考虑时间效应填土场基桩负摩阻力试验研究

赖余斌，余国华，鲁 明，王 良，林 峰，王殿龙

（1.广西电网有限责任公司电网建设分公司，广西南宁530000；2.中国能源建设集团广西电力设计研究院有限公司，广西南宁530000；3.中国地质大学＜武汉〉工程学院，湖北武汉430074）

1 概述

在我国工业化和城镇化的建设过程中环境问题日益凸显，大量基础设施建设选址存在着“不节能、不环保”的问题，这与现行理念和生态不符合；随着环保理念的大力提倡，越来越多的基础设施的选址偏向于一些地质地貌情况较为复杂的弃土场、新近填土场等地区，从而使得基础设施建设过程中土建专业面临的挑战也越来越多。新近填土是欠固结土的一种，其在堆载、地下水等内外界因素影响下常常会产生大于基桩沉降，因此基桩侧壁产生负摩阻力。负摩阻力会对桩身产生下拉力，可能会引起桩身破坏、桩端土屈服、建构筑物不均匀沉降等问题。因此，考虑新近填土场地桩侧负摩阻力对基桩的影响是基桩设计必不可少的环节。

近年来，国内外已经系统地开展了关于基桩负摩阻力模型的试验研究，并取得一定的成果[1]：Little[2]利用模型试验研究了超载作用下的负摩阻力，并根据试验结果估算了有效应力系数和总应力系数；Ergun[3]利用模型试验研究桩间距的对负摩阻力群桩效应的影响；谢耀峰[4]等基于港口码头桩基工程进行但桩负摩阻力模型试验研究和排架模型桩上的负摩阻力试验研究；吴一伟[5]等利用室内模型试验对砂土液化后固结沉陷引起的基桩负摩阻力进行研究，得到基桩负摩阻力与地面沉降之间的关系。这些研究严谨地分析了基桩负摩阻力的特性，探究其作用机理，对基桩负摩阻力的理解和预测做出了很大的贡献。工程实践过程中可以发现，新近填土场地会引起较大的基桩负摩阻力，且随不同的地质条件和工程需求会设置不同的填土层厚度，然而国内外关于这一方面的研究较少，远不够完善。

综合上述几个方面的原因，本文开展了新近填土场地条件下基桩负摩阻力试验，将填土层厚度设为对照组，设置填土层厚度/桩长分别为1、0.8、0.6三个对照组，对不同填土层厚度情况下的新近填土场地基桩负摩阻力进行研究，通过试验研究了桩顶加载与桩顶承台沉降及桩端阻力之间的关系，桩身轴力、桩侧负摩阻力随桩深方向分布情况，以及桩周土体分层沉降随固结时间的变化情况。研究结果表明，基桩轴力及负摩阻力都存在显著的时间效应，随填土层厚度的增加，基桩负摩阻力逐步增大。

2 模型试验装置及试验过程

本文采用中国地质大学（武汉）研制的基桩桩土响应模型试验机进行模型试验，该装置可对基桩及桩周土进行加载，并可对载荷作用下的基桩受力及位移进行监测；模型试验装置如图1所示。试验时箱壁涂一层润滑油，并覆盖塑料薄膜以减少试验土与箱壁摩擦所造成的影响，降低边界效应。

模型桩采用长L为820mm，外径为50mm，壁厚为3mm的封口有机玻璃管，基桩弹性模量E沿经测试为2.21×103MPa。为确保试验准确性，将模型桩切半合，并在其内表面均匀布置应变片，将应变片导线从其侧壁穿孔引出，再将其粘在一起；接着在桩外侧粘细砂以增加桩侧粗糙度，实际桩径为52mm。

图1 模型试验装置示意图

试验用模型箱填土取自武汉市江夏区某建筑工程填土，经土工试验测试其为粉质粘土，各项土体参数见表1。为模拟新近填土与原状土层，确保上下土层有密实度及力学性能的差异，将填土分为2层，下层填土用夯锤夯实以模拟原状土层，上层填土采用人工踏实模拟新近填土。依据对照组设定，将填土层厚度分别设置为820mm、670mm、520mm。

表1 土样的主要物理性质指标

在模型试验装置设定后，静置24h后对模型桩进行预压、归零等操作，保证模型桩与加载仪器上下部之间的良好接触，然后参考快速荷载维持法[7]对桩顶进行分级加荷载，为保持相对稳定，每隔半小时加一级荷载；桩顶加载完后，对桩周土进行加载；在加载过程中注意补充千斤顶油压，保证载荷稳定；随桩周新近填土固结沉降，对基桩受力、位移及土层位移进行监测，当各测值趋于稳定时结束试验。

3 模型试验结果及分析

本文按照试验规划对填土层厚度/桩长分别为1、0.8、0.6的3个填土层厚度进行试验，试验中基桩最大加载量为300N。由于试验条件有限，油缸泄压、应变片粘粘、引线方式等一系列问题的干扰，测试结果的偶然误差的较大，轴力测试结果呈现出一定的波动性，但其基本趋势较为清晰，并不影响试验探究结果。

