根式基础竖向承载性能的现场试验及数值模拟

王中明

(黄淮学院 建筑工程学院， 河南 驻马店 463000)

根式基础作为一种新型的基础形式，最早由殷永高[1]于2007年首先提出并应用于深厚软土地基的基础工程实践中，经过十余年的发展，目前其已在基础工程领域得到了较为广泛的应用，发展成为一种新型的基础形式。但是其承载机理不但与基础本身的特性相关，而且与土层条件密切相关，为此，不同学者针对不同桩体形式及土层条件分别采用现场及模型试验、理论分析及数值模拟等方法对根式基础的承载性能进行了深入研究。

首先在试验研究方面，龚维明等[2,3]采用自平衡法对工程用和试验用两种根式基础的承载性能进行了试验测试，研究了轴力、侧阻力和根键弯矩的分布规律，发现根式基础在提高承载力及降低沉降等方面均大大优于同直径的沉井基础。龚维明等[4,5]以马鞍山长江大桥桥墩基础为工程背景，通过现场试验研究了深厚覆盖土层地区根式基础的承载力，发现根键能充分调动周围土体的强度，最终提高根式基础的竖向承载力。龚维明等[6]通过现场试验研究了沉井侧壁注浆对根式沉井竖向承载性能的影响，发现顶入根键和井侧后注浆均可大幅提高沉井的竖向极限承载力。余 竹等[7]对池州长江公路大桥某桥墩的根式基础开展了静载试验，分别采用自平衡法和堆载法对根式基础的极限承载力和桩身侧摩阻力进行了测定，结果表明根键承担了较大部分的荷载，因此根键的存在能大幅提高基础的承载力。章征等[8]对某长江大桥南锚碇根式沉井基础进行了竖向承载力试验测试，对根式沉井基础及顶入根键前的普通沉井基础的竖向承载力进行了自平衡试验测试，发现根键对提高沉井基础竖向承载力效果显著。龚维明等[9]在淮河特大桥基础和马鞍山长江大桥南锚锭基础分别进行了现场原位沉井基础顶推根键前后的水平静载试验，发现沉井基础在顶推根键后极限承载力分别提高了约60%和100%。同时采用慢速维持荷载法测试了带承台群井体系的水平承载力及变位情况，研究了根式沉井基础群井效率系数。孙砚等[10]采用模型试验对比研究了无根键、1层根键和5层根键等3种不同工况下的基础竖向极限承载力，认为有根键时桩侧摩阻力发挥更为充分，采用根键不但可以减少工程量、降低造价，而且还可大大提高基础承载力。刘臻等[11]采用模型试验研究了根键位置不同对根式桩竖向承载特性的影响，认为根键分布位置对桩基承载力效能发挥有显著影响。Dai和Gong[12]采用双向静载试验对根式沉井的竖向承载力进行了试验测试，发现根键的存在大大提高了根式沉井竖向承载力，降低了沉井顶部沉降。

其次在数值模拟研究方面，朱小军等[13]在对根式沉井进行室内上拔模型试验的基础上，运用ABAQUS软件对试验进行了数值模拟，结果表明根键能调动更大范围内的土层发挥抗拔作用，进而显著提高根式沉井的抗拔性能。殷永高等[14]对马鞍山长江大桥桥墩根式沉井基础的竖向及水平承载力进行了现场载荷试验及数值模拟研究，结果表明根键能够带动沉井基础周边大范围土体共同承担，进而大大提高根式沉井基础承载力。付守印[15]利用FLAC3D软件研究了根键分布角度对根式沉井水平承载力的影响。卢永刚等[16]采用数值方法研究了沉井基础Q-s曲线和井身变形情况，并与试验结果进行了对比分析。

最后在理论研究方面，丁二虎等[17]将根式基础的竖向承载力视为井壁的极限摩阻力、井底极限端承力以及根键下部土体的极限反力等3部分之和，从而得到了根式基础竖向承载力的简化计算方法。杨光武等[18]通过对马鞍山长江大桥桥墩基础的力学分析，建立了根式沉井在竖向荷载、水平荷载及其组合作用下的力学模型。胡红波等[19]通过理论分析及数值模拟研究了根式基础在密实砂土区的竖向承载力，认为根键对增加根式基础侧摩阻力的能力有限，但是可大大提高基础底面的竖向承载力。胡丰等[20]基于荷载传递法及Winkler 地基梁理论，通过考虑根键弯曲及重叠折减效应，推导了含受弯根键的根式沉井承载性能的弹性解答，并给出了竖向位移和轴力随深度的分布曲线。

