大面积填土场地深厚软土中预应力管桩下拉荷载现场试验

余建飞 张 静 杨石飞

(1.浙江石油化工有限公司， 浙江舟山 316021； 2.上海勘察设计研究院(集团)有限公司， 上海 200093)

为缓解沿海地区人地矛盾，我国大面积填土扩展工程日益增多，新近填土下常常分布有深厚软土层诸如淤泥质土。深厚软土含水量高、压缩性高、渗透性差，在附加应力作用下，软土固结过程持续时间长，固结沉降在地基沉降中占主要部分。近年来桩基础由于良好的受荷特性而作为建筑物基础日趋普遍，在大面积填土场地深厚软土中兴建基础设施，一旦桩周土体沉降大于桩身沉降，将产生负摩阻力[1]，进而增加作用于桩身的竖向荷载，如果在工程设计中未考虑负摩阻力的影响，将会不同程度地引起桩基础的附加沉降以及建筑结构的不均匀变形，进一步增大桩端变形甚至引起桩身的破坏[2-5]。

目前，国内外学者针对桩基负摩阻力的形成机理及发展规律、影响因素、计算理论及减摩措施等进行了一系列探究[6-14]，张建新等进行了软黏土中单桩模型试验，模拟桩周土逐级加荷沉降，基于超孔压、土体沉降及桩身轴力变化实测数据，分析软黏土进入次固结阶段时桩侧负摩阻力及桩身中性点位置的变化情况[15]；周为采用粉砂、细砂、粗砂作为填土的模型材料，设计了11组室内模型试验，研究新近填土中桩的负摩阻力[16]；王殿龙等针对不同压实度填土场开展基桩承载性状模型试验，研究不同压实度填土对基桩负摩阻力的影响[17]；Walker等通过钢管桩负摩阻力现场试验发现：单桩周围3 m高的地面堆载可使桩周地基产生35 mm的沉降，产生的负摩阻力足以发展到18 m的深度[18]；马时冬对某高速公路中桥桥台的28 m长的钢筋混凝土灌注桩进行了桩身应力、应变和桩周土分层沉降测试，其填土高4.5 m，淤泥层厚度约13 m；[19]Indraratna等在曼谷软土中进行预应力空心管桩基负摩阻力长期测试，其填土厚度为2 m[20]；叶观宝等基于Indraratna试验建立单桩有限元分析模型，研究大面积填土场地工程中摩擦桩下拉荷载和中性点的影响因素[21]；肖俊华等基于日本、加拿大和泰国的现场实测结果，采用双曲线拟合下拉荷载与时间的关系[22]。调研表明：近年来，通过室内模型试验对软黏土或新近填土中桩基负摩阻力特征进行了初步研究，国内外学者积累了一定的填土作用下软土地层中桩基负摩阻力现场实测数据，一些学者基于现场实测结果开展了负摩阻力影响因素数值模拟和理论分析。总体而言，大面积填土场地深厚软土中桩基负摩阻力研究偏少，尤其是以桩基工程原型试验作为评价负摩阻力的现场试验资料很少。

舟山某石化基地工程填土厚度最高约15 m，堆载预压卸土后填土厚度仍可达10 m左右，下卧的流塑、软塑状软弱土层最大厚度达50 m，具备大面积填土、深厚软土的典型场地特征，张浜申采用离心模型试验和有限元数值模拟研究持力层对中性点位置影响[23]；方越基于桩身应力测试研究堆填过程中桩基持力层不同，中性点位置的变化情况[24]。为考虑桩基受荷工况为堆载预压卸土后土体长期固结作用，以该工程项目为依托，采用悬吊法[25]直接测试卸土后不同桩长的下拉荷载随时间变化数值，分析下拉荷载与桩土相对位移及桩土相对位移速率的相关关系，研究负摩阻力系数与中性点计算方法，并应用于该工程桩基承载力验算，以期为今后同类工程提供参考。

1 试验场地岩土工程状况

1.1 依托工程概况

舟山某石化基地二期工程总用地面积约450万m2，二期工程场区呈由岛侧向海域倾斜，泥面标高为+0.700～-7.300 m，吹填砂至标高+2.000 m，形成出水陆域，分区陆上打设塑料排水板，正方形布置，间距为1.2 m，插板顶标高为+2.000 m，插板底标高-28.000 m，采用回填开山石进行堆载预压处理地基，场地分为11个地块，试验区域位于地块9，堆载顶标高为+10.000 m，待具备卸载条件后卸载整平至标高+4.800 m，形成最终陆域。

