饱和软土中桩基竖向承载力特性的试验研究

蒋玉龙 冯国鹏 徐泽楠

摘要：通过调节桩土试样围压，对桩基试样进行竖向循环荷载加载试验，研究了饱和软土地基中桩基竖向承载力刚度特性。研究结果表明：桩顶的垂直循环位移荷载会削弱桩-土系统，但同时也增加地基土的固结包络，提高桩-土系统的抗削弱能力。桩基动刚度受到地基土固结状态的影响十分显著，随着固结围压的增大，在循环荷载的作用下，土体的动刚度也会呈现一个增大的趋势。

关键词：软土；桩基础；围压；循环荷载

0   引言

在工程建设活动中，饱和软土地基承载力较弱，自然条件下，一般无法承担上部结构所传递下来的荷载。因此，通过打桩穿过软土层达到有足够地基承载力的持力层，是一种有效的地基处理方法。在荷载作用下，桩周土体会发生位移，为此对饱和软土中桩基竖向承载力特性进行试验研究非常必要。

在岩土工程领域，已有许多专家学者对桩基础进行了研究。黄朝煊[1]推导出水平受荷桩在成层软土中的弹塑性解析解和塑性区深度，并给出无量纲计算式，来计算桩顶的水平位移和桩身的最大弯矩。王章[2]认为旁压试验极限压力受到多种因素影响，采用临塑压力较为准确，效率较高。宋弋飞[3]等从安全性与经济性两方面出发，提出单桩承载力取值的合理评判标准。刘越[4]等结合现场试桩试验数据，对多层软土桩基工程水平承载力的计算进行探讨，修正了规范中未涉及的系数。余建飞[5]等对预应力管桩进行拉拔試验对大面积深厚软土地区桩基工程抗拉性能、负摩阻力和中性点进行了研究。

本文以饱和软土场地为桩周土体，采用自制可调节桩周土试样围压的竖向循环荷载加载系统，进行循环加载试验，结合数值模拟分析探究桩基竖向承载力刚度特性。

1   试验方法

1.1   试验材料

试验用土来自于2022嘉秀洲-018号地块项目。该项目位于浙江省嘉兴市秀洲区高照街道，土体为淤泥质黏土，呈灰色，流塑，絮状结构，厚层状结构，偶见腐殖质，嗅有腥臭味；干强度中等，韧性中等，无摇振反应，稍有光泽。将原状土取出后，经过105℃烘干、破碎后，再根据试验要求制成饱和土试样，并放入试验设备中进行预固结以待试验。

1.2   试验设备

采用自制可调节桩土试样围压的竖向循环荷载加载系统进行试验。该系统的组成部分如下：一是伺服电机。用于对模型桩施加竖向位移荷载。二是联轴器，用于传递动力。三是滚柱丝杠，用于将伺服电机的旋转运动转换为加载板的直线运动，实现精确的位移控制。四是加载板，用于与模型桩顶端接触，施加竖向荷载。五是水压加载装置，用于对土样进行围压加载。六是土样，用于模拟地基土，可以是饱和软土、干燥砂土等不同类型的土壤。七是模型桩，用于模拟桩基础，可以是单桩、群桩、不同形状和材料的桩等。

1.3   试验方法

为了研究不同固结状态下桩基的动力性能，本文进行了桩基模型试验和数值模拟。试验中，桩的初始埋深为20cm。土体设置了3种固结度，围压为200kPa达到60%固结度，围压为400kPa达到60%固结度，围压为400kPa达到 90% 固结度。

进行循环加载后的静载试验，加载速率为0.5cm/min，直至土体破坏。采用正弦函数模式循环加载，加载频率为1Hz，振幅控制为0.1～0.4mm，共4种振幅，每组循环荷载加载50次。数值模拟与试验条件相同，仅针对200kPa围压、60%固结度的情况。试验方案见表1。

2   试验结果分析

2.1   循环荷载条件下桩基刚度分析

本次试验的目的是研究桩基动力学特性。为了获得更准确的实验数据，在试验设计中采取了一系列措施。取一个滞回圈内两个角点进行线性拟合，所得到的线性拟合结果斜率，即为循环荷载条件下，该滞回周期中桩基的动刚度。它可以有效地反映桩基受力变化情况，应用它可以进一步分析桩基动刚度的变化规律。滞回曲线如图1所示。

循环周期桩基的动刚度K为2206，说明桩基在本次循环周期中所表现的动刚度较高。以设备总共施加了n次循环荷载，每组加载振幅为0.1mm。令第n次加载时的动刚度为Kn，将不同滞回圈数下的桩基动刚度值归一化，得到如图2所示的曲线。

地基土围压和固结度分别为200kPa、60%时，地基的动刚度在振幅为0.1mm保持基本稳定。但从振幅0.2mm开始，初始动刚度比72%，随着循环次数的增加，地基的动刚度剧烈下降，随后下降速率逐渐降低直至一极限值从。而振幅从0.2mm上升到0.3直至0.4mm的过程中，初始动刚度下降至50%和37%，相对于振幅0.2mm时，动刚度变化曲线更加平缓。这说明地基的动刚度随着振幅的增加逐渐减小，这与桩基的动力学特性密切相关。需要注意的是，不同振幅下得到的动刚度值应该被归一化，以便更好地比较其差异和趋势。