然而虽然前人已对根式基础承载机理进行了较深入的研究，但是由于根式基础的承载特性不但与基础本身有关，而且还与土层条件及基础 - 土体间的相互作用密切相关。因此对每一个具体工程都有其鲜明的个性特征，为此本文依托浙江某高速公路改扩建项目，针对该工程中普遍存在的深厚软土地层中根式基础的承载特性及机理展开深入研究。首先通过现场静载试验对比研究普通桩基础和两根根式桩基础在深厚软土区的承载特性，而后通过数值模拟方法研究根键参数对根式桩基础承载特性的影响规律，以进一步深入理解根式基础的承载机理。

1 试验概况

1.1 试验背景和地质条件

试验地点选择在浙江某高速公路改扩建工程的某高架桥第40#，41#，42#桥墩之间，对两根根式桩基础和一根普通桩进行现场静载试验，试验桩布置图及桩体参数分别如图1和表1。桩基类型均为Φ1600钻孔灌注桩，桩身混凝土为C25，设计桩长为20 m，采用混凝土护壁水下浇灌混凝土工艺，桩体结构如图2。其中根式桩1#的根键间距110 cm，第一层根键布置在桩顶下2.0 m处，共布置16层，每层4个根键，共计64个根键；根式桩2#的根键间距220 cm，第一层根键布置桩顶下2.0 m处，共布置8层，每层4个根键，共计32个根键。试验桩均现场制作，且养护28 d。

图1 试验桩布置/m

表1 试验桩参数

图2 根式桩基础结构示意/cm

根键施工方法为：(1)根据根键设计图纸，用钢板制作根键钢模，然后浇灌混凝土至钢模中，并插入根键配筋，养护14 d；(2)在桩身钢筋笼上预留用于顶进根键的预留孔，预留孔对称布置在钢筋笼上，每层共四个预留孔；(3)平整场地→钻机钻孔→下钢筋笼→下根键到设计高程→千斤顶对顶根键→从下往上顶进→浇灌混凝土。部分施工照片如图3。

图3 根键施工部分照片

场地地质条件为滨海深厚软土地区，在38 m深度范围内主要为黏土和淤泥质土，主要土层物理参数见表2，其中抗剪强度参数采用快剪试验获得。本次共进行了3根试桩的单桩竖向抗压极限承载力静载荷试验，3根桩均为破坏式试验，检测现场环境正常。检测依据为中华人民共和国行业标准JGJ 106-2014《建筑基桩检测技术规范》。试验时的加载顺序依次为根键桩1#、普通桩、根键桩2#。由于三个桩的间距较远，为28 m，大于桩长，因此认为3个桩体之间不会产生影响，因此不考虑它们之间的相互作用。最后的试验结果也验证了这一假设。

表2 土层物理力学参数

1.2 试验目的

(1)测试根式桩与普通桩的极限承载力和桩顶位移，获得荷载 - 位移曲线，即Q-s曲线。

(2)研究根式桩在竖向荷载作用下的受力特性，即桩身轴力曲线。

1.3 试验设备及测试项目

(1)加载设备

在桩顶布置两个QF-320型油压千斤顶，最大反力为10000 kN，架好反力梁，并在梁上堆载预制混凝土试块。

(2)桩顶位移测量

桩顶位移测量装置采用4只最大量程为50 mm的位移传感器，对称安装在桩顶四周。3根试验桩均采用武汉岩海生产的RS-JYB/C全自动静载测试仪观测并记录。

(3)桩身轴力测量

桩身轴力采用振弦式钢筋应力计进行量测，沿桩身方向。振弦式钢筋应力计第一层布置在距桩顶向下1.6 m处，之后每隔2.2 m布置一层，共布置9层，在每一层上均匀布置4只。

1.4 试验加卸载和终止条件

试验采用快速维持荷载法，加载分级进行，采用逐级等量加载；预加载为360 kN，之后每级按180 kN逐级递增；卸载分级进行，每级卸载量为360 kN，逐级等量卸载。

