徐兆邦，周 健，李素華

（1.浙江工業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院，杭州 310023；2.同濟(jì)大學(xué) 地下建筑與工程系，上海 230092；3.廣東省建設(shè)工程質(zhì)量安全監(jiān)督檢測(cè)總站，廣州 510075）

1 引 言

由于巖土介質(zhì)承載性能具有時(shí)間相關(guān)性即流變特性，軟土的流變性質(zhì)可能會(huì)對(duì)土工建筑物的安全產(chǎn)生重要影響。最常遇到的問題在軟土地區(qū)，如珠海市經(jīng)常出現(xiàn)的橋頭“跳車”現(xiàn)象，即隨著時(shí)間變化路橋連接部分產(chǎn)生了嚴(yán)重的不均勻沉降。由于土的流變特性致使建筑物破壞的例子很多，如1948年荷蘭的佛拉格門（Vlaggeman）大橋、齊特茲（Zuiderze）海提及鐵路的軟土路基均因土體流變而發(fā)生破壞。前蘇聯(lián)萊電站岸坡有厚達(dá)60 m 的滑動(dòng)土體，底面斜坡傾角為8°30＇，而常規(guī)試驗(yàn)測(cè)定的短期最小內(nèi)摩擦角達(dá)14°，后動(dòng)位移速度每年不超過2 cm，但長(zhǎng)期的蠕變變形導(dǎo)致電站建筑面臨危險(xiǎn)。蘇聯(lián)某碼頭由于剪應(yīng)力長(zhǎng)期作用，每年以約1 cm 的速度緩慢移動(dòng)，70～100年時(shí)間內(nèi)最大位移高達(dá)50～80 cm，對(duì)碼頭結(jié)構(gòu)產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。我國上海市區(qū)地面的沉陷問題等都與巖土的流變性質(zhì)有關(guān)。

巖土的流變性質(zhì)使建筑基樁的承載性能具有時(shí)間相關(guān)性。樁基礎(chǔ)在施工完成后土的蠕變和松弛使樁間土應(yīng)力逐漸減小，位移逐漸增大。隨著基礎(chǔ)位移的逐漸增大，會(huì)產(chǎn)生不均勻沉降使建筑物發(fā)生變形、開裂甚至傾斜、倒塌等。由于引起樁基承載性能時(shí)間效應(yīng)的因素較為復(fù)雜，目前能夠采取的措施通常是在建筑物竣工后繼續(xù)進(jìn)行沉降觀測(cè)以確定其是否發(fā)生不均勻沉降或了解其穩(wěn)定性。大量的觀測(cè)結(jié)果表明，建筑物的沉降在竣工2～3年后依然沒有停止，有的持續(xù)到10年或20年，甚至更久都無法穩(wěn)定，嚴(yán)重的引致建筑物的破壞。

國內(nèi)外學(xué)者將流變學(xué)應(yīng)用于巖土工程的研究取得了較大的進(jìn)展。對(duì)巖土工程流變力學(xué)的研究大致有兩方面，一是研究在剪切應(yīng)力下巖土體以長(zhǎng)期的位移形變形式出現(xiàn)的剪切蠕變，即剪切；二是研究巖土骨架蠕變所引起的巖土的體積變形亦，壓密。關(guān)于巖土的蠕變性質(zhì)，Yin 等[1]從20 世紀(jì)80年代開始致力于巖土的流變性質(zhì)的研究，給出“等效時(shí)間”的定義和推導(dǎo)出一維彈黏塑性模型；將一維彈黏塑性模型用于完全耦合的固結(jié)分析，并對(duì)巖土沉降計(jì)算中如何考慮蠕變進(jìn)行了定性的分析和討論；推導(dǎo)出三維彈黏塑性模型等方面系統(tǒng)性地做了大量的工作[2-4]。

