深厚土石填方體基樁負摩阻力的原位試驗研究

敖國碧 楊文學

(1.貴州有色地質工程勘察公司，貴州 貴陽 550005； 2.貴州橋梁建設集團有限責任公司，貴州 貴陽 550005)

貴州地區山嶺及丘陵較多，且地質水文條件相對復雜，土石混合料作為一種基礎填料，越來越廣泛地應用于各個工程領域中。土石混合料是由土和巖塊(碎石)組成的復合體。其壓縮變形參數不僅取決于土料和石料本身的強度，還與混合料的空隙壓密、粗顆粒的接觸狀態、細粒的含水量等眾多因素有關，但各因素的影響機制目前并未有統一的結論。土石混合料雖然包括一部分石料，但是其中的土料所需的固結時間較長沉降較大，產生樁周負摩阻力，引起基樁下拉荷載，極易造成樁端地基的屈服或破壞、樁身破壞、結構物不均勻沉降等影響，如在樁基設計時未能充分合理考慮類似負摩阻力的影響，會給工程建設帶來安全隱患。近年來，由于樁基在回填土、軟土、濕陷性黃土地區的應用越來越多，針對負摩阻力的研究進行了大量的現場試驗，得到許多極有價值的研究成果。

參考文獻[1]針對浙江省寧海縣某軟土場地中的樁基礎進行了負摩阻力特性現場測試，試樁樁長分別約37.1 m和27.6 m，樁徑相應為1 m和0.8 m的沖擊錘成孔灌注樁試驗結果表明，成樁工藝對負摩阻力的影響較大。參考文獻[2]針對太浦河泵站變配電站地基中部分樁身處于厚度在2 m～10 m的回填土中的鉆孔灌注樁(樁長分別為20.05 m和18.55 m兩種，樁徑為0.8 m)進行了負摩阻力特性現場試驗，根據試驗資料，由于樁周填土體的固結沉降引起0.2倍～0.4倍樁長范圍內存在樁側負摩阻力，負摩阻力呈上部土層大下部土層小的規律，在地基未穩定之前，中性點的位置也隨之變化。參考文獻[3]通過針對軟土地基中樁長為43 m、樁徑為1.0 m的橋臺鉆孔灌注樁基進行現場試驗，試驗結果顯示，臺后填土對橋臺樁軸力的影響不僅發生在填土回填期間，而且在相當一段時間里仍有一定的影響。參考文獻[4]對寧海電廠工程2組沖孔灌注樁的現場負摩阻力進行試驗研究發現，樁身最大軸力隨固結時間而增大，中性點位置也隨時間略有上移，現場試驗得出的樁側摩阻力系數為0.3～0.4。參考文獻[5]進行了現場樁基負摩阻力的監測工作，依托于巨騰國際內江基地一期工程，從近30 m回填土施工、樁基施工開始一直到上部結構施工完成，即樁體應力和變形基本達到穩定為止，歷經2年時間。試驗監測資料揭示，在新近厚填方體采用嵌巖樁時，填土負摩阻力很難消除，只是經過一段時間的自然固結后，會大幅消減負摩阻力的大小和作用范圍。

為了系統的研究土石混合料中基樁負摩阻力發揮機制，本次在貴州某深厚土石混填方工程中選定幾根基樁進行負摩阻力、樁周土沉降的長期原位試驗研究，為類似土石混合料高填方中的樁基工程設計提供參考和借鑒。

1 工程概況

根據場區地形特點，本工程采用平坡式布置，結合土石方綜合平衡的原則，場平標高為1 341.7 m。場地整平后，場地最大挖方高度約28 m，最大填方厚度約22 m。挖方區除去表層較薄的耕植土，紅黏土層，即為強度稍高的紅黏土、含碎石粉質黏土及基巖，因此挖方區可采用天然地基，而未經處理的填土地基，不宜作為建(構)筑物的基礎持力層，對填土較厚區域的建(構)筑物的基礎采用強夯+鉆孔灌注樁處理方案。

1.1 地形地貌

工程區域地貌單元屬低中山峰叢地貌，地形起伏較大，地面高程約為1 329.0 m～1 369.0 m，地形坡度一般為10°～20°，局部陡坡地帶為25°～38°。擬建場地由數個較低緩的山丘和三條丘間沖溝組成，溝谷多呈寬闊“U”形，局部呈“V”形，丘頂多呈渾圓狀。

