考慮壓實度的填土場基樁負摩阻力試驗

2

(1.中國地質大學(武漢) 工程學院，湖北 武漢 430074； 2.安徽省交通規劃設計研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230088)

隨著我國城鄉一體化建設進程的加快，大量優質土地資源逐漸向商業、住宅等方向傾斜，物流園區、變電站等城市配套基礎設施不得不向地質地貌復雜的山區轉移。在山區進行基礎設施建設，需要進行大量開挖和回填工作。為節約時間，減少不必要的浪費，回填過程中大多會就近取土并進行一定的處理。由于回填工藝和施工時間的不同，回填效果也會有一定的差別，因而填土孔隙比、固結度等物理力學性質差異較大。后期使用過程中，在自然環境因素和人為因素的雙重影響下填土沉降可能會大于樁基沉降，引起負摩阻力，可能會造成樁身破壞、樁端地基屈服或破壞以及上部結構不均勻沉降等現象[1]，嚴重影響基礎設施使用。因此山區填土場基樁設計使用過程中考慮由填土沉降引起的負摩阻力十分必要。

國內外已經系統地開展了關于基樁負摩阻力的模型試驗研究，并取得了一定的成果。Shibatat等[2]利用室內模型試驗證實了樁基負摩阻力發展存在明顯時間效應；Ergun[3]利用模型試驗研究樁間距對負摩阻力群樁效應的影響；孔綱強等[4]通過基樁模型試驗，系統地分析了中性點、樁身下拉力等隨地基土固結時間的變化關系；吳一偉等[5]通過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，深入研究了基樁負摩阻力與地面沉降之間的關系；王長丹等[6]對采用土工離心模型試驗進行基樁負摩阻力研究，并分析了單樁負摩阻力分布規律及中性點位置的變化規律；戴國亮等[7]通過試驗發現相比于圍載作用，邊載作用下砂土樁沉降、負摩阻力偏小，中性點位置偏高。

現今山區填土場修建的各類構建筑物對基樁變形要求較高，而設計過程中對填土的壓實度考慮較少，大多直接按照樁基礎思路進行設計[1]，實際處理效果不甚理想。此外對于各類填土場樁基負摩阻力，國內相關研究主要關注于地表堆載形式及傳遞機理等方面，填土壓實度等土體物理力學參數對基樁負摩阻力影響的研究還不夠完善。綜上所述，本文開展填土場地基樁負摩阻力試驗，對試驗過程中的基樁軸力、沉降、樁底反力、負摩阻力進行測試分析；探討不同填土壓實度下樁頂荷載與沉降關系、樁身軸力分布、樁身側摩阻力分布以及中性點位置的變化規律，以加深對填土地區基樁負摩阻力的認識，并為其設計優化提供一定的建議。

1 模型試驗裝置及試驗過程

1.1 模型試驗裝置設計

基樁模型試驗是根據基樁的實際工作狀態和研究需求，通過較精確的設定和控制邊界條件、樁土材料特性，建立與原型具有相似性規律的模型，研究樁基的受力、變形等特性變化規律[8-11]。

參考國內外相類似的樁基模型試驗裝置[11-16]，考慮模型試驗的相似特性，試驗主體框架由試驗箱、加載框架、反力架、加載油缸等組成；其中，試驗箱為直徑1 000 mm、高1 200 mm鋼制圓筒，底部完整封閉，頂部設有給樁周土加載的加載板。模型樁采用了長度為900 mm、外徑60 mm、壁厚為5 mm的封口有機玻璃管。為消除測試過程中各類電纜對側摩阻力的影響，將模型樁切半后，將應變片導線從樁頂側壁穿孔引出，再組裝粘接在一起。為增加有機玻璃管與填土的接觸摩擦力，在粘接閉合后的有機玻璃管外側粘結粒徑不同的砂礫，處理后樁徑為61.5 mm，彈性模量經測試為2.79×103MPa，如圖1所示。

注：1.加載油缸； 2.載荷計； 3.位移傳感器； 4.加載框架； 5.反力架； 6.樁模型； 7.應變傳感器； 8.土壓力盒； 9.填土； 10.原狀土圖1 模型試驗裝置示意Fig.1 Schematic diagram of model test apparatus

模型箱填料取自工業園區場地回填土，為保證試驗的準確性，經土工試驗測試判定為粉質黏土，各項土體參數見表1。試驗用土分為上下兩層，各層填料分層鋪填并壓實，下層填料模擬原狀土，上層填料用于模擬填土，基樁深入下部原狀填土層。受限于模型箱尺寸及壓實操作的便捷性，下部土層壓實度控制為95%；上層填土根據試驗需求設置不同壓實度。為降低邊界效應的影響，填土裝填前在模型箱壁均勻涂抹固態潤滑油并覆蓋塑料薄膜，以減少箱壁摩擦力。

