城市桥梁基桩承载性能时间效应试验研究

徐兆邦，周 健，李素华

（1.浙江工业大学 建筑工程学院，杭州 310023；2.同济大学 地下建筑与工程系，上海 230092；3.广东省建设工程质量安全监督检测总站，广州 510075）

1 引 言

由于岩土介质承载性能具有时间相关性即流变特性，软土的流变性质可能会对土工建筑物的安全产生重要影响。最常遇到的问题在软土地区，如珠海市经常出现的桥头“跳车”现象，即随着时间变化路桥连接部分产生了严重的不均匀沉降。由于土的流变特性致使建筑物破坏的例子很多，如1948年荷兰的佛拉格门（Vlaggeman）大桥、齐特兹（Zuiderze）海提及铁路的软土路基均因土体流变而发生破坏。前苏联莱电站岸坡有厚达60 m 的滑动土体，底面斜坡倾角为8°30＇，而常规试验测定的短期最小内摩擦角达14°，后动位移速度每年不超过2 cm，但长期的蠕变变形导致电站建筑面临危险。苏联某码头由于剪应力长期作用，每年以约1 cm 的速度缓慢移动，70～100年时间内最大位移高达50～80 cm，对码头结构产生严重的影响。我国上海市区地面的沉陷问题等都与岩土的流变性质有关。

岩土的流变性质使建筑基桩的承载性能具有时间相关性。桩基础在施工完成后土的蠕变和松弛使桩间土应力逐渐减小，位移逐渐增大。随着基础位移的逐渐增大，会产生不均匀沉降使建筑物发生变形、开裂甚至倾斜、倒塌等。由于引起桩基承载性能时间效应的因素较为复杂，目前能够采取的措施通常是在建筑物竣工后继续进行沉降观测以确定其是否发生不均匀沉降或了解其稳定性。大量的观测结果表明，建筑物的沉降在竣工2～3年后依然没有停止，有的持续到10年或20年，甚至更久都无法稳定，严重的引致建筑物的破坏。

国内外学者将流变学应用于岩土工程的研究取得了较大的进展。对岩土工程流变力学的研究大致有两方面，一是研究在剪切应力下岩土体以长期的位移形变形式出现的剪切蠕变，即剪切；二是研究岩土骨架蠕变所引起的岩土的体积变形亦，压密。关于岩土的蠕变性质，Yin 等[1]从20 世纪80年代开始致力于岩土的流变性质的研究，给出“等效时间”的定义和推导出一维弹黏塑性模型；将一维弹黏塑性模型用于完全耦合的固结分析，并对岩土沉降计算中如何考虑蠕变进行了定性的分析和讨论；推导出三维弹黏塑性模型等方面系统性地做了大量的工作[2-4]。

在建筑基桩的承载性状的时效性研究方面，陆建飞[5]用积分方程、传递矩阵和刚度矩阵方法，求解单桩分层土中固结和流变问题。根据圆形荷载的Biot 固结的基本解，得出了黏性饱和土中群桩和水平受荷单桩的第二类Fredholm 积分方程，并通过Laplace 变换和逆变换进行求解。王祥秋等[6]基于分级增量循环加卸载方法对某高速公路桥台地基粉质黏土进行室内单剪蠕变试验研究，并对粉质黏土的瞬态变形与蠕变变形特性进行分析，由此对路基沉降量计算提出了建议。陈兰云等[7]针对饱和软土中钻孔灌注桩竖向承载力结合现场试验从桩周被扰动土的结构强度逐渐恢复方面，对饱和软土钻孔灌注桩承载力时间效应机制进行了分析。李桂宝等[8]采用静载试验的方法，从荷载传递角度研究饱和软土中的预制桩经过不同休止期后，桩身不同部位的侧摩阻力及桩土相对位移随时间的变化规律，分析了饱和软土中摩擦桩时效性对承载力的影响。黄国强[9]在桥梁拓宽改造工程中对桥梁基础沉降量计算方法进行了研究，利用传统的方法计算出了旧桥的总沉降量及工后沉降结果，结合新建桥的实际情况提出相应处理办法。但在考虑桩土相互作用的时效性方面所做工作中：（1）理论模型较为简化，如均质各向同性弹性体，桩土无相对滑移，不考虑桩土的相互作用，不考虑土的多层性及土的非线性性质等，与真实的情况相差较远，无法真实反映桩土体系的作用机制；（2）理论分析方法较为简单，如以简单的平衡方程或传递函数法作为理论推导的依据，或利用传统的分析方法进行计算分析；（3）所得理论结果缺少试验验证依据，多数仅仅与弹性理论解的计算结果作比较作为验证的依据，由于弹性理论解基于太多的简化假设，本身已经是近似解，其精确性较差，用其作为验证依据具有很大的冒险性。