1.2 场地地质条件

场地属于海岛前缘滨海淤积滩涂和水下浅滩地貌，地势总体较平整，局部稍有起伏。地层主要为第四纪海相沉积的软弱土、冲洪积形成的含黏性土砾石、砂土及风化层。地下水位标高为±0.000 m，天然泥面以下埋深30～50 m以内均为流塑—软塑淤泥质粉质黏土或粉质黏土，淤泥质粉质黏土呈流塑状，压缩性高，且塑料排水板尚未打穿，在大面积、高填方作用下排水固结时间长，卸载后土体继续发生沉降，此时，施工桩基础，一旦桩周土沉降大于桩身沉降，桩基承担下拉荷载，即产生负摩阻力，因此，亟需研究卸载后工后沉降对桩基摩阻力的影响。地块9卸载整平至标高+4.800 m后，地基土层主要物理力学参数如表1所示。

表1 地基土层主要物理力学参数

2 下拉荷载试验方案

2.1 试验桩设计

下拉荷载试验将水平横梁两端架设于反力桩上，试桩成桩后顶端悬吊在横梁中间，并安装测力装置。

试验目的在于测试大面积填土后桩土相对位移引起桩身承担下拉荷载随时间的变化规律，并基于平均负摩阻力实测值和有效应力法研究负摩阻力系数和中性点位置。为此，在试验场地打设5根试桩(D2、D4、D5、D6、D8)，以4根持力层进入粉砂层的桩基(Q1、Q3、Q7、Q9)作为反力桩，预应力管桩参数如表2所示。架设5根双拼反力梁，反力桩呈正方形布置，桩间距为8 m，试桩布设在四边中点及斜对角线中点，各试桩桩顶安装锚索计测定荷载，锚索计安装位置如图1所示，试验桩平面布置如图2所示。

表2 预应力管桩参数

图1 锚索计安装

图2 现场试验布置平面

2.2 测试仪器和测点布置

试验监测目的在于测试桩土相对位移及桩基下拉荷载，包括地表沉降和反力桩桩顶沉降监测、锚索计测读。地表沉降采用埋设沉降板，沉降板由底板与金属测杆垂直焊接而成。桩顶沉降布设8 cm带帽钢钉于反力桩桩顶。锚索计选用JTM-V1800系列振弦式锚索测力计，可通过测量四个方向轴力值获取平均值，并具备测温功能。

试验区域两边及中心位置共布置3个地表沉降测点，反力桩桩顶布设4个桩顶沉降测点，试桩桩顶共安装5个锚索测力计，具体测点布置如图2，监测时长共60 d，监测频率为每5 d进行1次。

3 现场试验情况

3.1 试验设备安装

根据下拉荷载试验方案，现场施工试桩和反力桩，在试桩桩顶焊接钢板，吊装并架设型钢反力梁，安装锚索测力计，做好桩号标记；埋设地表沉降板和设置桩顶沉降标；最后做好试验现场保护，试验区域向外围扩展15 m范围设置硬围。

3.2 试验期间现场工况

试验开始于4月中旬，历时2个月，试验期间四周进行强夯和打桩，南侧4月下旬卸土，北侧5月初进行静载试验。强夯和打桩情况如表3所示。

表3 试验期间现场强夯和打桩工况

4 监测结果分析

4.1 地表沉降

5月底，地表沉降达到最大值10.45 mm，之后由于北侧、东侧在距离试验区域20～50 m范围进行打桩，地表隆起，地表沉降速率最大达0.58 mm/d，实测曲线见图3。

—D2(30 m)-北侧； —D5(40 m)-中间；—D8(20 m)-南侧。

4.2 桩顶沉降

西侧(Q1、Q7桩)桩顶最大沉降达4 mm，桩顶沉降速率变化为0.2～0.32 mm/d；东侧(Q3、Q9桩)在5月中旬后，打桩距离试验区域越来越近，最近约20 m，桩顶出现抬升，实测曲线见图4。

—Q1(西北)； —Q3(东北)； —Q7(西南)；—Q9(东南)。

4.3 下拉荷载

轴力测力计刚安装完成，螺栓拧紧后产生一定的松弛，压力减小，轴力测力计第2次测值为负值，在此期间地表沉降增量很小，下拉荷载以第2次测值为初始值计算增量。随着时间增长，桩周土体沉降大于桩身沉降，试桩承受下拉荷载，轴力测力计受压为正，最大值约100 kN，实测曲线见图5。