數據的測試與采集由位移傳感器、載荷計、土壓力盒、應變片等位移應力應變傳感器、靜態應變儀及筆記本電腦組成。樁頂和加載架頂部分別設置載荷計和位移傳感器用于記錄樁頂和樁周土的載荷以及沉降；樁底布設土壓力盒用于采集樁底反力；樁體內部每隔100 mm布置應變片用于收集樁體形變，并通過換算得到基樁軸力。

表1 土樣主要物理性質指標Tab.1 The parameters of silt clay used in tests

模型試驗裝置實物圖如圖2所示。此裝置可實現基樁及樁周土獨立加、卸載，并能夠對基樁載荷、軸力、反力、沉降以及樁周土的載荷、沉降進行數據自動采集。

圖2 模型試驗裝置實物Fig.2 Model test apparatus

1.2 試驗對照組設計及試驗操作步驟

根據試驗目的，以填土層的壓實度作為變量，結合某建筑回填工程所揭示的填土壓實度范圍[17]，將各對照組的填土壓實度設置為75%,80%,85%,90%，填土壓實度采用分層人工稱重壓實法進行控制，各試驗對照組參數設置如表2所示。

表2 試驗對照組參數Tab.2 The parameters of the model tests

模型箱填土及模型試驗裝置拼裝調試完成后靜置12 h使填土內部自重調節，并對模型樁進行預壓，保證模型樁與加載儀器之間接觸良好。使用快速荷載維持法[18]對樁頂分級加載，最大加載量為300 N，加載分10級加載，每隔1 h加載一級；樁頂加載完后，對樁周土分級加載至40 kPa并持續到試驗結束。加載過程中注意補充千斤頂油壓，保證載荷穩定。對試驗過程中的基樁軸力、位移及土層沉降進行實時監測，當測值趨于穩定時可認為沉降趨于穩定，對基樁分級卸載。

2 模型試驗結果及分析

按照試驗目的共進行4組不同壓實度的基樁負摩阻力模型試驗，將填土層壓實度分別選取75%，80%，85%，90%。試驗表明隨填土層壓實度增加，基樁負摩阻力逐漸減小，中性點上移，變化速率逐漸放緩。

2.1 樁頂載荷與基樁沉降關系

基樁分10級加載到300 N，每級加載30 N。圖3為不同壓實度填土中樁頂載荷與沉降的關系。

圖3 樁頂加載與樁頂沉降關系曲線Fig.3 Relationship between load-unload of pile top and settlement of pile

由圖3可知，不同壓實度填土中基樁載荷與沉降的變化規律基本一致，呈近似線性關系。隨填土層壓實度的增加，樁頂最大沉降逐漸減少，90%壓實度填土層中基樁沉降為3.20 mm，相比于75%時樁頂沉降位移減少了28.1%。在加載及沉降結束后分級卸載過程中，基樁沉降均呈現出線性的變化規律，這是由于樁頂加載量較小，樁體、樁周土和樁底土體均處于彈性變形階段；基樁最終沉降量隨填土壓實度的增加而減少，90%壓實度時基樁最大沉降量為1.32 mm，是75%壓實度時的52.5%。此外，樁土接觸面與實際接觸面有一定出入、樁頂載荷值較大以及受試驗不可排除的偶然誤差等因素的影響，加載過程中基樁沉降量偏大[19]。

2.2 填土沉降與時間的變化關系

由圖4可知，填土層隨時間逐漸沉降，填土沉降先快后慢，75%壓實度的填土120 h時沉降值達到6.9 mm；隨填土壓實度增加，土體沉降逐漸減少，呈現出先快后慢的趨勢，90%壓實度填土沉降近似于直線型，120 h沉降量為3.8 mm。由2.1節可知，填土沉降過程中基樁位移趨于零，故樁土相對位移可近似用填土沉降代替；即樁土相對位移的變化趨勢與填土層沉降的變化趨勢一致。

圖4 填土沉降與時間關系Fig.4 Relationship between settlement and time

2.3 樁頂載荷與樁底反力關系

由圖5可知，隨基樁樁頂載荷逐漸增大，樁底反力隨之線性增大。填土壓實度對基樁沉降曲線的斜率有顯著影響，隨壓實度的增長樁頂載荷與樁端阻力變化線的斜率逐漸減少。樁周土沉降后，樁底反力進一步增大，75%壓實度填土中樁底反力增加了150.3 N，而90%壓實度時僅增長了134.0 N，增長幅度隨壓實度的增加而逐漸減少。分級卸載后樁底反力線性減少，即試驗過程中樁周土和樁底土處于彈性階段；卸載后基樁僅承擔填土引起的負摩阻力。不同壓實度的填土對基樁引起的負摩阻力不同，隨壓實度的增加，填土沉降和樁土相對位移逐漸減小，由負摩阻力引起的下拉力逐漸減小。

圖5 樁頂加載與樁底反力關系曲線Fig.5 Relationship between load on pile top and tip resistance

2.4 樁身軸力與深度、時間的變化關系

將填土與基樁接觸點定義為零點，向下為正方向，樁頂載荷值為樁身軸力，繪制不同壓實度情況下不同時刻基樁軸力分布圖，如圖6所示。

圖6 不同填土壓實度軸力—深度關系Fig.6 Relationship between axial force of pile and depth of pile under different compaction degrees

