大面积填海造地工程桩基性状研究

张 静 ,周 青 春,林 昇 昇

(1.湖北工业大学 土木建筑与环境学院，湖北 武汉 430068; 2.中国科学院 武汉岩土力学研究所岩土力学国家重点实验室,湖北 武汉 430071; 3.中广核工程公司，广东 深圳 518124)

1 研究背景

填海造地是沿海机场、港口、码头和电站建设的重要基础工程。填海工程一般采用先挖后填的方式，即先将海床的软弱层挖去，或通过挤淤的方式移除，然后采用吹填等措施回填，经过预压排水等地基处理手段，将填方固结，满足工程对承载力和沉降的要求[1-4]。如果填方附近存在大规模的挖方工程，其土石料将是一种理想的填海造地材料。

地基处理是大规模填海造地首先要面对的难题。大面积填海造地工程具有填海面积大、填方厚度高、海底基床地质复杂等特点。对于该类填海工程，将面临两个问题：一是填方不能完全固结，导致过大的工后沉降[5]；二是海床软弱层厚度大，清理后仍存在一定厚度的可变形海相沉积层，超厚回填层的荷载可能造成该层的再固结，进一步加大工后沉降。第一个问题在工程界得到充分认识，也有较成熟的处理手段[6]，对于后者，由于海相沉积层的工程地质特性，其固结持续时间长，处理难度大[7-8]。由此可见，对于面积大、回填厚度高的填海工程，常规的处理手段无法满足对沉降敏感的建筑物要求，于是桩基这类深基础得到广泛应用。

桩基础虽然可以解决建筑物的沉降问题，但无法从根本上解除下卧层的变形进而导致回填土层的沉降[9-10]。下卧层的变形对桩的承载性状影响，目前研究资料不多，更多研究侧重于回填层的自身变形对桩基性状的影响[11-14]：如回填土的压缩变形使单纯抗压桩不得不承受水平荷载，桩侧土的沉降使得桩土之间在一定深度内产生负摩阻力，使桩身额外承受附加荷载等。而对于大面积填海造地工程，在回填层的处理已经满足强度和变形要求的情况下，对下卧层的变形对桩基性状的影响没有引起足够的重视。因此基于大面积填海造地工程的沉降特点，研究桩基工作性状，对于指导桩基设计，确保建筑物的安全有非常重要的意义。

本文通过一个填海工程现场桩基试验，对桩基瞬间承载性状进行研究，然后考虑填海工程的长期变形特点，通过数值模拟分析不同回填层变形条件下桩基的承载性状。

2 场地地质概况

试验场地位于福建省福鼎市秦屿镇备湾山西侧山脚下，原始地貌单元为滨海和浅海淤泥沉积区。该处场地通过爆破挤淤抛石回填的方式形成。回填分两层：第一层高程为+5 m，采用6 000 kN·m夯能强夯处理，第二层为+9.5 m，采用2 000 kN·m夯能强夯处理。平板载荷试验显示，处理后的地基承载力标准值大于200 kPa，变形模量大于100 MPa。

回填后的场地岩土层从上到下分别为人工填土层(Qml)、海相沉积层(Qm)、第四系残积层(Qel)，下伏基岩为晚侏罗系南园组(J3n)火山碎屑岩。各地层岩土性质如下：

