现浇X形桩桩-土荷载传递规律现场试验研究

丁选明，孔纲强,，刘汉龙，吕亚茹

（1.岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室，南京 210098；2.河海大学 岩土工程科学研究所，南京 210098；3. Department of Civil Engineering, The University of Akron, Akron, Ohio 44325-3905, USA）

1 引 言

由于施工效率高、工后总沉降和差异沉降小、处理费用低等综合优势，刚性桩复合地基被广泛地应用于沿海、沿江高速公路、高速铁路、岸堤及工业厂区软土地基处理工程中[1－3]。现浇X形混凝土桩（简称X形桩）技术就是一种通过改变桩基横截面形式来提高单位体积材料桩侧摩阻力的新型地基加固技术（专利号：ZL200710020306.3）[4]。与传统灌注桩技术相比，X形桩由于其具有较大的单位体积材料比表面积，在具体特定方向上提高抗弯能力，充分发挥桩身材料的潜力，因而可以在不增加工程量的前提下大幅提高单桩承载力，从而提高性能价格比[5]。

近年来，国内外学者针对各种横截面异形桩进行了研究并取得了一定的成果：法国Soletach公司首先提出barrette（壁板桩）处治方法，其横截面一般为矩形，有时为了更好地承受外部荷载或与地基上部柱的排列相协调，十字形、T形、Y形、L形、I形和H形等截面形式也被采纳[6－7]。林天健[8]对现代异形桩及其力学特点进行了总结和理论评述，指出了近几十年的研究现状。雷国辉等[9－10]针对壁板桩分析了群桩布置形式、长宽比、桩径比、桩与桩之间的相对宽度、桩土刚度比以及泊松比等因素对其群桩-土-承台相互共同作用的影响。杨敏等[11]针对几种异形截面桩进行了技术特性和承载力特性比较分析，并指出异形桩在理论上可行，其设计及检测等方法有待进一步研究完善。徐立新等[12]介绍了申苏浙皖高速公路工程中Y形桩试验段的现场观测成果，并对路堤荷载作用下Y形桩的工程应用情况进行了简单介绍。陈永辉等[13－14]结合申嘉湖高速公路嘉兴段Y形桩处理桥头软基工程，进行了Y形桩单桩、复合地基单桩以及等混凝土用量圆形桩等现场试验，续而研究了Y形桩截面几何特性，并建立了考虑充盈折减系数和反拱弱化折减系数的Y形桩极限侧摩阻力计算方法，单桩及路堤荷载作用下复合地基沉降计算方法。陈育民等[15]对现浇X形混凝土桩的施工工艺、截面形式以及工程应用情况进行了简单概况。雍君等[16]针对现浇X形混凝土桩的单桩竖向抗拔受力特性，进行了大型模型槽试验研究，并与等量混凝土圆形桩进行了对比试验分析。但尚未针对 X形桩在复合地基形式工程应用中桩-土荷载传递规律开展研究。

因此，本文结合某污水处理厂软基处理工程，开展 X形桩复合地基中桩-土荷载传递规律的现场试验，测得荷载-沉降关系，桩-土荷载分担比、桩-土应力比，以及桩身轴力等发展情况，分析不同工况下复合地基中桩-土协调相互作用和中性点位置规律；并进行等混凝土用量圆形桩和X形桩的单桩静载荷试验作为对比分析。

2 工程概况及现场土性参数

拟建某污水处理厂场地位于南京市浦泗路南侧，拟建苏宁威尼斯水城的北侧，地面吴淞高程约7.5 m左右，场地地貌单元为长江漫滩。场地地下水属潜水，地下水稳定水位埋深在地面下 1.89～2.11 m（即吴淞高程为5.25～5.99 m），含水层主要为填土层及新近沉积土层，其富水性、透水性各不相同，变幅为0.5～1.0 m。场地无可液化土层分布及岩溶、土洞等不良地质作用存在。

污水处理厂厂区按使用功能分为泵房、反应池、沉淀池等各不同区域；根据不同功能区域对地基承载力要求的不同，设计地基处理方案如下：（1）改良 AAO反应池、二沉池和高效混凝土沉淀池按桩基础设计，采用C25钢筋混凝土X形桩，钢筋笼主筋采用4φ12 mm，箍筋采用φ6.5 mm@300 mm，其中保护层厚度不小于250 mm，钢筋混凝土X形桩锚入构建物底边。（2）曝气生物滤池和污泥回流泵房按复合地基设计，采用现浇CFG混合料X形桩，其中，曝气生物滤池设置桩长为10 m、桩间距1.9 m的正方形布置X形桩，污泥回流泵房设置桩长11 m、桩间距1.8 m的正方形布置X形桩。