李素华等[10-12]对复杂地基条件下基桩的承载性能时间和空间效应进行了系统性地分析和探讨，利用剪切流变学模型，考虑桩土相对位移和多层土的复杂性，针对不同桩型（摩擦桩和端承型桩）的受力特点进行了系统地研究，建立了一套复杂地质条件下的桩土体系模型，得到基桩承载性能的时空效应新理论，推导出桩的承载性能时间和空间效应的理论解析解[13]。

由于地基条件的复杂性多样性，岩土理论模型与现场实际状态存在着较大的距离。为进一步探讨和了解建筑基桩真实的荷载和沉降时间效应的机制，获得长期竖向荷载作用下单桩的沉降变化规律及桩土的力学性质随时间的变化趋势，模拟计算合理适用的桩土体系力学参数，为基础设计提供可靠合理的依据，本文通过对某桥梁基础工程桩进行了9 d 的长效静载荷试验，获得单桩承载力的设计参数以及单桩沉降随时间的发展变化规律。将试验成果与文献[13]所述桩的承载性能时间和空间效应的理论解析解进行分析拟合，获得真实的桩土力学参数，得到该根试验桩长效荷载作用下桩顶沉降的时间效应解析解，试验成果揭示了桩顶长效和短效荷载作用下桩土空间效应和时间效应的规律，作为该理论的进一步研究和实践应用完善，为理论研究成果提供可靠的验证依据，可为房屋、市政、道路路桥等工程桩基设计和施工提供重要参考和指导，同时为解决路桥的工后运营期沉降控制提供科学合理的理论依据。

2 工程地质概况

选取某桥梁工程桩作为试验桩。为了使试桩能反映最不利的情况，选取该桥的1#、3#桥墩附近处作为试桩位置，这两处桩位的工程地质土层包括较全的地质土层，有很好的代表性，地质资料见表1。

表1 试桩地质资料Table 1 Geological data for tested piles

3 试 验

3.1 试验目的

对某工程2 根不同桩长的单桩进行了长期的静载荷试验，获得单桩承载力的设计参数以及单桩沉降随时间的发展变化规律。试验内容包括：（1）单桩在可能设计荷载下的沉降量；（2）单桩沉降随时间的发展规律；（3）各级荷载作用下桩周围摩阻力随深度的变化规律；（4）桩身轴力随时间的变化规律。

3.2 试验方案

按照每跨沉降差50 mm 的设计要求，在沉降初步计算的基础上，参考该地区桩基工程的一般经验，将单桩的持力层分别放在层⑤1、⑤2上，如图1 所示。选取1#和2#试验桩，设计桩径均为800 mm，在试桩桩身每3 m 埋设1 组钢筋计。根据试验的要求和试验的方案进行单桩的静载荷试验，试桩设计参数与施工参数（这里仅分析对该次试验的1#桩的试验及结果）见表2。

表2 试桩设计与施工参数Table 2 Parameters of as-built test pile

图1 2 根试桩地层剖面图（单位：m）Fig.1 Stratigraphic profile at two pile location(unit:m)

1#试验桩的试桩总荷载为1 320 kN，分为11 级加载，每级120 kN，实际的试验中堆载量为160 t。堆载平台面积为5 m×6 m。全部荷载加完后，高约3.5 m。在规定的时间间隔读取桩顶沉降量、钢筋应力计，位移与加压系统采用桩基静载荷测试分析系统，自动采集数据，保证测试结果的可靠性。

4 试验成果与分析

为了实现路桥一体化设计，本次试验选取了2根桩进行了长达90 d 的长效荷载试验，本文以1#试验桩为例，对其试验结果进行分析和探讨。

4.1 桩顶荷载与沉降

根据试验得到的数据绘制Q-S、S-lgQ、S-lgt 曲线，判定单桩的极限承载力及可能持荷状态受力下的单桩沉降特性。

确定极限承载力的依据：（1）根据沉降随时间的变化特性确定极限承载力的方法，取S-lgt 曲线尾部出现明显的向下弯曲的前一级荷载值为极限承载力；（2）根据沉降随荷载变化的特性确定极限承载力，在Q-S 曲线上取第二拐点所对应的荷载。1#试桩的测试成果如图2、3 所示。