(1)人工填土层(Qml)。

素填土①：褐色、褐红色，主要成分为粉质黏土，含少量填石，松散状态。

填石②：杂色，主要为中、微风化熔结凝灰岩、花岗岩及流纹岩等开山碎石组成，块径3～30 cm不等，局部地段含有大块填石。填石空隙中稍有粉质黏土充填，稍密-中密。

(2)海相沉积层(Qm)。

淤泥③：深灰、灰黑色，有腥臭味，含少量的贝壳碎片，不均匀含少量砂砾，砂砾级配不良，呈饱和，流塑状态，部分层厚较薄处淤泥呈软-可塑状。

粉砂混淤泥④：灰色、青灰色，主要由石英组成，不均匀含淤泥质土，局部夹淤泥质土薄层，含少量贝壳碎片，呈饱和，稍密-中密状态。

粗砂⑤：灰色为主，矿物成分主要为石英，含有大量贝壳碎片，夹少量淤泥质土，级配不良，呈饱和，松散-稍密状态。

淤泥混砂⑥：深灰、灰黑色，含少量的贝壳碎片，有腥臭味，所含砂级配不良，呈饱和，流塑-软塑状态。

(3)第四系残积层(Qel)。

粉质黏土⑦：灰黄、褐黄色，由凝灰岩风化残积而成，组织结构已全部破坏，已风化成土状，呈硬塑状态。

(4)晚侏罗系南园组(J3n)火山碎屑岩。

强风化凝灰岩⑧：灰黄、灰褐色。结构大部分破坏，矿物成分已显著变化，风化裂隙很发育，岩体破碎，局部含中风化的碎块。

中风化凝灰岩⑨：灰褐、青灰色。结构部分破坏，沿节理面风化为次生矿物，风化裂隙发育，岩体成块状。

微风化凝灰岩⑩：青灰、深灰色。岩石结构基本未变，仅节理面有铁锰质浸染，裂隙一般发育，岩体成块状，岩质坚硬。

3 桩基静载试验

3.1 试桩概况

试桩工艺为冲孔灌注桩，桩基穿过回填层进入中风化凝灰岩2 m。由于试桩兼作工程桩使用，试验最大荷载不超过极限承载力即12 000 kN。试桩基本参数见表1。

表1 桩基本参数

为测试桩身侧摩阻力和端阻力，在桩侧土层的分界面布置钢弦式传感器。传感器布置在桩身钢筋笼的主筋上，每个分界面对称布置4个传感器，同时在桩顶附近布置一组传感器，另外在距桩底1 000 mm处布置一组传感器，以测试桩端阻力。3号试桩传感器布置情况见图1。

图1 传感器布置(单位:cm)

3.2 试验结果

试验Q-S(荷载-位移)曲线见图2。根据桩基设计参数表1，试验桩桩端进入中风化凝灰岩2 m，桩基承载性状为端承桩。由图2可见，3根试桩Q-S曲线均呈现缓变形特性，即桩顶的沉降随荷载的增加而缓慢的增加，具有端承桩典型Q-S曲线特征。在整个加载历程中，沉降没有明显的加速迹象，说明整个桩土系统处于弹塑性状态。由于试验最大加载为12 000 kN，根据Q-S曲线的特征，试验桩的极限承载力不小于12 000 kN。

安装在桩基主筋上的传感器测试钢筋的应变。根据钢筋与混凝土变形协调原则，钢筋计的应变即为桩身应变，因此根据桩身应变及桩身钢筋混凝土弹性模量可以计算桩基的轴向力。本文以3号试桩为例，研究各级荷载作用下桩身轴力分布。

图2 试桩Q-S曲线

桩身轴力沿深度的分布反映了桩侧土体对桩的作用效果，单位深度桩土间侧摩阻力越大，轴力变化梯度越大。图3表明，不同加载等级的轴力梯度会发生变化。当桩顶荷载小于9 600 kN 时，回填层轴力梯度最大，其它土层较小；随着桩顶荷载的增加，强风化层轴力梯度逐渐加大，而海相沉积层的轴力梯度变化缓慢。当桩顶荷载达到6 000 kN时，填石层、海相沉积层、强风化凝灰岩和中风化凝灰岩侧摩阻力为分别为4 895，472，542 kN和78 kN；最大加载量12 000 kN时，填石层、海相沉积层、强风化凝灰岩和中风化凝灰岩侧摩阻力为分别为6 473，680，3 460 kN和1 143 kN，分别占桩顶荷载的53.9%、5.7%、28.8%和9.5%，桩端阻力为245 kN。桩侧的填石层、海相沉积层和强风化凝灰岩摩阻力承担了荷载的88.5%，说明桩的承载性质为摩擦桩。