—H8(20 m)-南侧； —H6(25 m)-东侧； —H2(30 m)-北侧； —H4(35 m)-西侧； —H5(40 m)-中间。

5 试桩负摩阻力分析

5.1 相关性分析

试验最大下拉荷载不超过100 kN，型钢变形可忽略，即桩土相对位移等于地表沉降减去反力桩桩顶沉降，对下拉荷载与桩土相对位移的相关关系进行分析，如图6～8。

—桩土相对位移； ---桩土相对位移趋势线；—下拉荷载； —·下拉荷载趋势线。

—桩土相对位移； ---桩土相对位移趋势线；—下拉荷载； —·下拉荷载趋势线。

—桩土相对位移； ---桩土相对位移趋势线；—下拉荷载； —·下拉荷载趋势线。

根据表2，试验期间现场工况可分为三个阶段：1)4月中旬—5月上旬，以强夯施工为主(简称“工况1”)；2)5月中旬—5月下旬，在距离试验区域较远范围(200～300 m)打桩(简称“工况2”)；3)5月底—6月中旬，在距离试验区域较近范围(20～50 m)打桩简称“工况3”)。根据图6～8，可见20，30，40 m试桩具有相同的规律：

1)“工况1”。桩土相对位移增大，下拉荷载增大，两者呈正相关。

2)“工况2”。桩土相对位移增速变小，下拉荷载增速减小更为显著，表明下拉荷载与桩土相对位移速率有关。

3)“工况3”。桩土相对位移减小(回弹)，下拉荷载减小。

为进一步探究下拉荷载与桩土位移速率的相关关系，见图9～11，可见20，30，40 m试桩具有相同的规律：

—桩土相对位移速率； ---桩土相对位移速率趋势线；—下拉荷载； —·下拉荷载趋势线。

1)“工况1”。桩土相对位移速率维持在较大值0.3～0.6 mm/d时，下拉荷载增长较快，20，30，40 m试桩最大下拉荷载分别约50，70，35 kN。

2)“工况2”。桩土相对位移速率降低至0.1～0.2 mm/d，下拉荷载整体几乎保持不变，20，30，40 m试桩最大下拉荷载分别约52，77，31 kN。

3)“工况3”。桩土相对位移速率减小，甚至回弹，下拉荷载减小。

—桩土相对位移速率； ---桩土相对位移速率趋势线；—下拉荷载； —·下拉荷载趋势线。

—桩土相对位移速率； ---桩土相对位移速率趋势线；—下拉荷载； —·下拉荷载趋势线。

根据下拉荷载与桩土相对位移速率关系分析，工况2桩土相对位移沉降速率减小，下拉荷载增长速率减小，甚至不变。为进一步探究下拉荷载变化速率与桩土相对位移速率的关系，绘制图12，可见，下拉荷载相对桩土相对位移速率变化具有滞后特性。采用阶段平均速率进行分析：

图12 下拉荷载变化速率与桩土相对位移速率关系(20 m，南侧)

1)“工况1”。桩土相对位移速率为0.3～0.6 mm/d，下拉荷载平均变化速率为1.3～2.6 kN/d；

2)“工况2”。桩土相对位移速率为0.1～0.2 mm/d，下拉荷载平均变化速率趋于零。

5.2 负摩阻力及系数、中性点计算

为研究不同时刻的下拉荷载与桩长的关系，绘制图13，可见20～30 m试桩下拉荷载随着桩长的增加而增加，30～40 m试桩下拉荷载随着桩长的增加而减小，据此，初步判定中性点位置位于标高-20.000 m(桩长25 m)～-25.000 m(桩长30 m)。

—4/26； —5/21； —5/26； —5/31。

Johannessen等通过研究发现桩侧负摩阻力的大小与桩周土体的竖向有效应力成正比关系，并以此提出了有效应力法[26]。JGJ 94—2018《建筑桩基技术规范》[27]即采用有效应力法来计算桩基负摩阻力值：

qsi=ζiσ′i

(1)

式中：qsi为第i层土桩侧负摩阻力标准值；ξi为桩周第i层土负摩阻力系数；σ′i为桩周第i层土平均竖向有效应力。

试验通过设置不同桩长试桩，采用悬吊法测定桩侧的平均负摩阻力，推求不同地层的负摩阻力及中性点位置。根据场地地层条件试桩深度范围内可分为填土和软弱土层(粉质黏土、淤泥质粉质黏土)，分析步骤如下：