1.2 地層巖性

本場地地基巖土層從上到下依次為素填土、紅黏土、粉質黏土、基巖，描述如下：

①素填土：0 m～10 m，新近回填的，褐灰色、黃褐色、紫紅色，主要成分為黏性土，混少量碎石、塊石及角礫，碎石主要成分為頁巖及灰巖，棱角狀，粒徑2 cm～8 cm，稍密～松散。

②紅黏土：10 m～23.5 m，母巖以灰巖為主的殘坡積物，棕紅色，棕黃色，含較多碎石，粒徑0.5 cm～2.0 cm，碎石成分為灰巖，土體中裂隙發育，稍濕～濕，以可塑狀態～硬塑為主。

③粉質黏土：23.5 m～27 m，顏色較雜，黃色為主，次為褐黃色、褐紅色、綠灰色、深褐色，含50%～10%頁巖、泥巖及灰巖的巖屑碎塊，碎塊局部富集，含少量鐵猛質氧化物，偶見灰白色物質，屬于碳酸鹽巖風化殘積層。稍濕，硬塑狀態。

④基巖：27 m以上，以灰巖為主，夾灰質白云巖、白云巖。青灰色、深灰色及灰黑色。隱晶～微晶結構，薄～中厚層理構造，灰質白云巖、白云巖次之，中等風化。

1.3 樁基特征

擬建場平標高為1 341.7 m，填土厚度約22 m，樁端持力層為中風化灰巖，進入持力層1 m，最大樁長約為28 m；服務區辦公樓填土厚度約11 m，樁端持力層進入含碎石粉質黏土深度為3 m，最小樁長約18 m。均為旋挖成孔灌注樁，樁徑800 mm，C30鋼筋混凝土。

2 基樁原位試驗

在深厚土石混合填方體中，為確保旋挖灌注樁的成樁可行性、成樁工藝及成樁質量，積累經驗，獲取樁基持力層的有關資料，為樁基持力層的合理選擇提供依據。本次試驗通過單樁豎向抗壓靜載試驗和高應變檢測，獲得旋挖成孔灌注樁在豎向抗壓荷載作用下單樁極限承載力，樁周土的極限側阻力和極限端阻力，評價樁的荷載—變形特性、樁周土沉降與基樁負摩阻力的關聯性等相關參數，為樁基方案優化及工程樁的設計、施工提供依據。現場監測的工程樁采用旋挖成孔，孔深為28 m，在樁頂往下0 m～10 m范圍內以1 m間距布置光纖測點，10 m～18 m范圍內以2 m為間距布置光纖測點。基樁光纖測點布置見圖1，樁周土分層沉降儀布置見圖2。

同時在樁周土采用分層沉降磁環測定樁周土沉降，在安裝監測光纖的工程樁附近5 m左右的位置埋設分層沉降標。分層沉降標為一磁環(見圖2)，磁環四周有3個不銹鋼卡片，安裝時卡片傾向上，周圍土層沉降時，卡片帶動磁環沿沉降管下滑，每個分層沉降標采用2 m間距布置。

3 監測結果及分析

3.1 樁周土沉降監測結果

測試周期為360 d，埋設時沉降管一直伸至基巖面，以底部沉降磁環為參考磁環，四個沉降管的沉降曲線如圖3所示。

從圖3可以看出，在沉降管埋入后第一個月內，四個沉降管各位置均無沉降(磁環與樁周土接觸差)，1號沉降管和3號沉降管位置是在沉降管埋入后30 d～180 d內沉降快速增長，后期沉降趨于穩定；而2號管是從沉降管埋入后30 d～150 d內沉降快速增長，后期沉降趨于穩定，4號管是從沉降管埋入后30 d～120 d內沉降快速增長，后期沉降趨于穩定。同一測量時刻，四個沉降管位置各深度處顯示淺層沉降大，而深部沉降小。其原因有兩方面：一方面土石填料雖然在填筑過程中壓實度較小，但是在逐層填筑過程中二次對下臥已填土層進行了二次壓實，加之上覆填筑層逐漸增大上覆荷載，且分層填筑碾壓過程中壓實機械的壓實作用力會對下層填筑層產生二次壓密作用等，密實度得到了進一步的提升，所以變化值較小；另一方面沉降在深度方向上是累加體現的，同一平面位置，地面點的沉降是相同位置深度范圍豎向位移的累加體現，所以越往淺部位置走磁力沉降環測得的分層沉降值越大。