4.2 桩身轴力分布特性

由图3 可以看出，桩身轴力随深度逐渐减小，在不同的土层中以不同的速率减少。1#试桩在最大加载量1 320 kN作用下桩端反力约占桩顶总荷载的7%左右，可见试桩在桩顶荷载作用下桩端阻力均较小，可以认为是纯摩擦桩。

4.3 桩侧摩阻力分布特征

试桩的桩侧摩阻力随着荷载的增加，在不同的土层也逐渐的增加。1#试桩侧摩阻力在各黏土层中的分布比较均匀，粉土层中的桩侧摩阻力略大于黏土层的桩侧摩阻力。1#试桩侧摩阻力主要集中在-5～-15 m 的范围内，各级荷载作用下侧摩阻力逐级递增，且增长速率基本相同。由图4 可以看出，1#试桩的侧摩阻力分布趋势基本上呈两端小、中间大的抛物线分布趋势。

5 基桩承载性能时空效应理论

假设桩为一维线弹性直杆，桩侧阻力沿桩轴线成线性分布，桩土之间存在相对滑移，并满足下列条件：（1）地基为N 层的分层介质，其流变性质满足广义黏弹性模型；（2）在桩土接触面建立“极限剪切元”模型，该极限单元内桩土作用的本构关系设置为剪应力与剪应变的关系；（3）桩土相互作用关系（剪应力或摩阻力与桩土相对滑移）满足广义黏弹性模型，桩端土的流变特征设置为黏弹性模型；（4）沿桩轴根据土的分层厚度划分桩单元，结点位移沿轴向线性变化；（5）桩侧各土层满足线性黏弹性变形层模型。

联立桩位移方程、土位移方程、桩土相对滑移关系和桩土广义黏弹性本构关系，假设桩周土为Kelvin 均匀黏弹性介质，得出了桩土承载性能时间和空间效应的解析解。

图2 1#试桩测试曲线（单位：kN）Fig.2 Measured results for test pile #1(unit:kN)

图3 1#桩桩身轴力分布Fig.3 Measured axial force distributions of test pile #1

图4 1#试桩桩侧摩阻力分布Fig.4 Measured shaft resistance distribution of test pile #1

图5 桩顶沉降随时间的变化趋势图Fig.5 Pile top settlement with time

式中：δ0为初始时刻桩顶沉降量，即t=0,δ(t)=δ0，δ∞为桩顶沉降趋于稳定时的沉降量，即t→∞，δ(t)→δ∞，式（1）满足黏弹性介质的蠕变变化规律，其趋势变化图如图5 所示。图中，δ0、δ∞、Bi，b、c为推导过程中产生的中间参数，分别为反映桩土体系力学和几何性能参数的函数。

6 单桩长期沉降测试及理论分析

以沉降控制桥梁桩基设计的最终目的是达到桥坡的沉降和相邻桥墩的沉降的协同，因此对桥梁桩基的长期沉降预测显得尤为重要。基于此，对1#试验桩进行了大于90 d 的荷载试验，如图6 实线所示。

图6 沉降随时间变化曲线理论与试验结果比较Fig.6 Calculated settlements compared with test results

根据桩基承载性能时空效应式（1）在荷载作用下桩身沉降表达式可简化为

假设在t=0时刻，桩顶沉降初始值为0，则式（2）可简化为

利用式（3）对所测工程桩的实测结果各点的沉降和时间的关系值进行优化反分析拟合，可获得桩土体系参数以及桩顶沉降的理论解析式。

图7为本次试验1#试验桩在105 d 荷载试验的实测和计算曲线。实线部分为长效荷载作用下桩顶沉降随时间的变化规律，曲线部分为利用桩基承载性能时空效应式（3），经过正反分析，拟合获得的理论计算曲线。经过优化反分析拟合，获得式（3）中的力学参数，该工程桩的沉降解析式为

