带帽单桩工作特性现场试验分析

郭志广，魏丽敏，何群，付贵海



带帽单桩工作特性现场试验分析

郭志广1，魏丽敏2，何群2，付贵海3

(1. 湖南科技大学 岩土工程稳定控制与健康监测省重点实验室，湖南 湘潭 411201；2. 中南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410075；3. 湖南城市学院 土木工程学院，湖南 益阳 413000)

以杭甬铁路客运专线上虞北站带帽单桩现场静载试验为基础，对比分析置于不同持力层上的带帽单桩的荷载~沉降特性，探讨带帽单桩荷载传递与分担规律及其影响因素。试验结果表明：选择良好的桩端持力层可以显著提高带帽单桩的沉降控制效果；桩帽下土体分担荷载随桩帽荷载的增加而增加，且桩端土层越差，桩帽分担的荷载越多而且地基应力分布差异越大；桩帽的存在，削弱了桩身上部桩侧摩阻力，其影响范围约为5~6倍的桩帽宽度。

带帽单桩；沉降；荷载分担；荷载传递；桩帽下地基应力

铺设无砟轨道的高速铁路具有严格的沉降控制标准[1−2]。随着高速铁路建设在深厚软土地区日益增多，这就直接加速了铁路路基地基处理方式的革新。相继出现了CFG桩复合地基[3]、桩−网复合地基[4]、桩−筏复合地基[5−6]、带帽刚性桩复合地 基[7−8]以及沉降控制复合桩基[9−11]等新型地基处理方式和加固体系。在桩与桩帽(承台或筏板)共同作用的研究中，带帽单桩的静载试验是最直观有效的试验方式，对研究群桩基础、带帽桩复合地基、桩筏复合结构的承载特性和作用机理具有重要的参考价值。楼晓明等[12]对上海地区3根带承台摩擦单桩进行荷载试验，研究了不同承台尺寸和桩长对带帽单桩荷载传递特性的影响。雷金波等[7−8]也分析了带帽刚性桩复合地基的荷载传递、桩土应力比及桩土间相互作用等力学特性，但其侧重于垫层对带帽单桩的影响。李波等[13]基于单桩−桩帽−土的共同作用，提出了层状地基中带帽单桩的等效剪切位移法，并推导了桩和桩帽下土体的荷载传递矩阵。本文以杭甬铁路客运专线上虞北站为工程背景，选取置于不同持力层的2个带帽单桩，结合现场静载试验，通过对多项试验结果的分析，探讨带帽单桩的承载特性、桩土荷载分担和地基加固效果。其成果既可用于带帽单桩复合地基分析，也可进一步研究桩筏复合结构的工作特性。

1 试验概况

1.1 工程概况

杭甬铁路客运专线上虞北站地处苗圃区，地形地貌为滨海相冲积平原。地基采用预应力管桩+C30钢筋混凝土筏板加固。基桩型号为PC-A500(100)，混凝土强度等级为C65，桩径0.5 m，壁厚0.1 m，桩长43~45 m，锤击沉桩。管桩按正方形布置，桩间距为5倍桩径，即2.5 m。共对2个带帽单桩进行静压试验，分别为DK73+925断面和DK73+795断面的2号桩，编号为SPR1和SPR2，桩顶与地面持平。桩帽尺寸均为2.5 m×2.5 m×0.5 m，SPR1桩长为43 m，桩端位于细圆砾土层，SPR2桩长为33 m，桩端位于粉土、粉砂层。SPR1试桩桩身中布设了混凝土应变计。2个试桩穿越的土层情况见图1和图2。

图1 SPR1穿越土层和元件布置情况

图2 SPR2穿越土层情况

1.2 测试内容与目的

1) 桩顶(身)应力和变形测试

SPR1带帽单桩桩身中预先埋设混凝土应变计，每断面沿桩径对称布置2个，共布置15个断面，见图1。浇筑桩帽前，在桩顶与桩帽连接处也对称布置2个混凝土应变计，见图3。量测各级荷载下桩身和桩顶应变，获得桩身轴力和桩顶荷载，进而研究桩身荷载传递特性和桩土荷载分担情况。

2) 地基土变形/应力测试

地基土变形采用单点沉降计量测。以SPR1为例(见图3)，距桩帽中心纵、横距离均为0.6 m对称布置4个单点沉降计，元件编号分别为RSC1-1，RSC2-1，RSC3-1和RSC4-1。SPR2单点沉降计布置与SPR1类似，其元件编号以后缀“−2”作为标识，其他元件编号规则类同。各测点实际埋设深度见表1。

