软土地基预加固对桩基竖向承载特性的影响研究

摘要：针对目前软土地基预加固处理对桩基竖向承载特性影响的定量分析不足的问题，依托大型围垦工程案例，就软土地基预加固处理对桩基竖向承载力提高、桩顶沉降控制及负摩擦阻力减小等方面产生的影响进行了定量研究，给出了桩基极限侧摩擦阻力定量计算的α法、API-2000法及λ法，同时给出了桩基极限端阻力及桩顶沉降计算公式。通过工程案例，分别对原状淤泥土、预加固处理后的地基土中的试验桩进行竖向静载试验，并依据前述3种计算方法进行对比验证分析。分析结果表明：根据《建筑桩基技术规范》提出的建议值计算的桩基竖向极限承载力比现场试桩值偏保守，而采用α法计算的桩基竖向极限承载力更接近现场试桩值；对深厚淤泥软土地基进行预加固处理，可以有效提高桩基竖向承载力，但工程案例中竖向承载力提高近50%，同时对桩基负摩擦阻力及桩基沉降控制效果显著。研究成果可为类似软土地基加固工程提供参考。

关 键 词：软土地基；预加固处理；极限侧阻力；桩基竖向承载力；桩顶沉降；静载试验

中图法分类号： TV223

文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2023.04.027

0 引 言

随着社会经济的快速发展，土地资源越来越匮乏，因此越来越多的建设用地采用滩涂围垦造地项目。在此类软土地基上的建筑基础型式通常采用桩基础，桩基础可以将上部竖向荷载直接传递给深层较坚硬土层，但软土地基中桩基负摩擦阻力、桩身沉降及桩基偏斜等问题仍存在，因此对软土地基中经预加固处理后的桩基竖向承载特性进行深入研究是十分重要的课题。

对于承受竖向荷载的桩基来说，传统计算桩基沉降的方法是太沙基提出的［1］，后期受众多学者影响并得到进一步发展［2］。目前单桩沉降计算方法主要有：荷载传递分析法、弹性理论法、剪切变形传递法、有限单元分析法、边界元法、混合法、经验法及其他简化方法［3］。而在国内实际工程应用中，则按照JGJ 94-2008《建筑桩基技术规范》中桩身侧摩阻力与桩端阻力之和计算［4-5］。

黄朝煊等［6-7］就軟土地基预加固处理对桩基水平承载力的提高影响进行了深入研究；张乾青［8］对软土地基桩基受力性状和沉降特性进行了试验研究与理论分析；霍知亮等［9］基于美国桩基标准，对桩基竖向承载力计算进行了对比分析；冷伍明等［10］对深厚软土区中的超长桩基压缩变形特性进行了测试分析；王涛等［11］基于侧阻概化对桩基沉降计算方法进行了研究；周涛等［12］对高速铁路桥梁桩基固结蠕变引起的沉降进行了计算研究；蔡国军等［13］基于CPTU测试对桩基承载力的可靠性进行分析。但目前对软土地基预加固处理后桩基竖向承载特性变化的研究则相对较少。

基于此，本文依托浙江省温州市围垦工程案例，对软土地基上经预加固处理后的桩基竖向承载力提升、桩顶沉降控制及负摩擦阻力减小等影响因素、机理进行了定量研究与探讨。

3.1 原状土及预加固处理后地基土原位检测

3.1.1 十字板剪切试验

真空预压20 m分区的十字板抗剪强度由加固前的9.40～26.66 kPa增到加固后的29.02～53.24 kPa（见图3），特别是浅层10 m范围内的软土十字板剪切强度增加较明显，主要原因是真空压力在向深层传递过程中受侧向土压力作用等因素影响存在真空压力衰减现象。

3.1.2 静力触探试验

静力触探试验真空预压20 m分区的摩阻力由加固前7.00～7.50 kPa增到加固后13.00～19.25 kPa（见图3），锥头阻力由加固前85.00～178.00 kPa增到加固后465.00～750.00 kPa，同样，在浅层10 m范围内的软土静力触探试验摩阻力增加较明显。

3.2 现场原位试验及检测成果

试验桩桩型有2根（见表2），其原状土中1根，地基真空预压加固处理后1根。采用桩径为800 mm C30钻孔灌注桩，地面以下桩长50 m，在桩身内部需预先埋设钢筋应力计。在竖向荷载桩内部选取12个截面，每个截面埋设3个钢筋应力计，对称布置在主筋上（见图4）。

