基于單樁承載力現場試驗的負摩阻力數值研究

潘正中，周 洋，李國維，李博煬，熊 力

(1.廣東潮汕環線高速公路有限公司，廣東 汕頭 515041； 2.河南工業大學，河南 鄭州 450001；3.河海大學，江蘇 南京 210098)

0 引言

樁打入壓縮性較高的軟黏土層時，樁周土體可能受到某種原因而發生固結或沉降，當土體沉降大于樁身位移時，土體對樁產生負摩阻力[1]。負摩阻力相當于對樁身施加額外荷載，導致樁身承載力相對減少，增加樁體位移。中國濱海地區廣泛分布著深厚軟土地層，利用樁基進行軟土加固時，常常遇到樁體承受負摩阻的情況。例如:(1)樁基施工擠壓軟土引起超孔隙水壓，孔壓消散及地下水位下降都會引起土體固結沉降，上層土體極有可能對樁體帶來負摩阻力；(2)在進行高速公路等工程時，有時在樁體打入軟土地基后不可避免樁周區域的大面積堆載，從而引起地基沉降。有時堆載對樁周土體沉降和樁體負摩阻的影響持續到工后很長時間；(3)沿海地區近10 a來不斷發展的圍海造地工程帶來了大量的吹填土地基。吹填土含水率極大，這些地基或全部、或局部存在自重固結未完成的狀況。樁體施工后，樁周土體仍會在自重下逐步沉降。以上工況下，土體對樁體均會產生負摩阻力，樁身安全承載空間相對壓縮，不利于工程安全。2006年，袁燈平等[2]則統計了由于忽視負摩阻力而造成工程事故的案例，他的研究表明工程設計、咨詢和施工必須考慮負摩阻的影響。

很多學者對當前國內的基樁試樁方法、樁基設計方法[3-5]的局限性進行了試驗和數值研究[6-8]。首先，根據《建筑基樁檢測技術規范》(JGJ106—2014)[3]，試樁過程中樁體本身沉降大于樁周土體，樁側摩阻力均為正值[6]，這與很多實際工況有較大出入[7]。其次，《建筑樁基技術規范》(JGJ106—2014)[3]通過將中性點以上的側摩阻力按0計算來考慮負摩阻力，雖較《建筑樁基技術規范》(JGJ106—2014)[3]更接近事實，但與實際情況仍然有所出入；且規范僅對端承樁做了說明，忽略了摩擦樁的情況。另外很多學者依據不同的地質條件、工程狀況開展了對樁基負摩阻力的試驗研究[2,9-15]。例如，宗雪梅等[14]研究了黃土中樁側負摩阻力問題；徐兵等[6]、李玲玲等[13]研究了灌注樁的負摩阻力問題；李光煜等[11]、劉茲勝等[16]研究了管樁的負摩阻力問題。

葉觀寶等[8]以Indraratna等[17]于1992年在泰國進行的樁體拉拔試驗結果為基礎，通過有效的數值模擬和理論比較等研究手段，清晰地指出了現有規范[3-4]可能低估樁體的下拉荷載約300～700 kN。需要指出的是Indraratna等[17]的現場試驗是在曼谷軟黏土地層條件下進行的，與我國東南沿海軟土地層條件不一致；且他的研究重點放在了瀝青涂層對樁體承載力的綜合影響，不涉及我國規范中指定的單樁豎向抗壓靜載試驗。本研究則以我國粵東地區的工程實例為背景，以常見的單樁豎向抗壓靜載試驗為基礎，并通過理論分析和數值模型，研究負摩阻引起的下拉荷載對工程表現和安全系數的影響。

1 現場試驗

1.1 試驗概況

本現場試驗位于粵東某高速公路收費站及管理大樓區域，有地質勘測資料繪制的土層概況見圖1。從圖中可知，樁側上部土層為承載力較弱的淤泥質軟土層，而下部為較為密實的黏土層和砂質黏土層。其中，淤泥質土體孔隙比較大，黏聚力(c)以及內摩擦角(φ)由固結快剪測得，而黏土的黏聚力(c)以及內摩擦角(φ)由天然快剪測得。由工程地質勘測資料可知淤泥質軟土的壓縮模量(Es)較小，不足2 MPa。

圖1 試驗場地的工程地質概況Fig.1 Profile of engineering geology in test field

本研究以3根樁徑為1.2 m的混凝土灌注樁為測試對象，進行破壞性靜載試驗。樁長為60.4～66 m，均大于設計樁長(60 m)，樁身基本貫穿軟黏土層。3根試樁的設計參數見表1，其中承載力容許值由設計方按照規范[5]計算而來。

表1 試樁設計參數Tab.1 Design parameters of test piles

1.2 試驗平臺

本次試驗采用壓重平臺反力裝置，尺寸為12×12 m2；堆載重物采用尺寸為2×1×1 m3的預制混凝土塊(每塊50 kN)，堆載重物逐層堆放、碼放7～8層，直至24 000 kN。主梁、次梁作為堆載平臺，放置在支墩上，支墩下地基采用混凝土管樁進行處理。樁頂反力裝置采用4個量程為8 000 kN的液壓千斤頂。