图3 3号试桩桩身轴力分布

图4为根据图3得到的不同荷载下各土层桩身侧摩阻力平均值的分布图，该图反映了桩侧摩阻力的发展过程。图4中，各土层摩阻力随桩顶荷载增加响应规律不尽相同：填石层的摩阻力在桩顶荷载为3 600 kN前增长较快，3 600～8 400 kN后摩阻力增量出现稳定增长，8 400 ～12 000 kN时,摩阻力在160 kPa徘徊，近乎进入软化状态；海相沉积层的变化规律与填石层相似，当桩顶达到最大荷载时，淤泥层、粉砂混淤泥层、淤泥砂层摩阻力分别为17,34 kPa和22 kPa；强风化凝灰岩的桩侧摩阻力的变化与其上面的土层不同，桩顶荷载在8 400 kN前，侧摩阻力的增加幅度随荷载增加而稳步增大，荷载在8 400～12 000 kN时，进入快速增加状态，最终侧摩阻力为132 kPa，明显没有达到软化状态。中风化凝灰岩与强风化凝灰岩的桩侧摩阻力的变化规律类似，最终侧摩阻力为175 kPa，亦未进入软化状态。

图4 3号试桩桩侧摩阻力分布

图5为桩端承载力与桩顶荷载关系。桩端承载力的发展过程可以分为3个阶段：桩顶荷载为2 400～4 800 kN期间，由于填石层桩侧摩阻力增长较快，荷载主要由该层侧摩阻力承担，桩端承载力几乎可以忽略；4 800～9 600 kN期间，各土层侧摩阻力虽然有所增长，但增长速度不及桩顶荷载增加的速度，因而桩端承载力逐渐增加；9 600～12 000 kN期间,桩端承载力随桩顶荷载明显增加，说明部分土层桩侧摩阻力逐步进入软化状态，增加的桩顶荷载渐渐开始由桩端承担。

图5 3号试桩端阻力与桩顶荷载关系

试验桩的承载性状可以结合试验条件及场地地层特征进行分析。由于试验持续时间短(加载时间18 h)，场地变形影响几乎可以忽略；另外场地的填石层厚度大，且经过强夯处理，具有较高的抗剪强度，加上冲孔桩的工艺特征，当填石层与桩基间的相对位移较小时，侧摩阻力就已经很大，因此以填石层作为主要持力层的桩基，在Q-S曲线上表现类似端承桩的特征。

如果仅仅考虑试桩结果，该场地的桩基能够满足上部结构对承载力的要求，而且由于填石层承担了桩顶最大荷载的53.9%，桩端承载力远远未达到极限状态，桩端承载力可以作为桩基承载力的安全储备。实际上，由于场地存在厚度较大(11 m)的海相沉积层，根据附近类似场地监测结果，厚度较大的填石层重力荷载对海相沉积层产生固结作用，整个回填层和海相沉积层将出现一定量的沉降[14]。而本场地18 m厚度的填石层荷载产生的沉降不容忽视，因此有必要考虑桩基在长期使用过程中由于桩周土的沉降导致桩的承载性状发生的变化。

为研究场地沉降对桩基承载性状的影响，采用数值模拟方法，计算桩基在不同沉降条件下的侧摩阻力和端阻力。

4 考虑下卧层变形的桩基性状

4.1 计算模型

由于三维连续介质快速拉格朗日法(FLAC3D)可以考虑桩的中性点上下桩侧摩阻力的特征[11]，本文用其来分析固结沉降作用下桩土性状。通过接触面单元模拟桩土接触关系，FLAC3D中的接触面采用的是无厚度接触面单元，接触面本构模型采用的是库仑剪切模型，图6为接触面的本构模型示意图。对于库仑滑动的接触面单元，存在两种状态:相互接触和相对滑动。根据库仑抗剪强度准则可以得到接触面发生相对滑动所需要的切向力Fs,max为