表1 单点沉降计实际埋设深度

地基土竖向应力采用土压力盒量测，以SPR1为例(见图3)，将4个土压力盒(编号分别为SEP1，SEP2，SEP3和SEP4)沿桩帽横向中心线(SR1测线)布置。量测各级荷载桩帽下地基土竖向应力，从而获取桩帽下地基土竖向应力及其分布。SPR2土压力盒布置与SPR1类似。

单位：cm

1.3 试验方法

静载试验依照《建筑基桩检测技术规范》(JGJ106—2003)的有关规定，采用慢速维持荷载法进行加载，反力装置为堆载平台，用RS-JYB桩基静载荷测试分析系统。SPR1和SPR2的最大加载量分别为3 000 kN和2 700 kN，分10级加载，首次加2级。

2 试验结果与分析

2.1 带帽单桩荷载沉降特性

2.1.1 桩帽沉降变形特性

SPR1和SPR2两带帽单桩的桩帽荷载~沉降曲线如图4所示。

从图4可知，SPR1和SPR2带帽单桩的~曲线初始阶段近似沿直线发展，分别至1 200 kN和1 080 kN为止，可分别视为各自的第1拐点(即直线段末尾)，此时SPR1桩对应沉降为2.83 mm，SPR2桩为3.17 mm。之后两者~曲线均呈缓变型，尚未达到第2拐点(即极限荷载点)。SPR1至最大荷载时沉降为11.72 mm，而SPR2桩至最大荷载时沉降为78.13 mm。若以该阶段内位移与荷载增量的比视为弹塑阶段的曲线斜率，则SPR1和SPR2对应的数值分别为5.93×10−6 m/kN和5.55×10−5 m/kN。

图4 带帽单桩P~S曲线

试桩卸载回弹量主要与桩长、桩端持力层、卸载前荷载大小有关，SPR1回弹量实测值为5.33 mm，回弹率为45.48%；SPR2实测值为6.76 mm，回弹率为8.65%。

相同荷载下SPR1与SPR2的沉降之比：当桩帽荷载为540~1 620 kN时，沉降为0.789~0.461；桩帽荷载为1 890~2 430 kN时为0.228~0.124。表明良好的桩端持力层可以显著提高带帽单桩的沉降控制效果。

2.1.2 地基压缩变形特性

单点沉降计顶部法兰盘埋置于桩帽底面，底部锚头置于土层深处，带帽单桩受荷发生竖向沉降，使得桩帽与单点沉降计顶部法兰盘一起下沉，忽略桩帽混凝土的压缩变形量，则单点沉降计测得数据可视为该元件埋深范围内土层的相对变形量，而桩帽上百分表测的数据为桩位处土层的总变形量。

图5和图6分别给出了SPR1和SPR2带帽单桩在分级荷载下单点沉降计实测的不同埋深土层的相对变形量和总变形量。

图5 SPR1桩帽下不同埋深范围内土层变形量

图6 SPR2桩帽下不同埋深范围内土层变形量

从图5和图6可以看出，SPR1和SPR2桩帽下各埋深范围内土层相对变形量随桩帽荷载变化趋势与桩帽沉降变形类似，且当单点沉降计底部锚头埋深很大时，其实测土层相对变形量与该处地基沉降量趋于一致，也就是说这时锚头可视为不动点。SPR1单桩43 m，但由于桩帽顶部施加荷载相对其极限承载力偏小，使得桩端位移也较小；而SPR2单桩33 m，但该处单点最大埋深为44.4 m。故两者均出现最大埋深的单点实测土层相对变形量与桩帽测得的总变形量较接近。

最大荷载时，SPR1桩帽下27.1 m埋深范围内(约上部2个土层厚度)，土层相对变形量为6.75 mm，占地基总变形量的60.98%；而下部17.8 m厚的土层相对变形量总和为4.32 mm，占地基总变形量的39.02%。SPR2桩帽下9.2 m和27.3 m埋深范围内土层相对变形量分别为32.67 mm和58.19 mm，分别为地基总变形量的42.88%和76.38%；而下部15.1 m厚的土层相对变形量为18 mm，占地基总变形量的23.63%。可见上部深厚软土层相对变形量对沉降的贡献较大。