1.3 樁身軸力測量

試驗中樁身軸力采用振弦式鋼筋應力計，量程范圍為-300～300 MPa (壓為正，拉為負)。試驗前，應力計沿不同深度，特別是在土層交界處附近，按圖2(a)位置焊接在鋼筋籠主筋上。每個深度位置處，均勻地布設鋼筋計4個，如圖2(b)所示。試驗過程中每級荷載施加穩定后，記錄樁身不同斷面處鋼筋應力計的頻率，由此計算鋼筋力及各斷面軸力，兩個斷面之間的軸力差值就是該段樁體的側摩阻力。

圖2 應力計布置(單位：m)Fig.2 Arrangement of stress gauges (unit：m)

2 靜載試驗結果及分析

2.1 樁體軸力分布特征

圖3展示了3根試樁Q-S曲線。由圖3可知在某區間內Q-S曲線走勢趨陡，可觀測出較為明顯的破壞特征點，可判定試樁屬于摩擦型樁。取曲線曲率最大點為破壞特征點，對應荷載定為其極限承載力(Qw)。表2羅列3個樁的靜載試驗結果。3根樁的承載力在12 000～15 000 kN之間，其中2#樁的承載力稍低，原因來自土層性質的變化等。總體上，試樁結果可以相互驗證，特別是1#樁和3#樁，試驗結果可靠。樁體的試驗結果將用于后續的數值模擬比較與驗證。

表2 各試樁承載能力及位移測試結果Tab.2 Test result of bearing capacity and displacement of test piles

圖3 各試樁Q-S曲線Fig.3 Q-S curves of test piles

2.2 樁體側摩阻力分布特征

圖4以1#樁為例，繪制了靜載試驗加載過程中，3個不同的荷載下樁體側摩阻力沿深度的分布曲線。圖4顯示，當應力較小時，樁體上側是側摩阻力的承擔主體，下部樁體表面基本不承擔阻力。上部摩阻力明顯大于下部摩阻力，樁端尾部摩阻力接近于0。隨著樁頂荷載的增加，樁身通體的側摩阻力發揮出來，下層土體是強度較高的含砂黏土層，發揮主要的側摩阻作用。另外，淤泥質土層范圍的樁側摩阻力隨樁頂荷載增大雖略有增長，但是增幅較小，而砂質黏土層范圍的樁側摩阻力隨樁頂荷載增大顯著增長。

圖4 1#樁的樁側摩阻力分布曲線Fig.4 Distribution curves of side friction of pile 1

由圖4結果可計算總摩阻力約為13 500 kN，占極限荷載的87%，端部應力僅占13%，屬于典型的摩擦型樁。且承載當上部荷載與極限荷載相當時，即15 510 kN, 按上部淤泥質軟土層范圍為20 m計算，軟土層產生高達1 500 kN的摩阻力。

2.3 負摩阻力的影響

當在實際工況中考慮負摩阻力對樁基承載力的影響時，應在靜載試驗值的基礎上扣除軟土層產生的正摩阻力及負摩阻力可能產生的下拉荷載。實際工況下樁基單樁極限承載力取值應調整為：

Q實=Q試-Q正-Q下拉，

(1)

式中，Q試為試驗測試中得到的極限承載力；Q正為靜載試驗過程中軟土層產生的正摩阻力；Q下拉為深厚軟土地區中性點以上負摩阻力引起的下拉荷載。

依據《建筑樁基技術規范》(JGJ94—2008)可以計算出樁側負摩阻引起的下拉荷載，從而得到實際工況下樁基的承載力。以本研究中涉及的3根樁為例按式(1)計算極限承載力和安全系數(見表3)。由表3可以看出，1#樁和3#樁在不考慮下拉荷載時，安全系數大于2，而考慮下來荷載時安全系數小于2，2#樁的安全系數更是低至1.5。因此，在軟土地區的工程中，若將靜載試驗的樁基極限承載力直接作為實際工況下樁基的極限承載力用于設計，將會導致一定的工程安全隱患。

表3 不同工況下試樁極限承載力與安全系數Tab.3 Ultimate bearing capacities and safety factors of test piles under different conditions

3 數值模擬及參數分析

3.1 數值模型及驗證

采用ABAQUS有限元軟件，進行三維數值模擬計算，模擬靜載試驗過程，模型如圖5所示。數值模擬中土體本構采用Mohr-Coulomb模型，土層簡化厚度為21 m的軟土層、21～60 m的黏土層和下部的基巖，模型初始應力為土體自重。樁土之間接觸采用面面接觸，法向接觸為硬接觸，切向接觸形式為摩擦形式，摩擦系數為tan(φ)以及最大彈性滑動距離設定為10-5m。

圖5 數值模型(單位：m)Fig.5 Numerical model (unit：m)

