The Development of Shaft Adhesion with Onest of Negative Skin Friction for a Fixed Base Model Pile[J].Proceeding Second International Conference on Foundations and Tunnels.Engineering Technics Press,1989：111-117.

[3] Ergun M U.Negative Skin Friction from Surface Settlement Measurements in Model Group Tests[J].Candaian Geotechnical Journal,1995,32：1075-1079.

[4] 謝耀峰,王云球.碼頭樁基負摩擦力的模型試驗研究[J].建筑結構,2004,34(12)：29-30,41.

[5] 吳一偉，費涵昌，林僑興，等.砂土液化對基樁的影響[J].同濟大學學報，1995，23（3）：360-364.

[6]JGJ94-2008建筑樁基技術規范[S].北京：中國建工出版社，2008.