其中原状土中P1桩、预加固处理后P2桩的低应变检测成果见图5。

由图5可知，2根试验桩完整性较好，不存在缩颈等不利影响，桩基施工满足规范要求。

分别对原状土中P1桩、预加固处理后的P2桩进行竖向承载力静载试验（见图4（b）），其中原状土中P1桩的Q-s曲线及桩身应变曲线见图6。

由图6（a）可知，原状土中P1桩在竖向荷载加载至4 400 kN时，曲线基本光滑，加载至4 800 kN时，曲线明显陡降，本级荷载作用下的桩顶沉降量为前一级荷载作用下沉降量的10倍有余。终止试验时桩顶总沉降量达到96.64 mm。

由图6（b）可知，在竖向荷载为2 000 kN时，P1桩各截面应变自地表向下有一个减小趋势，并且随着荷载的逐级增加，应变随之增大。 每一级荷载下，沉降稳定后桩身应变较荷载加载完成后桩身应变有小幅度增加。当荷载在2 800 kN以内时，试桩各截面应变随荷载的增加增幅较小。当荷载达到3 600 kN时，桩身上部应变逐渐增加，此时桩身应变沿深度基本一致。而当荷载达到4 400 kN时，试桩各截面应变达到峰值。当荷载达到4 800 kN时，试桩处于破坏状态，各截面应变相对于4 400 kN时反而稍有减小，说明此时桩周侧摩阻力无法承载桩顶荷载，试桩整体刺入土体。此外，在距桩顶16 m以内的范围内，曲线斜率较大，说明该范围内土体侧摩阻力较大。

预加固处理后地基中的P2桩的Q-s曲线及桩身应变曲线见图7。

由图7（a）可知，P2桩的Q-s曲线在加载至7 200 kN时，曲线基本光滑，加载至7 800 kN时曲线明显陡降，桩顶总沉降量达到101.20 mm。

由图7（b）可知，P2桩各截面应变自地表向下有一个减小趋势，并且随着荷载的逐级增加，应变随之增大。每一级荷载下，沉降稳定后桩身应变较荷载加载完成后桩身应变有小幅度增加。当荷载在3 000 kN以内时，试桩各截面应变随荷载的增加增幅较小。当荷载达到7 200 kN时，试桩各截面应变达到峰值。当荷载达到7 800 kN时，试桩处于破坏状态，各截面应变相对于7 200 kN时反而稍有减小，说明此时桩周侧摩阻力无法承载桩顶荷载，试桩整体刺入土体。在距桩顶19 m以内的范围内，曲线斜率较大，说明该范围内土体侧摩阻力较大。

通过图7分析可知：在竖向荷载作用下，桩身靠近地面处应变最大，随入土深度往下递减；桩身各截面应变随着荷载的逐级增加随之增大；每一级荷载下，沉降稳定后桩身应变较荷载加载完成后桩身应变有小幅度增加。在荷载较小时，桩顶荷载全都由浅层土体提供的桩身侧摩阻力承担，因此桩身各截面应变较小；随着荷载的不断增大，荷载逐渐向下传递，当超过侧摩阻力所能提供的极限值时，桩身会整体刺入土中，从而达到破坏标准。

根据桩基检测规范，确定本次受检桩的单桩竖向抗压极限承载力检测值及承载力特征值见表3。

由表3可知，原状土中P1由静载试验推求的单桩竖向极限承载力检测值为4 400 kN，相应极限承载力下的桩顶沉降为17.4 mm，P1桩的单桩竖向承载力特征值为2 200 kN，而P1桩由地质勘察单位提供的地质建议值指标推算的单桩竖向承载力特征值为1 721.9 kN，明显小于现场原位静载试验推求值2 200 kN。

对于预加固处理后地基中的P2桩，其由静载试验推求的单桩竖向极限承载力检测值为6 600 kN，相应极限承载力下的桩顶沉降为26.43 mm，该桩的单桩竖向承载力特征值为3 300 kN。

3.3 桩基竖向承载力对比分析

根据该工程地质勘察单位提供的地质报告，原状土地基各土层物理力学建议值指标见表4。

根据文中桩基侧摩擦阻力计算的几种建议方法，结合原状土现场十字板剪切强度试验及静力触探试验成果，计算原状土中各土层的桩基侧摩阻力值，其计算成果见表5。

由表5可知，根据原状土现场十字板剪切强度试验及静力触探试验成果，利用本文α法计算的桩侧土极限侧摩阻力qsu值在浅层土范围内（15 m以内）比地质勘察单位建议值大，而在深层土（15 m以深）区比地质勘察单位建议值小。在α法、API-2000法及λ法3种方法中，利用α法计算的桩侧土极限侧摩阻力qsu值一般比API-2000法及λ法偏小，而利用API-2000法计算的桩侧土极限侧摩阻力qsu值一般最大。