2.2 荷载传递特性

图7和图8分别给出了SPR1中桩体在各级荷载下桩身轴力和桩侧摩阻力随深度变化曲线。

图7 SPR1桩身轴力随深度变化

图8 SPR1桩侧摩阻力随深度变化

由于桩帽下地基土承担部分荷载，故桩顶荷载小于桩帽上施加荷载。从图7可以看出，随着桩帽荷载的增加，桩顶荷载逐渐增大，但桩所承担的荷载比例却逐渐减小，从初加荷载时的79.76%减少到最大试验荷载2 700 kN时的71.17%。

图9为同一断面试桩(编号为SP1)在未设置桩帽时进行静圧试验，获得的桩侧摩阻力随深度变化曲线。为了解桩帽对桩侧摩阻发挥程度的影响，特选取桩顶荷载相当时的SPR1(1 914 kN)和SP1 (1 920 kN)的桩侧摩阻随深度的曲线绘制于图10。由图10可知，在0~14.5 m内桩侧摩阻大幅减少，如6.5 m处，桩侧摩阻由43.7 kPa降低为9.1 kPa。可能原因为：由于桩帽的存在，使得桩身上部一定范围内桩土相对位移减缓，削弱了桩身上部桩侧摩阻力的发挥。

图9 SP1单桩桩侧摩阻力随深度变化(文献[9])

图10 桩帽对桩身摩阻的影响

2.3 桩帽下地基土竖向应力

通过土压力盒可获得桩帽下各级荷载的实测地基竖向应力。图11~14给出了SPR1和SPR2带帽单桩各级荷载下桩帽底地基土竖向应力及其横向分布的实测曲线。

图11 SPR1桩帽下地基应力随荷载变化

图12 SPR1桩帽下地基应力横向分布

图13 SPR2桩帽下地基应力随荷载变化

对比图11和图13可知，总体而言，桩帽下地基土竖向应力随着桩帽荷载增加而增加，且均存在应力增加转折点。当SPR1和SPR2桩帽荷载分别小于1 800 kN和1 620 kN时，两者的地基竖向应力均增加缓慢，此阶段实测均值分别为41.97 kPa和37.32 kPa；之后随着荷载增加，地基竖向应力开始明显增加。至最大荷载，两者实测均值分别为125.17 kPa和139.29 kPa。

图14 SPR2桩帽下地基应力横向分布

对比图12和图14可知，桩帽下地基竖向应力沿测试断面的差异，SPR2比SPR1明显，尤其是桩帽荷载较大时。由于SPR1中单桩较长(43 m)，桩端下持力层较好(细圆砾土)，桩承担较大荷载且桩帽沉降较小，使得桩帽下地基受荷均匀。对于SPR2，桩帽下靠近受荷桩的2个测点地基土竖向应力(简称中间应力)与远离受荷桩的2个测点地基应力(简称端部应力)有显著差异。当桩帽荷载小于1 620 kN时，端部应力均值比中间应力小，差值范围为0.45~3.16 kPa，说明在荷载水平较低时，桩帽下地基应力近似均匀分布。当桩帽荷载为1 620~2 160 kN时，端部应力进一步小于中间应力，差值范围为15.32~38.47 kPa。这主要是因为SPR2桩长相对较短(33 m)，且桩端持力层为粉土、粉砂层，桩帽沉降较大，刚性桩帽下地基应力分布不均，中间应力明显大于端部。

2.4 荷载分担特性分析

桩顶埋设的混凝土应变计测试结果可直接换算得到桩顶应力和桩顶荷载，桩帽下埋设的土压力盒测试结果可直接换算得到地基应力和地基荷载。两者实测荷载值之和即为反算桩帽荷载。经计算对比，各级荷载下反算桩帽荷载比实际桩帽荷载大，且桩帽荷载为1 200~1 800 kN时最大(见图15)。SPR1的相对误差为0.8%~12.1%，SPR2的相对误差较大，为10.5%~28.7%，这与SPR2桩帽下地基应力分布不均有很大关系。

由上述分析可知，桩帽下地基应力分布不均，会给桩土应力比和桩土荷载分担计算带来不便。故以实测桩顶应变为基准，得到桩顶应力和桩顶荷载，而帽下地基应力和地基荷载采用根据桩帽总荷载和桩顶荷载反算得到。