3.2 基樁軸力與負摩阻力監測結果分析

由于本次監測過程中房屋建筑上部結構未施工，外加是嵌巖樁，可認為樁側阻力的變化值是由新近填土的次固結沉降引起，為純負摩阻力。在測量樁周土分層沉降的同時，采用光纖解調儀測取安裝在樁身鋼筋上光纖點波長數據，并通過公式換算成各點處的軸力值，再進一步通過軸力值換算成為樁側摩阻力值。兩根試驗樁樁身軸力及摩阻力監測值見圖4，圖5。

從圖4,圖5可直觀看出軸力變化的規律和趨勢，樁基施工后約2個月，2015年9月18日樁側有明顯的負摩阻力，由于樁頂無荷載，且為嵌巖樁，圖4和圖5都是由于樁側填料下沉時對樁產生向下的位移或位移趨勢，給樁體施加了一個下拉荷載，這一荷載使樁體軸力發生變化。負摩阻力產生的原因很多，對于新近填土而言主要是由于新近填土在自重作用下產生新的固結沉降引起。結合圖3四個分層沉降管的沉降也可以發現，在2015年9月18日四個沉降管各位置都發生了一定的沉降，正是樁側土的沉降激發了樁側的負摩阻力值。

為了方便對兩根試驗樁進行對比，取60 d，125 d，184 d和360 d典型數據繪制樁身軸力及樁側負摩阻力，如圖6，圖7所示。樁側負摩阻力在184 d內隨時間增長而增加，正負摩阻力交界點位置隨時間增長而下降，在184 d以后，樁側負摩阻力基本不變。

3.3 中性點分析

作為承受負摩阻力的樁體設計而言，一個重要的概念即中性點，有三個取值方法[6]：樁周土與樁體位移相等的點、樁身軸力最大的點、正負摩阻力的分界點。

根據樁身軸力中性點的確定原則，圖4，圖5中顯示2015年9月18日～2015年10月21日這一時段中性點深度為7 m，隨后一個月后中性點下移到8 m，再往后至2015年12月17日中性點下移9 m，直至2016年1月20日以后，中性點定在10 m，并趨于穩定。由于土石混合料回填完成后即開始樁基施工，在此期間，土石混合料自身的主固結期加劇沉積，以及相應的樁側負摩阻力發揮逐漸體現，所以前期的180 d沉降明顯，為土石混合填料的固結沉降。

3.4 負摩阻力發揮時效和樁周土沉降的關聯性分析

兩根基樁各深度段樁側摩阻力隨時間變化曲線，見圖8，180 d往后，負摩阻力值基本不發生變化。結合圖3四個分層沉降管的沉降也可以發現180 d后樁周土沉降速率明顯變慢，在前期的6個～8個月沉降基本已經完成，若地面無附加荷載施加，樁側負摩阻力已經趨于穩定。另外從圖8可以看出8 m～10 m段的樁側摩阻力由起始的正摩阻力隨著樁周土進一步固結轉換成負摩阻力，說明深部填料隨著時間延續都會進一步穩定。

樁側土體的沉降與樁側負摩阻力的發揮是宏觀同步的，而從發揮機理上應是先有樁周土沉降，然后激發了樁側負摩阻力，對樁體形成附加荷載，樁體發生變形，樁側阻力發生調整(由于樁變形，中間點略有上移)，如此反復調整達到平衡。

4 結論

通過現場原位試驗研究了土石混合料高填方體中基樁負摩擦力的發揮機制，經過對監測數據的分析，得到以下結論：

1)新近回填地基在其自重作用下的固結需要一定的時間，這期間的固結狀態與填料的含水量、密實度、填料成分都有關。本次大型土石混合料填方體的固結時間主要集中在前8個月，即240 d，240 d以后，固結沉降基本已完后，后期的固結沉降較小，基本可忽略不見。填料固結沉降在深度方向上是上大下小，但并未線性遞減的趨勢。

2)回填土在固結沉降的同時即激發了樁側負摩擦力，二者的出現和變化規律是一致的，本工程中，在樁基完成后前4個～5個月，固結沉降隨時間急劇增加，后期基本趨于穩定，所以樁側負摩擦力是前4個～5個月急劇增長，后期趨于穩定。由于整個監測過程中，樁頂并未施加荷載且為嵌巖樁，樁身測得的軸力變化基本都是負摩擦力引起的，由于固結沉降沿深度減小，所以直至固結沉降穩定后也只有淺部的0 m～3 m左右的負摩阻力達到極值，深部由于樁土間位移越來越小，其負摩阻力并未完全穩定。