现场地面平整、土层分布均匀，具体土性参数如表1所示；现场土体CPT测试比贯入阻力如图1所示。

表1 现场试验场地土性参数表Table 1 Soil parameters in field test site

图1 现场试验场地土性CPT测试结果Fig.1 Results of CPT test for field test site

3 试验工况及模型桩概况

结合实际工程需要，本文针对现浇X形混凝土工程桩，进行考虑不同桩长、桩间距以及布置形式等工况下，现场复合地基中桩-土荷载传递规律试验，测得荷载-位移曲线、桩-土荷载分担、桩-土应力比以及桩身轴力分布，并分析桩-土相互作用及中性点位置等刚性桩复合地基受力分布规律。为了对比研究，进行了等混凝土用量圆形桩和X形桩的现场静载荷试验。具体现场试验工况如表2所示。X形桩现场施工完成后的实物与X形桩横截面示意图如2所示。结合污水处理厂软基处理实际需要，本工程项目X形桩具体设计参数如表3所示。在各工况桩顶和桩周土表层布置土压力盒分别测试桩顶应力和土体应力；在工况1中X形桩钢筋笼上布置8组钢筋应力计，测定不同荷载等级下桩身轴力分布规律以及桩侧摩阻力分布情况。

表2 现场试验工况Table 2 Conditions of field test

图2 现浇X形桩桩头实物与示意图Fig.2 Physical and schematic diagrams of the XCC pile head

表3 现浇X形桩设计参数列表Table 3 Design parameters of XCC pile

4 现场试验结果及分析

4.1 荷载-沉降关系

由图3(a)可知，X形桩单桩荷载-沉降关系规律与圆形桩类似；X形桩与圆形桩的单桩极限承载力分别为860 kN和720 kN，X形桩单桩极限承载力较圆形桩提高了19.4 %左右。由图3(b)可知，不同工况下，X形桩单桩复合地基荷载-沉降关系规律相类似，均为缓变型；限于桩体尚未加载到破坏阶段，且承载力已经达到设计要求，根据规范规定取最大加载值作为极限承载力值；X形桩（S=2.00 m，L=7.5 m）与（S=2.30 m，L=10.5 m）的单桩复合地基极限承载力分别为151 kPa和101 kPa；由此可见，减少桩间距比增加桩长，对提高复合地基承载力更有效。

图3 荷载-沉降关系曲线Fig.3 Relationship curves of load-settlement

4.2 桩-土荷载分担比

由图4可知，不同布置形式（正方形或梅花形）下的 X形桩桩-土荷载分担比与竖向荷载关系变化规律相类似；均随着竖向荷载的增加桩体分担的荷载逐渐增加，土体分担的荷载逐渐减少；但由于受桩间距、桩长等因素影响，复合地基中桩体所分担的荷载增长速率，以及桩-土协调作用后桩体最终达到稳定时所分担的荷载比值各不相同。随着桩间距的减小或者桩长的增长，复合地基中桩体的荷载分担比值会有所增加。

图4 X形桩桩-土荷载分担比与荷载关系曲线图Fig.4 Curves of XCC pile-soil load sharing ratio versus vertical load on different group arrangements

4.3 桩-土应力比

由图5可知，不同工况下，X形桩桩-土应力比均随着竖向荷载等级的增加而增大；这与普通圆形桩桩-土应力比和竖向荷载等级关系相类似，具体可参照文献[3]等结果。随着桩间距、桩长等因素的变化，桩-土应力比随竖向荷载等级增长的速率各不相同。同桩长情况，桩-土应力比随竖向荷载等级增长速率随着桩间距的增加而减小；桩-土应力比随竖向荷载等级增长速率变化受桩长变化情况影响显著。

图5 X形桩桩-土应力比与竖向荷载关系曲线图Fig.5 Curves of XCC pile-soil stress ratio versus vertical load under different conditions

4.4 桩身轴力分布规律

以正方形布置情况下，桩长为 7.5 m、桩间距为2.0 m的X形桩（工况1）的桩身轴力分布情况为例。由图6可知，随着竖向荷载等级的增加，桩身轴力（Ff）也逐渐增大；X形桩桩身轴力沿桩深方向先增大后减小，并在桩体-1.3 m深度处（即在0.2倍桩长处）达到最大值。桩身轴力分布规律与文献[2－3]等圆形桩基复合地基，文献[12]等 Y 形桩复合地基中桩身轴力分布规律相类似。

图6 不同竖向荷载作用下桩身轴力分布图Fig.6 Distributions of axial force of pile shaft along pile depth under different vertical loads

4.5 桩侧摩阻力分布规律

同样以工况1的桩侧摩阻力分布情况为例。由图 7可知，X形桩桩侧摩阻力（fs）分布规律与文献[2－3]等复合地基中圆形桩的分布规律类似；在桩体-1.5 m深度（即在0.2倍桩长处）以上桩侧受负摩阻力作用，并在-0.9 m深度处达到最大值；在桩体-1.5 m深度以下桩侧受正摩阻力作用，并在-1.7 m深度处达到最大值。桩侧摩阻力随着竖向荷载等级的增加而增大，正摩阻力最大值约为同等级负摩阻力最大值的140 %。在桩深-4.0 m以下，同等级荷载下，桩侧摩阻力值趋于一致，数值变化相对较小。