Fs,max=cifA+tanφif(Fn-uA)

式中，cif为接触面的凝聚力，φif为接触面的摩擦角，u为孔压，Fn为法向力。

当接触面上的切向力小于最大切向力(|Fs|

式中，φ为接触面的膨胀角，|Fs|0为修正前的剪力大小。

图6 接触面单元原理示意

考虑到竖向荷载下单桩结构和荷载的对称性，取1/4模型进行数值分析，分别采用柱形隧道外围渐变放射网格(radcylinder)和柱体网格(cylinder)建立地层模型和桩体模型，并在桩体表面生成接触面单元，然后将桩体模型下移生成模型网格。计算时将岩土分为3个地层，即填石层、淤泥质土层和基岩层。岩土体参数见表2，桩体参数见表3。

表2 岩土体参数

表3 桩体参数

由于桩基加载时间短，而桩周土变形主要是因海相沉积层排水固结产生的，需要经历相对较长时间，因此首先设定桩基施加工作荷载12 000 kN，侧摩阻力和端阻力采用静载试验实测值，计算填石层每沉降10 mm时桩轴向荷载、侧摩阻力。

4.2 计算结果

在长期的固结作用下，桩周上部填石和底部基岩的压缩可忽略不计，而中部淤泥质土的压缩将对桩身的应力分布产生巨大的影响。因此，模拟了桩周中部淤泥质土的固结压缩。根据计算模型和设计工况，计算得到桩周土沉降10～100 mm时的桩土间的摩阻力、桩的轴向力及桩顶位移见图7～9。图中桩顶沉降100 mm对应淤泥质土的固结度为72%。

图7 固结作用下桩侧摩阻力变化曲线

图8 固结作用下桩身轴力变化曲线

图9 计算桩顶沉降量

4.3 桩基长期工作性状分析

桩基长期工作过程中，由于桩顶荷载固定，其工作性状主要受桩周土影响。将桩周土层简化为回填层、淤泥质土层以及基岩层，其中淤泥质土层在回填层的荷载作用下产生固结沉降，是主变形层。回填层的沉降主要来自于自身的压缩变形及淤泥质土层固结带来的刚性变形。由于岩土层物理力学特性相差大，因此分析时将桩周土划分成可变形层(包括回填层、淤泥质土层)及非变形层(基岩层)。可变形层的沉降对桩承载特性的影响是本文的研究重点。

由于桩端嵌入中风化基岩层，可以不考虑桩身刚性位移。根据设定工况，桩基在桩周土变形前即施加荷载，桩与桩周土间产生相对位移，之后桩周土固结沉降，桩与桩周土间同样产生相对位移。因固结沉降导致的桩土相对位移与桩顶荷载施加过程中的桩土相对位移相反，叠加的结果减少了桩顶荷载施加过程中产生的桩土相对位移，桩土界面的摩擦力也将根据相对位移变化大小发生改变。图7为桩基工作过程中，通过FLAC3D计算得到桩周土发生沉降后，不同的沉降量对应的桩身侧摩阻力沿深度分布。图中可以看到，当填石层沉降较小时(10 mm)，-15～-22 m范围的桩土间摩阻力为负，其余为正。其中填石层桩身侧摩阻力基本为正值，但相对于图4荷载为12 000 kN时的侧摩阻力已大为降低，说明填石层的侧摩阻力对沉降很敏感。随着沉降的加大，桩身负摩阻力范围逐渐增大，其特征是：在填石层的“中性点”逐渐上移，当沉降大于30 mm时，整个填石层桩土界面的摩擦力均为负值；在淤泥质土层，其“中性点”随着沉降逐渐下移。当填石层侧摩阻力转为负值后，其负摩阻力随深度增加，而在淤泥质土层，负摩阻力随深度减少，最大负摩阻力发生在软土层和填石层交界处。负摩阻力增长的特征与正摩阻力增长特征类似，即桩周土沉降前期负摩阻力增加较快，以后逐渐降低。基岩层的侧摩阻力在沉降发展过程中逐渐增加，当沉降超过50 mm后增加缓慢，桩土界面基本进入塑性状态。