1) 桩土应力比

图16给出了SPR1和SPR2带帽单桩根据实测桩顶混凝土应变值计算而得的桩土应力比。

图15 桩帽荷载反算值与实际值对比

图16 带帽单桩桩土应力比

从图16可知，不同荷载水平下桩土应力比不同，随着荷载水平的提高，桩土应力比大致呈减小趋势。对于SPR1，当荷载为600~1 200 kN时，应力比由121.5迅速减小到96.0。而SPR2，荷载为540~1 080 kN时，应力比由70.6减小到40.5。表明桩帽下土体在加荷初期就承担一定的荷载。当SPR1加载至1 200~1 800 kN时，应力比由96.0缓慢降低到89.7，之后基本保持不变；而当SPR2加载至810~2 430 kN时，应力比由40.5缓慢降低到28.4。表明此阶段桩帽下土体承担荷载的比例有所提高，但提高幅度没有前一阶段大。最大加载量时两者对应的应力比分别为76.2和28.4。且从图还可知，各级荷载下，SPR1的应力比始终大于SPR2，这主要是因为SPR1桩长较长，且桩端下土质较好，桩体承担了较大荷载。

2) 桩土荷载分担

图17给出了SPR1和SPR2带帽单桩根据实测桩顶应力计算的桩土荷载分担比。

图17 带帽桩桩土荷载分担比

从图17可知，SPR1在荷载600~1 200 kN时，桩体承担荷载由79.8%减少到75.7%，SPR2在荷载540~1 620 kN时，桩体承担荷载由69.6%减少到52.0%；之后随着荷载的增加，两带帽单桩桩体荷载分担逐渐减小，且SPR2桩减小的速度大于SPR1，至最大荷载时SPR1和SPR2桩承担荷载比例分别为71.2%和47.9%。

3 结论

1) 选择良好的桩端持力层可以显著提高带帽单桩的沉降控制效果。

2) 桩帽的存在对桩身上部桩侧摩阻力的发挥有削弱作用，其影响范围约为5~6倍的桩帽宽度。在影响范围中部(约6.5 m)，桩侧摩阻由43.7 kPa降低为9.1 kPa。。

3) 桩帽下地基应力分布与桩帽沉降关系较大，桩端土层越差，导致桩帽发生较大沉降，使得帽下地基应力分布不均，较大桩帽荷载下帽下地基中间应力明显大于端部。

4) 桩帽下土体承担荷载的比例随帽上荷载的增加而增加，且桩端土层越差，其帽下地基分担的荷载越多。至最大试验荷载时，SPR1和SPR2桩承担荷载比例分别为71.2%和47.9%。

5) 桩土应力比随着桩帽荷载水平的提高大致呈减小趋势，且桩端持力层越好，桩土应力比越大。至最大试验荷载时，SPR1和SPR2桩土应力比分别为76.2和28.4。

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In-situ experimental study on the field performance of single pile with cap

GUO Zhiguang1, WEI Limin2, HE Qun2, FU Guihai3

(1. Hunan Province Key Laboratory of Geotechnical Engineering Stability Control and Health Monitoring, Hunan University of Science and Technology, Xiangtan 411201, China; 2. School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China; 3. College of Civil Engineering, Hunan City University, Yiyang 413000, China)

This paper presented the results of axial loading tests on two single capped piles located in different bearing strata. The piles were built on Shangyu North Station in the Hangzhou-Ningbo high-speed railway for the reinforcement treatment of deep soft soil. Based on test data, load settlement characteristics and load sharing of single piles with cap located in different bearing strata were compared. The results are as follows: good pile bearing layer can significantly reduce the settlement of pile top and improve settlement control effect; the load sharing ratio of cap-soil contact pressure increases with increasing total load. The more load pile caps share, and the greater difference of foundation stress distribution is, the worse is the bearing layer; the pile cap makes friction resistance of the upper pile shaft about 5~6 times width of the pile cap weak.

single pile with cap; pile settlement; load transfer; the sharing of load; earth stress under pile cap

10.19713/j.cnki.43−1423/u.2018.11.011

TU473

A

1672 − 7029(2018)11 − 2804 − 09

2017−09−05

铁道部科技研究开发计划重点课题资助项目(2009G008-B，2010G018-E-3)；博士启动基金资助项目(E51535)；实验室开发基金资助项目(E217808)

魏丽敏(1965−)，女，河南舞阳人，教授，博士，从事软土地基加固、沉降预测与控制、桩基础工程研究；E−mail：lmwei@mail.csu.edu.cn

(编辑 涂鹏)