地基土围压为400kPa、固结度为60%、振幅为0.2～0.4mm时，初始动刚度比的变化规律与200kPa、60%时基本一致，分别为76%、57%、44%。而当降低至稳定值后，在相应振幅下均大于200kPa围压时的初始刚度比。

地基土围压为400kPa、固结度为90%时，高固结度桩周土在受到加载的过程中发生硬化现象。随着振幅的增加，初始动刚度比呈先上升、后下降的趋势。当振幅为0.1mm时，桩周土出现硬化；而当振幅为0.2mm时，桩周土体开始软化，初始动刚度比也开始降低，直到振幅增加到0.4mm时，初始动刚度比为79%。分析认为，前两组没有出现这一类现象，是由于前者硬化阈值较低。而当固结度提升至90%，硬化阈值也随即提升。在土围压为400kPa、固结度为90%时，可见幅度为0.2mm时即为硬化阈值。

从图2中的3组曲线中可以看出，地基桩周土随着循环次数发生硬化的应力阈值，与土体的固结状态紧密相关，桩土系统的动刚度比随着循环荷载的大小而变化。循环荷载小于应力阈值时，动刚度比呈增加趋势。循环荷载大于应力阈值时，动刚度比呈衰减趋势。振幅越大，初始动刚度比越低。相同振幅的动刚度比会随着振动次数的增加而趋于稳定。这反映了地基土的固结度和围压，对桩周土硬化应力阈值的作用，以及循环荷载和振幅对桩土动刚度比的作用，因此提高固结度或围压可以降低动刚度衰减的速度。

2.2   数值模拟结果及分析

本文对Z1模型试验进行了数值模拟，以探究桩端阻力和桩侧摩擦的变化对桩承载力循环弱化的影响。桩侧摩阻力和桩端阻力是构成桩基承载力的两部分，因此本研究将饱和软土循环弱化模型作为地基土模型，来研究桩侧摩阻力和桩端阻力在土中的特性。此外，该模型考虑了非线性运动硬化的效应。

建立轴对称有限元模型，用桩土界面的公共节点表示桩土边界，并在水平侧和底侧施加约束边界条件。施加约束条件前，该模型采用网格划分模式，并将约束施加在相应的节点上。这些措施旨在通过数值模拟，更好地了解桩侧摩擦和桩端阻力的变化，以及桩承载力的循环弱化。桩基承载力由桩侧摩阻力和桩端阻力组成，桩土有限元模型如图3所示。

桩侧摩阻力在循环加载开始和結束时，沿桩身深度的变化情况如图4所示。桩侧摩阻力随着加载的进行而逐渐减弱，尤其在振幅为0.2mm时，几乎完全消失。当振幅增加到0.3mm和0.4mm时，桩侧摩阻力分布几乎没有区别。从桩身上看，桩侧摩阻力随着桩体深度的增加而减小，且在桩顶降低得最显著。由此可见，桩侧摩阻力的减弱是造成桩承载力下降的根本原因。当桩端阻力减弱到剩余值时，整个桩-土系统的作用即不再继续弱化。

3   结束语

本文采用循环荷载，对不同固结状态下桩基的动力性能进行模型试验和数值模拟。试验结果表明，桩基承载力在循环加载后被削弱，且与土体的固结度、振幅和循环次数有关。数值模拟结果显示，桩侧摩阻力和桩端阻力在循环加载过程中均有减弱，但桩侧摩阻力减弱更为显著。得到的主要结论如下：

竖向加载的循环荷载导致桩基动刚度显著弱化，而对土体施加围压后增大了地基桩周土的固结度，导致整体动刚度增大。在循环加载过程中，桩相对土体向上移动，产生的摩阻力导致整个桩基承载力下降。

桩周土体动刚度与土体固结度紧密相关。高固结度桩周土在小振幅循环荷载作用下，相较于初始状态，动刚度反而有所提升。但当振幅超过硬化阈值后，其动刚度终将低于初始状态。而低固结度桩周土自受到循环荷载后，其动刚度就开始弱化。

桩侧摩阻力随桩身深度的增加而逐渐减小。桩基承载力的下降是由桩侧摩阻力和桩端阻力共同作用所导致的，但桩基承载力主要靠桩侧摩阻力来提供，因此桩端阻力决定了整个桩土体系弱化过程是否结束。

在工程实际中一般无法避免饱和软土桩基承载力的下降，因此需要采取相应措施进行地基处理。首先应提前采取堆载预压排水，使得场地固结度提高，进一步提升地基承载力中的残余应力，使桩基承载力发生弱化现象后有足够承载力承担上部荷载。此外，还可以采取高压注浆固化场地土体，增大地基承载力。当采取固化方法处理地基场地时，由于土体硬化，桩端阻力与桩侧摩阻力与初始状态产生的差异较大，不可忽视。

参考文献

[1] 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.

[2] 王章.基于旁压试验的桩基承载力计算[J].中国房地产业，2020（4）：157-158.

[3] 宋弋飞，褚建平，史敏磊.软土桩基工程中单桩竖向承载力的评判与取值[J].建筑施工，2006，28（8）：596-599.

[4] 刘越，黄朝煊.多层软土地基中桩基水平承载计算研究[J].人民长江，2022，53（7）：187-192.

[5] 余建飞，张静，杨石飞.大面积填土场地深厚软土中预应力管桩下拉荷载现场试验[J].工业建筑，2022，52（1）：143-149，64.