圖7 不同填土壓實度側摩阻力—深度關系Fig.7 Relationship between friction resistance of pile and deepth of pile

由圖6可知，基樁軸力在不同時刻沿深度增加方向先增大后減小，在0～48 h內軸力增長較快，在48～120 h內軸力增長較慢逐漸趨于穩定。在填土表層一定深度范圍內基樁軸力的增長幅度較小，這是同一壓實度下填土埋深較淺、側向土壓力較小導致。隨填土沉降時間增加，土體沉降增加，樁土相對位移量增加，基樁負摩阻力影響區擴展，引起的下拉力不斷累積增大，軸力最大點逐漸下移。隨填土壓實度增加，基樁軸力變化幅度和速率逐漸減小，樁端土載荷逐漸減小，基樁軸力最大點逐漸上移，填土壓實度為75%時基樁最大軸力達495.6 N，壓實度為90%的填土中軸力達425.1 N，降低了14.2%。

2.5 側摩阻力與深度、時間的變化關系

由圖7可知，基樁負摩阻力隨深度先增加后減少，樁體上部負摩阻力增長速率快于下部，這是填土層上部樁-土相對位移大于下部，從而導致負摩阻力上部大于下部，這與Ergun等[3]所得結果一致。隨深度增加，基樁側摩阻力由負變為正，正摩阻力逐漸增大并趨于平緩；隨填土固結時間增加，同一壓實度下基樁負摩阻力逐漸增大，中性點位置逐漸下移，由負摩阻力引起的下拉力逐漸增大，基樁側摩阻力變化速率逐漸減慢。

統計不同填土壓實度下的基樁中性點位置和由負摩阻力引起的下拉力，結果如表3所示。

由表3可知，隨填層壓實度增高，基樁中性點逐漸上移。在本試驗條件下中性點位置由582 mm上升至396 mm，中性比由0.65上升至0.44；其主要原因是填土沉降隨壓實度的增高而減少，樁土相對位移量減少。填土沉降120 h后，由負摩阻力引起的下拉力也在逐步減小，75%壓實度的填土引起的下拉力高達146.5 N，是90%填土壓實度的2.63倍。此現象出現的原因一方面是壓實度較小的填土所能提供的側向土壓力有限，另一方面是樁土相對位移隨壓實度的增高而逐漸降低。

表3 不同填土壓實度與負摩阻力特征關系Tab.3 Relationship between different filling compaction degree and plie negative skin friction characteristics

3 綜合討論分析

由于試驗過程中存在油缸泄壓、應變片粘結不恰當、引線干擾等一系列問題，測試結果出現一定的誤差，但其基本變化趨勢較為清晰。綜上可知，填土沉降具有明顯的時間效應；隨時間增長填土沉降、樁土相對位移增大，基樁軸力、負摩阻力也逐漸增加，中性點位置逐漸下移。填土上部相對位移較大，但其作用于樁周的側向土壓力較小，導致基樁受到的向下摩擦力較小；隨樁周土側向壓力增大，基樁負摩阻力增大，一定深度時基樁負摩阻力開始減小，這時隨深度增加樁土相對位移量減少并開始轉換為基樁沉降大于土體沉降。上述事實表明樁土相對位移量和樁周土側向壓力是基樁負摩阻力的控制條件。

沉降120 h后，相比于75%壓實度的填土，90%壓實度填土引起的基樁負摩阻力最大值減少了19.5%，下拉力減少了60.2%，中性點位置上移了32%。由此可知，不同壓實度的填土對基樁負摩阻力、中性點位置具有明顯的影響。隨填土壓實度增大其對應的表層及下部沉降越小，在基樁位移一定的情況下，樁土相對位移也隨之越小，且樁土相對位移為零的點也隨之逐漸上移，因此產生的負摩阻力就越小，基樁中性點位置向上移動。

4 結論與建議

(1) 填土區樁側負摩阻力、中性點位置等發展演化都存在明顯的時間效應，樁土相對位移量和樁周土側向壓力是基樁側摩阻力的控制條件。

(2) 不同壓實度的填土對基樁沉降、樁底反力、軸力、負摩阻力、下拉力及中性點位置具有明顯的影響。隨填土壓實度增加，基樁沉降、樁底反力、軸力、負摩阻力減少，中性點位置上移。在本試驗條件下，中性點位置上移了32%，基樁軸力最大值減少了14.2%，下拉力減少了60.2%。

(3) 填土場地建設過程中應充分注意對填土壓實度的控制，建議采用填土預壓等手段提高填土壓實度，對于無法控制填土壓實度的地區，應充分考慮基樁側摩阻力發揮存在時間效應，給予填土更多的自然固結沉降時間促使填土自然固結，減少負摩阻力的影響。