在建筑基樁的承載性狀的時(shí)效性研究方面，陸建飛[5]用積分方程、傳遞矩陣和剛度矩陣方法，求解單樁分層土中固結(jié)和流變問題。根據(jù)圓形荷載的Biot 固結(jié)的基本解，得出了黏性飽和土中群樁和水平受荷單樁的第二類Fredholm 積分方程，并通過Laplace 變換和逆變換進(jìn)行求解。王祥秋等[6]基于分級(jí)增量循環(huán)加卸載方法對(duì)某高速公路橋臺(tái)地基粉質(zhì)黏土進(jìn)行室內(nèi)單剪蠕變?cè)囼?yàn)研究，并對(duì)粉質(zhì)黏土的瞬態(tài)變形與蠕變變形特性進(jìn)行分析，由此對(duì)路基沉降量計(jì)算提出了建議。陳蘭云等[7]針對(duì)飽和軟土中鉆孔灌注樁豎向承載力結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)從樁周被擾動(dòng)土的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度逐漸恢復(fù)方面，對(duì)飽和軟土鉆孔灌注樁承載力時(shí)間效應(yīng)機(jī)制進(jìn)行了分析。李桂寶等[8]采用靜載試驗(yàn)的方法，從荷載傳遞角度研究飽和軟土中的預(yù)制樁經(jīng)過不同休止期后，樁身不同部位的側(cè)摩阻力及樁土相對(duì)位移隨時(shí)間的變化規(guī)律，分析了飽和軟土中摩擦樁時(shí)效性對(duì)承載力的影響。黃國強(qiáng)[9]在橋梁拓寬改造工程中對(duì)橋梁基礎(chǔ)沉降量計(jì)算方法進(jìn)行了研究，利用傳統(tǒng)的方法計(jì)算出了舊橋的總沉降量及工后沉降結(jié)果，結(jié)合新建橋的實(shí)際情況提出相應(yīng)處理辦法。但在考慮樁土相互作用的時(shí)效性方面所做工作中：（1）理論模型較為簡(jiǎn)化，如均質(zhì)各向同性彈性體，樁土無相對(duì)滑移，不考慮樁土的相互作用，不考慮土的多層性及土的非線性性質(zhì)等，與真實(shí)的情況相差較遠(yuǎn)，無法真實(shí)反映樁土體系的作用機(jī)制；（2）理論分析方法較為簡(jiǎn)單，如以簡(jiǎn)單的平衡方程或傳遞函數(shù)法作為理論推導(dǎo)的依據(jù)，或利用傳統(tǒng)的分析方法進(jìn)行計(jì)算分析；（3）所得理論結(jié)果缺少試驗(yàn)驗(yàn)證依據(jù)，多數(shù)僅僅與彈性理論解的計(jì)算結(jié)果作比較作為驗(yàn)證的依據(jù)，由于彈性理論解基于太多的簡(jiǎn)化假設(shè)，本身已經(jīng)是近似解，其精確性較差，用其作為驗(yàn)證依據(jù)具有很大的冒險(xiǎn)性。

李素華等[10-12]對(duì)復(fù)雜地基條件下基樁的承載性能時(shí)間和空間效應(yīng)進(jìn)行了系統(tǒng)性地分析和探討，利用剪切流變學(xué)模型，考慮樁土相對(duì)位移和多層土的復(fù)雜性，針對(duì)不同樁型（摩擦樁和端承型樁）的受力特點(diǎn)進(jìn)行了系統(tǒng)地研究，建立了一套復(fù)雜地質(zhì)條件下的樁土體系模型，得到基樁承載性能的時(shí)空效應(yīng)新理論，推導(dǎo)出樁的承載性能時(shí)間和空間效應(yīng)的理論解析解[13]。

由于地基條件的復(fù)雜性多樣性，巖土理論模型與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際狀態(tài)存在著較大的距離。為進(jìn)一步探討和了解建筑基樁真實(shí)的荷載和沉降時(shí)間效應(yīng)的機(jī)制，獲得長(zhǎng)期豎向荷載作用下單樁的沉降變化規(guī)律及樁土的力學(xué)性質(zhì)隨時(shí)間的變化趨勢(shì)，模擬計(jì)算合理適用的樁土體系力學(xué)參數(shù)，為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)提供可靠合理的依據(jù)，本文通過對(duì)某橋梁基礎(chǔ)工程樁進(jìn)行了9 d 的長(zhǎng)效靜載荷試驗(yàn)，獲得單樁承載力的設(shè)計(jì)參數(shù)以及單樁沉降隨時(shí)間的發(fā)展變化規(guī)律。將試驗(yàn)成果與文獻(xiàn)[13]所述樁的承載性能時(shí)間和空間效應(yīng)的理論解析解進(jìn)行分析擬合，獲得真實(shí)的樁土力學(xué)參數(shù)，得到該根試驗(yàn)樁長(zhǎng)效荷載作用下樁頂沉降的時(shí)間效應(yīng)解析解，試驗(yàn)成果揭示了樁頂長(zhǎng)效和短效荷載作用下樁土空間效應(yīng)和時(shí)間效應(yīng)的規(guī)律，作為該理論的進(jìn)一步研究和實(shí)踐應(yīng)用完善，為理論研究成果提供可靠的驗(yàn)證依據(jù)，可為房屋、市政、道路路橋等工程樁基設(shè)計(jì)和施工提供重要參考和指導(dǎo)，同時(shí)為解決路橋的工后運(yùn)營(yíng)期沉降控制提供科學(xué)合理的理論依據(jù)。