1)计算20，25 m试桩填土层和软弱土层的平均竖向有效应力，以填土层和软弱土层的负摩阻力系数ξ1、ξ2为变量，建立20，25 m试桩填土层和软弱土层的桩侧负摩阻力标准值表达式：

(2)

2)选择计算时刻，根据实测20，25 m试桩的下拉荷载Qg(20)和Qg(25)，联立方程组(式(3))，求解ξ1、ξ2：

(3)

3)假设30 m试桩全长均承受负摩阻力，试算下拉荷载(式(4))，若计算结果大于30 m试桩实测下拉荷载，表明中性点位于标高-20～-25 m(试桩受力如图14)，桩顶实测下拉荷载为中性点以上负摩阻力引起的下拉荷载与中性点以下正摩阻力引起的上抬力之差：

图14 试桩受力示意

11.38σ′1ζ1+18.42σ′2(30)ζ2=Qg(30)/(πd)

(4)

4)根据试桩与地层的相对位置，40 m试桩桩端位于②3a，靠近桩端的正摩阻力较小，因此通过30，35 m试桩下拉荷载差值，估算正摩阻力q(式(5))：

(35-30)qπd=Qg(30)-Qg(35)

(5)

5)假设中性点与填土层层底的距离为H，根据30 m试桩实测下拉荷载(式(6))求得H，即确定中性点位置。

(18.42-H)q=Qg(30)/(πd)

(6)

根据上述计算方法，求解不同时刻的负摩阻力系数、中性点位置及填土层、软弱土层的负摩阻力均值，如表4所示。

表4 负摩阻力及系数、中性点

1)随着时间增长，负摩阻力系数逐渐增大，表明负摩阻力在逐渐发挥，且上部土层(填土)比下部土层(软土)增长较快，因土体沉降由下而上逐渐累计，但远小于正摩阻力极限值。

2)随着时间增长，中性点深度逐渐增大，约在标高-24～-25 m。

3)地表沉降速率较小，且较快减小至0.2 mm/d以下，负摩阻力几乎不再增长，下拉荷载小于极限状态。

5.3 负摩阻力综合安全系数法

根据JGJ 94—2008，按较为不利的端承桩验算桩基承载力，单桩承载力特征值R1应满足式(7)的要求：

(7)

式中：Quk为单桩竖向极限承载力标准值，可由静载试验确定；K1为安全系数，取值2。

此外，桩身强度考虑下拉荷载，单桩承载力特征值R2应满足式(8)的要求：

(8)

式中：R为桩身轴心受压承载力设计值。

负摩阻力综合安全系数法即单桩承载力特征值不小于单桩竖向极限承载力标准值除以综合安全系数。单桩承载力特征值R3应满足式(9)的要求：

(9)

式中：K2为综合安全系数，对该项目取值2.2～2.5。

此外，对桩身强度进行同比验算，单桩承载力特征值R4应满足式(10)的要求：

(10)

舟山某石化基地二期工程根据负摩阻力综合安全系数法确定单桩承载力特征值建议值。根据下拉荷载试验，负摩阻力系数填土取0.025，软土取0.006，桩顶标高和中性点深度分别按+4.8，-25.0 m考虑，根据不同桩径的管桩估算其承担的下拉荷载，按JGJ 94—2008验算单桩承载力特征值建议值满足JGJ 94—2008的要求，见表5，表明该项目负摩阻力综合安全系数法取值2.2～2.5可满足工程应用需求。

表5 桩基承载力验算结果

6 结束语

通过现场试验研究了堆载预压卸载后，随着时间变化，不同桩长试桩的下拉荷载与桩土相对位移以及桩土相对位移速率关系的变化规律，结论如下：

1)下拉荷载不仅受桩土相对位移影响，同时与桩土相对位移速率相关，在桩土相对位移速率0.3～0.6 mm/d时，最大下拉荷载约70～80 kN，当桩土相对位移速率降低至0.1～0.2 mm/d时，下拉荷载趋于稳定。

2)随着时间增长，负摩阻力及系数有一定程度增长，但负摩阻力远小于正摩阻力极限值，中性点深度也逐渐增大，至一定深度后趋于稳定(标高-25.000 m)。

3)根据下拉荷载实测数据反演负摩阻力系数及中性点深度，进而估算不同桩径预应力管桩的下拉荷载，验算综合安全系数取值2.2～2.5时，建议单桩承载力特征值满足工程要求。