桩周土的固结沉降对桩的直接影响就是使桩身轴力发生变化。由图3可知，桩顶加载过程中桩身轴力最大值出现在桩顶，但随着桩周土的沉降到达一定的值后，桩身轴力最大值的截面逐渐下移，见图8。轴力发生变化的根本原因就是因为侧摩阻力性质发生了改变。由图3可见，瞬间加载时，由于桩土间的正摩擦阻力逐渐分担了桩顶荷载，桩身轴力由上而下逐渐降低；当桩周土发生固结沉降时，正摩阻力和负摩阻力此消彼长的过程，导致桩身轴力发生改变(图8)。比较图3和图8可以发现：桩身轴力随桩深度的变化情况与桩周土变形大小有关。当沉降较小时(沉降小于10 mm)，在填石层与淤泥质土层交界处，轴力由5 527 kN增加到11 200 kN，而在淤泥质土层与基岩层交界处，轴力由4 848 kN增加到11 000 kN，说明在较小沉降情况下，可变形层桩的侧摩阻力对桩轴力影响较大。当沉降量达到20 mm时，填石层与淤泥质土层交界处的桩身轴力即到达12 800 kN，超过桩顶荷载(12 000 kN)。随着沉降的加大，填石层桩的轴力增加明显，但增加量相对降低。在沉降为100 mm时，可变形层的桩身轴力最大为15 540 kN，为桩顶荷载的125.8%。在不可变形层，由于不存在负摩阻力且摩阻力基本上处于增长阶段，桩身轴力随深度减少的趋势不改。

固结沉降作用下桩顶沉降量随桩周土沉降量变化曲线如图9所示。由变化曲线可见：桩顶沉降随桩周土沉降的增加而增加，当桩周土沉降值100 mm，即淤泥质土层固结度为72%时，桩顶沉降达20 mm。

根据以上分析可知，桩基在长期工作过程中桩身轴力和桩顶位移均存在变化。根据图3，瞬间加载时桩身轴力最大截面在桩顶，随着桩深度增加轴力逐渐减少；当桩周土沉降到一定程度时，除入岩段局部，桩身截面轴力普遍超过桩顶荷载，最大值为桩顶荷载的125.8%，额外增加的荷载影响桩基结构的安全。桩顶的附加位移导致主体结构产生不均匀沉降。由于大面积填海工程的海相沉积层厚度和回填层厚度不均匀，桩顶的附加沉降必然有所差异，因此桩基的附加沉降将导致主体建筑物的不均匀沉降。

5 结 论

本文通过现场试验与数值模拟分析，揭示了大面积填海造地工程中桩基承载性状的瞬时特征及由于下卧海相沉积层的固结所导致的桩基承载性状发生的变化及其对工程的影响。

(1)在不考虑下卧层固结的情况下，桩基表现出很好的承载性能，桩基承载特性呈现摩擦桩的性质；在考虑下卧层固结的情况下，当桩周土沉降到一定程度，桩基性状改变很大，填土层及海相沉积层的桩周摩擦力均变成负值，而且负摩阻力大小与瞬时加载时桩周正摩阻力大小相关，即正摩阻力大的土层，发生沉降后其负摩阻力也大，桩的工作性质转变为端承桩。

(2)由于负摩阻力的产生，桩身轴力发生改变。桩身轴力的改变导致桩身结构安全系数降低。

(3)桩身轴力的改变导致桩顶产生附加位移，桩基的附加沉降将导致主体建筑物的不均匀沉降。

以上研究结果表明：类似填海造陆场地桩基载荷试验结果不能作为桩基设计唯一依据，建议充分考虑场地长期稳定性，并由此合理确定桩基设计参数。