式中：沉降的单位为mm；时间单位为d。

将本成果所拟合的曲线方程，对每根桩不同时刻的承载性能随时间的变化规律进行计算，并与实测曲线进行比较，结果十分令人满意。

7 结 语

利用现代测试分析技术，对某桥梁工程工程桩进行了长效荷载试验研究，获得在桩顶荷载作用下基桩承载性能的空间效应机制以及桩的位移和桩土力学参数随时间的变化规律。长效荷载试验结果及工后沉降观测结果均表明，桩在工后竖向荷载作用下沉降随着时间变化而变化，即桩土作用机制和基桩承载性能具有明显的时间相关性即时间效应。

对试验结果进行理论计算分析，获得长期荷载作用下单桩沉降随时间的变化规律（公式）关系。本成果应用于路桥的一体化设计，解决了桥头的跳车问题，还可以用于基桩设计时考虑时间效应，预测位移随时间的变化趋势，为确保基础的工后稳定性提供理论依据。

[1]YIN J H,GRAHAM J.Viscous elastic plastic modelling of one-dimensional time dependent behaviour of clays[J].Canadian Geotechnical Journal,1989,26:199-209.

[2]YIN J H,ZHU J G.Elastic visco-plastic consolidation modelling of soft clay[J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering,1999,21(3): 360-365.

[3]ZHU G F,YIN J H,GRAHAM J.Consolidation modelling of soils under the test embankment at Chek Lap Kok International Airport in Hong Kong using a simplified finite element method[J].Canadian Geotechnical Journal,2001,38(2):349-363.

[4]ZHU G F,YIN J H.Consolidation of soil with vertical and horizontal drainage under ramp load[J].Geotechnique,2001,51(2):361-367.

[5]陆建飞,王建华,沈为平.考虑固结和流变的层状地基中的水平单桩的理论分析[J].岩石力学与工程学报,2001,20(3):286-390.LU Jian-fei,WANG Jian-hua,SHEN Wei-ping.Theoretical study of horizontally loaded single pile in layered soil considering consolidation and rheology of soil[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2001,20(3):286-390.

[6]王祥秋,周治国.地基土蠕变试验与时间效应分析[J].路基工程,2007,25(1):30-32.WANG Qiu-shi,ZHOU Zhi-guo.The creep test of foundation soil and the time effect analysis[J].Subgrade Engineering,2007,25(1):30-32.

[7]陈兰云,陈云敏,张卫民.饱和软土中钻孔灌注桩竖向承载力时效分析[J].岩土力学,2006,27(3):471-474.CHEN Lan-yun,CHEN Yun-min,ZHANG Wei-min.Time-effect on vertical bearing capacity of singledrilled grouting pile in saturated soft soil[J].Rock and Soil Mechanics,2006,27(3):471-474.

[8]李桂宝,张磊.从荷载传递角度分析摩擦桩承载力时效性[J].低温建筑技术,2011,154(4):69-71.LI Gui-bao,ZHANG Lei.From the perspective of load transfer to analyzetime-effect on bearing capacity of friction pile[J].Low Temperature Architecture,2011,154(4):69-71.

[9]黄国强.考虑时间效应下新旧桥基础差异沉降研究[J].公路工程,2012,37(3):119-132.HUANG Guo-qiang.The old and the new bridge foundation differential settlement research[J].Highway Engineering,2012,37(3):119-132.

[10]李素华,周健,杨位洸,等.复杂地基桩基承载性能计算研究[J].岩石力学与工程学报,2003,22(9):1571-1577.LI Su-hua,ZHOU Jian,YANG Wei-guang,et al.Calculation and study on bearing mechanism of pilefoundation in complicated ground[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2003,22(9):1571-1577.

[11]李素华,殷建华,周健,等.端承型基桩桩土作用机理研究探讨[J].岩石力学与工程学报,2004,23(8):996-1000.LI Su-hua,YIN Jian-hua,ZHOU Jian,et al.Study on action mechanism of end bearing piles and its application[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2004,23(8):996-1000.

[12]李素华,周健,殷建华.摩擦型单桩承载性能设计理论研究[J].岩石力学与工程学报,2004,23(15):2604-2608.LI Su-hua,ZHOU Jian,YIN Jian-hua,et al.Study on bearing performance of friction pile foundation in complicated soil-layers[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2004,23(15):2604-2608.

[13]李素华,周健,殷建华.桩基承载性能时空效应新理论[J].建筑监督检测与造价,2008,1(1):28-34.LI Su-hua,ZHOU Jian,YIN Jian-hua.New theory on the spatiotemporal effect of pile’s bearing performance[J].Supervision Test and Cost of Construction,2008,1(1):28-34.