每级荷载施加后维持1 h，在第15，30，45，60 min时测读桩顶沉降量，当桩顶沉降速率达到相对稳定标准时，再施加下一级荷载。

某级荷载下，当桩顶沉降量大于前一级荷载作用下的沉降量5倍且桩顶总沉降量超过40 mm时或者达到相关规范标准时即停止加载。

1.5 试验过程

(1)首先对根式桩1#进行加载试验，当荷载增加到2160 kN时，桩顶累积沉降量为9.69 mm，本级荷载下沉降量为1.67 mm；当荷载增加到2340 kN时，桩顶累积沉降量为42.32 mm，本级荷载下沉降量为32.63 mm，符合加载终止条件，停止加载。

(2)其次对普通桩进行加载试验，当荷载增加到1620 kN时，桩顶累积沉降量为12.34 mm，本级荷载下沉降量为4.18 mm；当荷载增加到1800 kN时，桩顶累积沉降量为46.25 mm，本级荷载下沉降量为33.91 mm，符合加载终止条件，停止加载。

(3)最后对根式桩2#进行加载试验，当荷载增加到1980 kN时，桩顶累积沉降量为10.44 mm，对应荷载沉降量为1.31 mm；当荷载增加到2160 kN时，桩顶累积沉降量为49.00 mm，本级荷载下沉降量为38.56 mm，符合加载终止条件，停止加载。

部分试验图片如图4所示。

图4 试验过程部分照片

2 试验结果分析

2.1 桩顶沉降分析

根据普通桩与根式桩1#，2#的静载荷试验绘制相应的Q-s曲线，如图5。可以看出普通桩、根式桩1#，2#的极限承载力分别为1620，2160，1980 kN，对应桩顶沉降量分别为12.34，9.69，10.44 mm。相比普通桩，根式桩1#，2#的极限承载力分别提高了33.33%和23.75%，而桩顶沉降量分别减小了21.47%和15.40%，即根键的存在显著提高了桩体的极限承载能力，减小了桩顶沉降位移，这说明根式桩的承载力及沉降控制能力要优于普通桩。同时对比根式桩1#，2#的承载性能可以发现，前者的极限承载力及桩顶沉降量分别为后者的1.09倍和92.82%，这是由于根式桩1#的根键数量多，为后者的2倍，因此可以认为随着根键数量的增加，桩体承载力增加、桩顶沉降降低，即根键可以有效地提高桩体承载力并降低桩顶沉降。

图5 桩体Q-s曲线

2.2 桩身轴力分析

根据钢筋应力计采集数据，可得各级荷载下普通桩和根式桩轴力分布图，如图6～8。同时选取桩顶荷载为36，90，144 t时的试验数据，作三根试验桩桩身轴力对比图，如图9。可以看出：(1)普通桩与根式桩在不同荷载下，桩体轴力均沿深度方向递减，这说明在软土地基中桩的承载力主要是靠桩侧摩阻力来承担；(2)当桩顶荷载较小时，普通桩与根式桩桩身轴力相差不大，而随着荷载的增加，其差距逐渐增大，这说明在桩顶荷载下，桩身首先发挥承载作用，而后随着外荷载的逐渐增加，桩身所承担的荷载逐渐向根键转移，从而形成桩身 - 根键共同承载；(3)从桩身轴力的大小来看，普通桩的桩身轴力均大于根式桩，这说明根式桩的根键部分分担了部分外荷载，因而作用在桩身的荷载有所减小，且二者之间的轴力差距也随着外荷载的增加而增加，这说明外荷载越大，根键的承载作用也越显著；(4)对同一荷载而言，普通桩与根式桩之间的轴力差距一般是上部小、中下部大，这说明下部根键的承载能力发挥更为充分；(5)对比两根根键桩可以发现，根键数量越多，在同一外荷载下桩身轴力就越小，这是由于根键分担了一部分外荷载，进而导致桩身轴力降低。总之，通过对桩身轴力的测试研究发现，根式桩的桩身轴力小于普通桩的桩身轴力，即桩体承载力越大，同一荷载下的桩身轴力越小，桩体越不易发生破坏。这是因为根式桩的根键部分承担了部分外荷载，进而降低了桩体本身的应力，最终提高了桩体的承载力。