同样，利用文中桩基侧摩擦阻力计算的几种建议方法，结合预加固处理后地基土的十字板剪切强度试验及静力触探试验成果，计算预加固处理后各土层的桩基侧摩阻力值，其计算成果见表6。

由表6可知，根据预加固处理后地基土的十字板剪切强度试验及静力触探试验成果，在α法、API-2000法及λ法3种方法中，利用α法计算的桩侧土极限侧摩阻力qsu值一般比API-2000法及λ法偏小，而利用API-2000法计算的桩侧土极限侧摩阻力qsu值一般最大，其影响规律类似于原状土中计算成果。

根据以上原状土、预加固处理后桩侧土极限侧摩阻力qsu值计算成果，分别计算桩基总竖向极限承载力及桩基沉降等，其计算成果见表7。

由表7可知，对于原状土中的P1桩，分别由地质勘察单位提供的地基土建议值、α法、API-2000法及λ法4种方法推算的竖向承载力极限值分别为3 443.93，4 469.82，8 519.53，6 697.67 kN。其中，α法推算的P1桩竖向承载力极限值4 469.82 kN与现场原位静载试验试桩检测的极限承载力4 400 kN较接近，而由地质勘察单位提供的地基土建议值推算的桩基极限承载力偏小，采用API-2000法推算的竖向承载力极限值最大。对于原状土中的P1桩在4 400 kN桩顶竖向荷载作用下的桩顶沉降，利用公式（17）计算得桩顶总沉降值为22.6 mm，与现场原位静载试验值17.4 mm基本接近，但稍偏大。

对于预加固处理后地基中的P2桩，分别由α法、API-2000法及λ法3種方法推算的竖向承载力极限值分别为5 432.44，9 650.45，7 392.26 kN。其中，α法推算的竖向承载力极限值5 432.44 kN与现场原位静载试验试桩检测的极限承载力6 600 kN较接近，而采用API-2000法推算的竖向承载力极限值最大。对于P2桩在7 200 kN桩顶竖向荷载作用下的桩顶沉降，利用式（17）计算的桩顶总沉降值为34.9 mm，与现场原位静载试验值26.43 mm基本接近，稍偏大。

通过以上对比分析可知，对深厚淤泥软土地基进行预加固处理可以有效提高桩基竖向承载力，其同样桩长的桩基竖向承载力极限值提高近50%，同时后期工程建筑中由于堆载、填方等加载引起的桩基负摩擦阻力效应也会显著减小，这对桩基沉降控制效果显著，可为类似工程建设提供参考。

3.4 预加固处理对桩基负摩阻力的影响

参考桩基规范［4］，分析预加固处理前后对桩基负摩阻力的影响。该处为闸址，地基土后期上部荷载为120 kPa左右。根据原状土及预加固处理后土层的十字板剪切强度（见图3（a）），原状地基土中中性点深度为ln=0.6×25 m=15.0 m，预加固处理后地基土中中性点深度为ln=0.5×16 m=8.0 m。

通过计算，若原状土中直接施工，工程完建期单桩负摩阻力估算值为2 315 kN；而通过对软土地基预加固处理后再进行后续工程施工，工程完建期单桩负摩阻力估算值为578 kN。

因此，对深厚淤泥软土地基进行预加固处理，可使桩基负摩擦阻力效应得到显著控制，负摩阻力减小近75%。

4 结论与建议

针对目前软土地基预加固处理对桩基竖向承载特性影响定量分析不足的问题，本文依托浙江省温州市大型围垦工程案例，对软土地基预加固处理后桩基竖向承载特性的影响进行深入研究，其中主要结论如下：

（1） 基于桩侧饱和黏性土的不排水剪切强度，给出了桩基极限侧摩擦阻力的3种计算方法，即α法、API-2000法及λ法，同时给出了桩基极限端阻力计算公式，进而给出了根据桩侧饱和黏性土不排水剪切强度推求桩基竖向极限承载力计算公式。

（2） 基于Boussinesq解理论，给出了桩端沉降计算式，进而给出了桩顶总沉降计算式；同时对软土地基预加固处理后桩基负摩阻力计算所受的影响进行了说明。

（3） 通过典型工程案例，分别对原状淤泥土、预加固处理后的地基土中的试验桩进行竖向静载试验。依据提出的计算方法进行对比验证分析，得出由勘察单位给的建议值计算的桩基竖向极限承载力比现场试桩值偏保守，而采用α法计算的更接近现场试桩值，而采用API-2000法计算的桩基竖向极限承载力最大。

（4） 在竖向荷载作用下，桩身靠近地面处应变最大，随入土深度往下递减；桩身各截面应变随着荷载的逐级增加随之增大；在荷载较小时，桩顶荷载全都由浅层土体提供的桩身侧摩阻力承担，因此桩身各截面应变较小；随着荷载的不断增大，荷载逐渐向下传递，当超过侧摩阻力所能提供的极限值时，桩身会整体刺入土中，从而达到破坏标准。

（5） 对深厚淤泥软土地基进行预加固处理，可以有效提高桩基竖向承载力，工程案例中竖向承载力提高近50%，同时对桩基负摩擦阻力效应也得到显著控制，对桩基沉降控制效果显著，可为类似工程建设提供参考。

参考文献：

［1］BUTTERFIED R，BANERJEE P K.The elastic analysis of com-pressible piles and pile group［J］.Géotechnique，1971，21（1）：43-60.