表4列出了樁身和各土層參數的取值，其中樁體密度和彈性模量均采用使用的C35混凝土參數；土層1中土體剪切強度參數取3個淤泥質土層均值，土層2中土體剪切強度參數取2個黏土層均值。需要注意的是，數值模擬中M-C模型采用土體彈性模量(E)作為抗壓強度指標。因此，如何正確估計土體的彈性模量是本模擬中的關鍵點。依據楊敏和趙錫宏[18]現場靜載試驗的研究結果，樁基土體的彈性模量應為1～8.5Es，并建議上海軟土可取2.5～3.5Es。對于本研究而言，筆者取土層1中的E=2Es，土層2中的E=3Es。開始模擬時，按照與試驗一致的加載順序在樁頂施加預定荷載。由于3個試驗樁距離數十米，土層性質、參數勢必稍有差異，且試驗結果確實也略有不同。為了更好地模擬3個不同試樁結果，在保持數值模型基本設置(幾何模型、材料類型、排水條件等)不變的情況下，微調土體強度參數。

表4 樁身和土體參數Tab.4 Parameters of pile and soil

圖6是各樁的數值模擬Q-S曲線與實際試樁靜載試驗Q-S曲線。由圖6可知，數值模擬很好地模擬了全部3根試驗樁的沉降趨勢和總量，特別是對于1#樁和2#樁。3#樁的模擬曲線和試驗曲線有所差距，但在可接受范圍內。因此，總體上數值模型的有效性得以驗證，并用于進一步模擬更多實際工況，研究樁基樁側摩阻力分布情況。

圖6 靜載試驗與數值模擬Q-S曲線Fig.6 Q-S curves of static load test and numerical simulation

3.2 多工況下樁側摩阻力分布

在實際工況條件下，橋樁附近可能會進行大面積的回填土堆載。在1#樁靜載試驗數值模型的基礎上，在樁周半徑為5 m的范圍內增加5 m高的填土堆載，模擬該工況下樁側摩阻力，堆載速率為1 m/d。圖7是樁側摩阻力沿深度分布曲線，中性點深度大約在14.3 m處(軟土層厚度2/3處)，下拉荷載大約為527.5 kN。其中由靜載試驗可知中性點以上正摩阻力約為1 070 kN。則可知，考慮負摩阻力，單樁的實際承載力由14 410 kN降低為12 810 kN，幅度達11%。

圖7 1#樁堆載工況模擬下摩阻力分布Fig.7 Distribution of frictions of pile 1 simulated under stacking condition

3.3 軟土厚度及堆載高度的影響

在土層總厚度不變的情況下，變化軟土層和黏土層相對厚度，模擬側摩阻力的分布規律。軟土層厚度分別取10，20，30，40 m。圖8為不同軟土層厚度條件下的樁側摩阻力模擬結果。圖8所示，隨軟土層厚度增大，摩阻力0點深度加大，下拉荷載增大。圖9顯示軟土層厚度與中性點深度近似為線性關系，與下拉荷載近似為線性關系。圖10為軟土層厚度變化對中性點及下拉荷載的影響。由圖8也可間接推算出，當軟土厚度遠大于20 m時，實際單樁承載力相比于試驗結果降低幅度遠大于11%，對工程安全極為不利。

圖8 軟土層厚度影響下樁側摩阻力分布Fig.8 Distribution of pile side frictions under influence of soft soil layer thickness

圖9 軟土層厚度對中性點深度與下拉荷載的影響Fig.9 Influence of soft soil layer thickness on neutral point depth and downdrag load

圖10 回填土厚度影響下樁側摩阻力分布Fig.10 Distribution of pile side frictions under influence of backfill soil thickness

圖10為樁體周圍不同回填荷載條件下的樁側摩阻力的數值模擬結果。圖10所示，隨回填土厚度增大，中性點深度略有加大，下拉荷載也有所增大。圖11為回填土厚度變化對中性點及下拉荷載的影響。圖11顯示回填土厚度與中性點深度近似為線性關系，與下拉荷載近似為拋物線關系。另外，仔細比較圖8～11，負摩阻力大小和中性點位置對軟土厚度更為敏感。

圖11 回填土厚度對中性點深度和下拉荷載影響Fig.11 Influence of backfill thickness on neutral point depth and downdrag load

4 結論

本研究通過現場試驗和數值分析研究了負摩阻力對單樁試驗結果的影響，得到以下幾點主要結論：

(1)試樁荷載較小時，摩阻力由上部軟土層提供；試樁荷載較大時，摩阻力主要由下部黏土層提供。就本樁基靜載試驗而言，接近極限荷載時，軟土層承擔的正摩阻為1 500 kN。

(2)依據規范將中性點以上正摩阻力假定為0，同時考慮下來荷載，則試樁結果確定極限荷載需要進行大幅降低以確定實際承載力，造成安全系數顯著降低。

(3)本研究建立了單樁靜載試驗的數值模型并進行了驗證。數值模擬結果顯示，當時堆載高5 m時，單樁的實際承載力降低約11%。

(4)軟土層厚度增大，樁基中性點位置深度增大，下拉荷載增大。樁基周圍回填土厚度增大，樁基中性點位置深度增大，下拉荷載增大。相比之下，負摩阻力大小和中性點位置對軟土厚度更為敏感。