图6 普通桩桩身轴力

图7 根式基础1#桩桩身轴力

图9 普通桩与根式基础轴力对比

3 数值模拟研究

由上述试验结果可以看出，在深厚软土地基中，根式桩比普通桩将具有更高的承载力，并能有效减小桩顶沉降。但是由于试验费用较高且工期较长，为此下面拟基于在岩土工程领域中广泛应用的FLAC3D软件对根式基础的承载性能进行数值模拟研究，以深入探讨其承载机理。

3.1 数值计算模型概况

由于本节主要探讨根式基础的承载机理，因此拟采用如图10所示的理想计算模型，即土层取为单一地层，参数如表3所示。桩体采用实体单元，其参数取为：桩体直径1.8 m、桩长50 m，桩底土取20 m，水平向桩侧土边界取为桩体半径的9倍，根键长度为0.6 m，根键直径为0.5 m，根键层间距为1.5 m。桩 - 土之间的接触采用interface界面单元。结合实际工程中的根键布置情况，本模型自桩顶下10 m处开始布置根键。考虑模型与桩顶荷载的对称性，取1/4模型进行计算，如图10b所示。模型边界条件为：在土体的侧面和底部全约束，在对称面上的约束垂直于对称面的位移。

图10 数值计算模型

相对于土体而言，桩体及根键的强度均较高，不易发生强度破坏，因此取二者的本构模型分别为摩尔 - 库伦模型和线弹性模型，其参数如表3。

表3 计算参数

计算工况：拟分别研究根键长度(分别取为0.6，0.9，1.2 m)、根键直径(分别取为0.3，0.4，0.5，0.6 m)、根键布置位置(分别布置在桩体上部、中部和底部)和根键层间距(分别取为1.0，1.5，2.0 m)对桩体承载性能的影响。

3.2 计算结果及分析3.2.1 根式桩承载特性分析

对普通桩和根式桩的承载特性进行数值分析，通过改变在桩顶施加的竖向荷载，记录桩顶的竖向位移，当桩顶竖向位移达100 mm时停止加载，并以桩顶竖向位移为100 mm时所对应的桩顶荷载为桩体的极限承载值。普通桩和根式桩竖向荷载 - 位移(Q-s)曲线见图11。可以看出，普通桩竖向极限承载力为20245.5 kN，根式桩竖向极限承载力为38710.5 kN，桩体极限承载力提高了91.2%。而当桩顶竖向荷载在17803.1 kN以内时，根式桩与普通桩的桩顶竖向位移量相差不大，根键的作用未能充分发挥。当桩顶竖向荷载超过17803.1 kN后，根式桩桩顶竖向位移仍随桩顶荷载的增大而平稳增大，但普通桩的竖向位移量急剧增大。由此可知，根键充分调动了桩周土体的承载作用，提高了桩体的极限承载力，减少了桩顶的竖向位移；另外当桩顶荷载较大时，更有利于根键作用的充分发挥。这也与殷永高等[14]在根式沉井与普通沉井竖向承载特性的现场试验研究结果规律一致。

图11 桩体荷载 - 位移曲线

3.2.2 根键长度对根式桩承载特性的影响

保持其他参数不变，改变根键长度以研究不同根键长度l对根式桩竖向承载特性的影响。根键长度分别为0.6，0.9，1.2 m。根据数值模拟结果，绘制不同根键长度下荷载 - 位移曲线，如图12。可以看出，桩体的极限承载力随根键长度的增大而增大，根键长度为0.6，0.9，1.2 m所对应的极限承载力分别为38710.5，43237.8，44509.5 kN。桩体在桩顶竖向荷载作用下，根键长度从0.6 m增大到0.9 m时，桩顶竖向位移明显减少，而根键长度从0.9 m增大到1.2 m时，桩顶竖向位移减少并不明显，因此在实际施工过程中，考虑到经济性和安全性，针对该数值计算模型，根键长度应选用0.9 m为宜。