图7 不同竖向荷载作用下桩侧摩阻力分布图Fig.7 Distributions of friction of pile shaft along pile depth under different vertical loads

5 结 论

（1）本文试验条件下，复合地基中现浇X形混凝土桩桩侧正、负摩阻力转化发生在0.2倍桩长处，中性面上下出现桩侧摩阻力最大值，且正摩阻力最大值约为其负摩阻力最大值的140 %。

（2）同等条件下，桩-土应力比随竖向荷载等级增长速率随着桩间距的增加而减小；不同桩长、桩间距以及群桩布置形式下，现浇X形混凝土桩复合地基中桩-土荷载分担比、桩-土应力比以及桩身轴力分布规律相类似。

[1] HAN J, GAB M A. Numerical analysis of geosyntheticreinforced and pile-supported earth platforms over soft soil[J]. J. Geotech. Geoenviron. Eng., ASCE, 2002,128(1): 44－53.

[2] POULOS H G. Design charts for piles supporting embankments on soft clay[J]. J. Geotech. Geoenviron.Eng., ASCE, 2007, 133(5): 493－501.

[3] ABUSHARAR S W, ZHENG J J, CHEN B G, et al. A simplified method for analysis of a piled embankment reinforced with geosynthetics[J]. Geotextiles and Geomembranes, 2009, 27: 39－52.

[4] 刘汉龙. 现浇 X形混凝土桩施工工法: 中国,ZL200710020306.3[P]. 2007-08-22.

[5] 刘汉龙, 刘芝平, 王新泉. 现浇X型混凝土桩截面几何特性研究[J]. 中国铁道科学, 2009, 30(1): 17－23.LIU Han-long, LIU Zhi-ping, WANG Xin-quan. Analysis on section geometry character of X style vibro-pile[J].China Railway Science, 2009, 30(1): 17－23.

[6] RAMASWAMY S D, PERTUSIER E M. Construction of barrettes for high-rise foundations[J]. J. Constr. Engng.,ASCE, 1986, 112(4): 455－462.

[7] DAVIDSON R R. Foundation innovations cut costs[J].Civil Engineering, ASCE, 1987, 57(12): 54－56.

[8] 林天健. 现代异形桩及其力学特点的理论评述[J]. 力学与实践, 1998, 20(6): 7－11.LIN Tian-jian. Theoretical discussion on modern special form piles and their mechanical characteristics[J].Mechanics and Engineering, 1998, 20(6): 7－11.

[9] LEI G H. Behaviour of excavated rectangular piles(barrettes) in granitic saproletes[D]. Hong Kong: The Hong Kong University of Science and Technology, 2001.

[10] 雷国辉, 洪鑫, 施建勇. 壁板桩的研究现状回顾[J]. 土木工程学报, 2005, 38(4): 103－110.LEI Guo-hui, HONG Xin, SHI Jian-yong. State of the art review on barrettes[J]. China Civil Engineering Journal,2005, 38(4): 103－110.

[11] 杨敏, 曹方成, 张齐兴. 介绍几种异形截面桩[J]. 水利水电科技进展, 2003, 23(1): 58－60.YANG min, CAO Fang-cheng, ZHANG Qi-xin.Introduction to some kinds of abnormal section piles[J].Advances in Science and Technology of Water Resources, 2003, 23(1): 58－60.

[12] 徐立新, 杨少华, 段冰. 高速公路Y形桩软基处理试验研究[J]. 岩土工程学报, 2007, 29(1): 120－124.XU Li-xin, YANG Shao-hua, DUAN Bing. Field tests on Y-shaped vibro piles to improve soft clay ground under the expressways[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2007, 29(1): 120－124.

[13] 陈永辉, 王新泉, 刘汉龙. 公路软土地基处理中Y型沉管灌注桩异形特性研究[J]. 中国公路学报, 2008, 21(5):9－25.CHEN Yong-hui, WANG Xin-quan, LIU Han-long.Research on abnormity characteristic of Y-shaped tube-sinking cast-in-situ pile in highway soft ground[J].China Journal of Highway and Transport, 2008, 21(5):9－25.

[14] CHEN Y H, WANG X Q, LIU H L. In-situ study on stress distribution of foundation improved by Y-section pile[J].International Symposium on Ground Improvement Technologies and Case Histories, 2009, 319－330.

[15] CHEN Y M, LIU H L, KONG G Q. Development and application of X-section cast-in-situ concrete pile[C]//Proceedings of the Fourth Japan-China Geotechnical Symposium. Japan: [s. n.], 2010: 389－392.

[16] 雍君, 陆晓敏, 刘汉龙. X形混凝土桩抗拔特性试验研究[J]. 岩土力学, 2010, 31(11): 3430－3434.YONG Jun, LU Xiao-min, LIU Han-long. Model test study on anti-pulling property of X-section concrete pile[J]. Rock and Soil Mechanics, 2010, 31(11): 3430－3434.