［2］GUO W D.Vertically loaded single piles in Gibson soil［J］.Journal of the Geotechnical and Geoenvironmental Engineering，2000，126（6）：189-193.

［3］龚晓南.桩基工程手册［M］.2版.北京：中国建筑工业出版社，2019.

［4］中华人民共和国住房和城乡建设部.建筑桩基技术规范：JGJ 94-2008［S］.北京：中国建筑工业岀版社，2008.

［5］刘金砺.桩基础设计与计算［M］.北京：中国建筑工业岀版社，1990.

［6］黄朝煊，袁文喜，胡国杰.成层软土地基预固结处理后桩基水平承载力估算方法［J］.岩土力学，2021，42（1）：113-124，134.

［7］黄朝煊，李俊杰.置换硬壳层对成层软土中桩基水平承载特性的影响研究［J］.岩石力学与工程学报，2021，40（增2）：3472-3482.

［8］张乾青.软土地基桩基受力性状和沉降特性试验与理论研究［D］.杭州：浙江大学，2012.

［9］霍知亮，孙立强，郎瑞卿，等.基于美国标准的桩基竖向承载力计算分析［J］.建筑科学与工程学报，2021，38（6）：25-32.

［10］冷伍明，陈琛，徐方，等.深厚软土区超长桩基压缩变形测试及分析［J］.湖南大学学报（自然科学版），2019，46（11）：87-96.

［11］王涛，刘金砺，褚卓，等.基于侧阻概化的桩基沉降计算方法研究［J］.岩土工程学报，2021，43（11）：2119-2126.

［12］周涛，徐方，杨奇，等.高速铁路桥梁桩基固结蠕变沉降计算方法研究［J］.铁道科学与工程学报，2021，18（8）：1968-1977.

［13］蔡国军，刘松玉，ANAND J P，等.基于CPTU测试的桩基承载力可靠性分析［J］.岩土工程学报，2011，33（3）：404-412.

［14］API RP2A-WSD.Recommended practice for planning，designing and constructing fixed offshore platform-working stress design，21st Edition［R］.Washington D.C.：API，2000.

（编辑：郑 毅）

Influence of soft soil foundation pre-reinforcement treatment on vertical bearing characteristics of pile foundation

WANG Lihuan，GAO Fan，REN Yaning，LI Chu

（State Grid Hebei Economic Research Institute，Shijiazhuang 050000，China）

Abstract：

There are insufficient quantitative analyses on the impact of pre-reinforcement on vertical bearing characteristics of soft soil foundations.Relying on a case of a reclamation project in Zhejiang Province，we studied the improvement of vertical bearing capacity，pile top settlement control and reduction of negative friction resistance of the pile foundation after pre-reinforcement to the soft soil foundation.The α method，API-2000 method and λ method were given for the quantitative calculation of ultimate lateral friction resistance of the pile.At the same time，the calculation formulas for ultimate end resistance of pile foundation and settlement of pile top were given.Finally，through typical engineering cases，vertical static load tests were carried out on the test piles in the original silt soil and the pre-reinforced foundation soil respectively，and their results were compared，verified and analysed.It is concluded that the vertical ultimate bearing capacity of the pile foundation calculated by the recommended code was more conservative than the field test，while the results calculated by the α method were closer to the field test values.Pre-reinforcing the soft soil foundation can effectively improve the vertical bearing capacity of the pile foundation.In the engineering case，the vertical ultimate bearing capacity was increased by 50%，and the pre-reinforcement was also effective for control of negative friction resistance and pile top settlement，which provides a reference for the construction of similar reinforcement projects in soft soil.

Key words： soft soil foundation；pre-reinforcement treatment；ultimate lateral resistance；vertical bearing capacity of pile foundation；settlement of pile top；static load test

收稿日期：2022-02-14

基金項目：国网河北省电力有限公司科技项目“桩基础的机械清孔工艺研究与改进”（kj2017-026）

作者简介：王丽欢，女，高级工程师，硕士，主要从事输电线路设计与桩基工程研究。E-mail：wanglijuan121@163.com