图12 不同根键长度时桩体荷载 - 位移曲线

3.2.3 根键直径对根式桩承载特性的影响

保持其他参数不变，改变根键直径以研究不同根键直径对根式桩竖向承载特性的影响。根键直径分别为0.3，0.4，0.5，0.6 m。根据数值模拟结果，绘制不同根键直径下荷载 - 位移曲线，如图13。可以看出，桩体的极限承载力随根键直径的增大而增大，根键直径为0.3，0.4，0.5，0.6 m所对应的桩体竖向极限承载力分别为35861.9，36904.7，37159.1，37667.8 kN。当桩顶荷载较小时，根键直径为0.3 m时桩顶的沉降位移最小，根键直径为0.4 m时桩顶的沉降位移最大；随着桩顶荷载的增大，即当桩顶荷载超过30520.8 kN时，桩顶竖向沉降位移普遍随根键直径的增大而减小，这说明当荷载较大时，大直径根键的作用更加明显。因此在实际施工过程中，应考虑实际情况，合理选择根键直径。

图13 不同根键直径时桩身荷载 - 位移曲线

3.2.4 根键位置对根式桩承载特性的影响

保持其他参数不变，改变根键在桩体竖向上的布置位置，分别在桩体的上部、中部、下部布置相同个数的根键，以研究根键布置位置对根式桩承载性能的影响。模型及计算结果分别如图14，15。可以看出，在桩顶竖向位移相同情况下，根键在下部时桩体承载能力最好，其次为根键在中部，最差为根键在上部。根键在上部、中部及下部时桩体的极限承载力分别为25230.5，27417.9，29020.2 kN。这是由于在桩顶竖向荷载及土体自重作用下，越深处的土体挤压作用越强，从而对根键的束缚能力越强，所以根键越靠下，桩体的承载力越大。

图14 不同根键布置位置模型

图15 不同布置位置时桩身荷载 - 位移曲线

3.2.5 根键层间距对根式桩承载特性的影响

保持其他参数不变，改变根键层间距以研究不同层间距对根式桩竖向承载特性的影响，根键层间距分别为1.0，1.5，2.0 m。模型及结果分别如图16，17。可以看出，在桩顶竖向位移相同情况下，根键层间距2.0 m时桩体承载能力最好，其次为层间距1.5 m，最差为层间距1.0 m。根键层间距为1.0，1.5，2.0 m时桩体的极限承载力分别为28715.0，33318.5，36803.0 kN，与普通桩相比，极限承载力分别提高了41.83%，64.57%，81.78%。根键层间距由1.0 m提高到1.5 m过程中桩体极限承载力增量大于根键层间距由1.5 m提高到2.0 m过程中桩体极限承载力增量，但两者的增幅近似相等，都约为23%左右。这是由于当根键层间距较小时，相邻层根键之间类似于群桩的折减效应更加明显，不能很好发挥土体的承载作用所致。

图16 不同根键层间距模型

图17 不同根键层间距时桩身荷载 - 位移曲线

4 结 论

(1)基于深厚软土区的桩体承载力静载荷试验结果表明：1)根键可显著提高桩体的竖向承载性能，且布置根键越多，效果越明显，本试验中根式基础1#和2#相较于普通桩，竖向极限承载力分别提高了33.33%和23.75%；2)当桩顶荷载相同时，根式基础桩顶沉降量小于普通桩，这表明根键加强了桩体与土的耦合作用，进而使得桩体沉降控制性能改善，这在软土地区对沉降控制要求较高的工程来说，具有良好的应用优势；3)普通桩和根式桩的轴力传递机理类似，当根式桩在有根键部位轴力传递的递减幅度要大于普通桩。

(2)通过对根式桩与普通桩承载性能的数值计算结果表明：1)与普通桩相比，根式桩极限承载能力显著提高，且桩顶沉降量明显减小。这说明根键有利于充分调动桩周土体，改善桩体承载性能；2)随着根键长度的增大，桩体极限承载力增大，但根键长度由0.9 m变为1.2 m时，桩体极限承载力的增幅有限，这说明根键并非越长越好，根键长度与桩体的极限承载力呈非线性关系；3)根键直径对桩体极限承载力的影响较小，总体上随根键直径的增大桩体极限承载力略有增加，但桩顶竖向位移量却有明显减小，所以实际施工中应综合考虑各种因素，合理选择根键直径；4)根键布置位置对桩体的承载特性有较大影响，根键在下部时桩体的承载能力提高最大；5)根键层间距对桩体承载力的影响类似于群桩中单桩间距对群桩承载力折减效应的影响。