3.1 桩顶载荷与基桩沉降关系

由图2可知不同填土层厚度情况下基桩沉降趋势基本一致，由于桩顶加载量较小，桩体及桩周和桩底土体均处于弹性变形阶段而远未达到破坏阶段，故而Q-s曲线近似呈线性关系；当填土层厚度820mm时，基桩桩顶沉降量为-4.37mm；当填土层厚度为670mm时，基桩最大沉降量为-4.01mm；当填土层厚度为520mm时，相对应基桩最大沉降量为-3.55mm；由此可知，随新近填土厚度的增加，基桩沉降量逐步增大，新近填土层越厚基桩沉降越大；此为随填土层厚度增加，基桩正摩阻力逐步减小导致；此外，由于受桩身自重、单桩桩顶荷载值较小以及试验不可排除的误差等因素的影响，桩顶加载时单桩桩顶沉降量偏小。

图2 桩顶加卸载与桩顶沉降关系曲线

3.2 桩顶荷载与桩端阻力值关系

由图3可知，当填土层厚度520mm时，桩底反力为235.1N，当填土层厚度670mm时，桩底反力为246.5N，当填土层厚度820mm时，对应桩底反力为259.9N；桩端阻力值在桩顶载荷逐步增加过程中，桩端阻力值也在逐渐增大，由于桩顶加载量较小，桩体及桩周和桩底土体均处于弹性变形阶段而远未达到破坏阶段，故而桩顶载荷与桩端阻力曲线近似呈线性关系；随填土层厚度增加，基桩桩底反力也呈现增大趋势，桩端阻力随桩顶载荷呈现线性变化的趋势，这可看出填土层厚度影响弹性阶段基桩沉降曲线的斜率；随桩周新近填土厚度增加，土体提供的正摩阻力逐渐减小，从而导桩底承担的荷载逐步增大。

图3 桩顶加卸载与桩端阻力关系曲线

3.3 桩身轴力、侧摩阻力与深度的变化关系

本文通过对3个试验对照组监测结果，对桩身轴力、桩体深度及时间的关系如图4所示，进行分析可以发现，基桩轴力在不同深度情况下具有相近的变化趋势；在加载之初，桩顶轴力等于桩顶分担的荷载值，即桩顶无摩阻力的影响；随深度增加，桩身轴力沿桩身深度方向先增大后减小，桩体上部轴力增长速率较下部大，基桩负摩阻力呈现出先增大后减小至消失的变化趋势；在新近填土自重固结过程中随时间的增长，基桩轴力的增加速率先快后慢逐步趋于稳定，基桩负摩阻力的增加趋势呈现与之相似的变化趋势，新近填土在固结沉降过程中引起的负摩阻力增大，由负摩阻力引起的下拉力增大，从而基桩轴力增大，中性点位逐步下移，这是由于土层上部桩-土相对位移大于下部，侧摩阻力逐步发挥，上部桩侧负摩阻力值大于下部。通过对3个试验对照组测得在固结沉降120h后，填土层厚度为520mm时，基桩最大轴力为540.19N，中性点位置在0.54m处；填土层厚度为670mm时，基桩最大轴力为590.32N，中性点位置在0.58m处；填土层厚度为820mm时，基桩最大轴力为601.16N，中性点位置对应为0.64m。随新近填土层厚度的增加，基桩轴力逐步增加，负摩阻力也逐步增大，中性点位置逐步下移，基桩中性点位置与新近填土层中的位置的比值逐步减小，即基桩中性点位置在新近填土层中的位置逐渐上移。

4 结论

本部分研究通过开展室内模型试验，探究在填土固结沉降过程中有载荷作用情况下的基桩轴力、侧摩阻力的探究可以发现：

（1）基桩侧负摩阻力的发挥、中性点位置变化等都存在明显的时间效应；随填土固结沉降时间增加，基桩轴力逐步增加，基桩负摩阻力也随之增加，基桩中性点位置逐步下移；

（2）填土层厚度对基桩沉降、桩底反力、轴力、负摩阻力及中性点位置有较大影响，随填土层厚度增加，基桩沉降、桩底反力、轴力、负摩阻力逐渐增加，中性点位置下移，而中性点位置与新近填土层厚度减小，这是由填土厚度增加，桩土相对位移量变大引起。

参考文献：

[1] 黄强.桩基工程若干热点技术问题[M].北京：中国建材工业出版社,1996.

[2] Little J A,Toma T M.The Development of Shaft Adhesion with Onest of Negative Skin Friction for a Fixed Base Model Pile[J].Proceeding Second International Conference on Foundations and Tunnels.Engineering Technics Press,1989：111-117.

[3] Ergun M U.Negative Skin Friction from Surface Settlement Measurements in Model Group Tests[J].Candaian Geotechnical Journal,1995,32：1075-1079.

[4] 谢耀峰,王云球.码头桩基负摩擦力的模型试验研究[J].建筑结构,2004,34(12)：29-30,41.

[5] 吴一伟，费涵昌，林侨兴，等.砂土液化对基桩的影响[J].同济大学学报，1995，23（3）：360-364.

[6]JGJ94-2008建筑桩基技术规范[S].北京：中国建工出版社，2008.