2 工程地質(zhì)概況

選取某橋梁工程樁作為試驗(yàn)樁。為了使試樁能反映最不利的情況，選取該橋的1#、3#橋墩附近處作為試樁位置，這兩處樁位的工程地質(zhì)土層包括較全的地質(zhì)土層，有很好的代表性，地質(zhì)資料見表1。

表1 試樁地質(zhì)資料Table 1 Geological data for tested piles

3 試 驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

對(duì)某工程2 根不同樁長(zhǎng)的單樁進(jìn)行了長(zhǎng)期的靜載荷試驗(yàn)，獲得單樁承載力的設(shè)計(jì)參數(shù)以及單樁沉降隨時(shí)間的發(fā)展變化規(guī)律。試驗(yàn)內(nèi)容包括：（1）單樁在可能設(shè)計(jì)荷載下的沉降量；（2）單樁沉降隨時(shí)間的發(fā)展規(guī)律；（3）各級(jí)荷載作用下樁周圍摩阻力隨深度的變化規(guī)律；（4）樁身軸力隨時(shí)間的變化規(guī)律。

3.2 試驗(yàn)方案

按照每跨沉降差50 mm 的設(shè)計(jì)要求，在沉降初步計(jì)算的基礎(chǔ)上，參考該地區(qū)樁基工程的一般經(jīng)驗(yàn)，將單樁的持力層分別放在層⑤1、⑤2上，如圖1 所示。選取1#和2#試驗(yàn)樁，設(shè)計(jì)樁徑均為800 mm，在試樁樁身每3 m 埋設(shè)1 組鋼筋計(jì)。根據(jù)試驗(yàn)的要求和試驗(yàn)的方案進(jìn)行單樁的靜載荷試驗(yàn)，試樁設(shè)計(jì)參數(shù)與施工參數(shù)（這里僅分析對(duì)該次試驗(yàn)的1#樁的試驗(yàn)及結(jié)果）見表2。

表2 試樁設(shè)計(jì)與施工參數(shù)Table 2 Parameters of as-built test pile

圖1 2 根試樁地層剖面圖（單位：m）Fig.1 Stratigraphic profile at two pile location(unit:m)

1#試驗(yàn)樁的試樁總荷載為1 320 kN，分為11 級(jí)加載，每級(jí)120 kN，實(shí)際的試驗(yàn)中堆載量為160 t。堆載平臺(tái)面積為5 m×6 m。全部荷載加完后，高約3.5 m。在規(guī)定的時(shí)間間隔讀取樁頂沉降量、鋼筋應(yīng)力計(jì)，位移與加壓系統(tǒng)采用樁基靜載荷測(cè)試分析系統(tǒng)，自動(dòng)采集數(shù)據(jù)，保證測(cè)試結(jié)果的可靠性。

4 試驗(yàn)成果與分析

為了實(shí)現(xiàn)路橋一體化設(shè)計(jì)，本次試驗(yàn)選取了2根樁進(jìn)行了長(zhǎng)達(dá)90 d 的長(zhǎng)效荷載試驗(yàn)，本文以1#試驗(yàn)樁為例，對(duì)其試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析和探討。

4.1 樁頂荷載與沉降

根據(jù)試驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)繪制Q-S、S-lgQ、S-lgt 曲線，判定單樁的極限承載力及可能持荷狀態(tài)受力下的單樁沉降特性。

確定極限承載力的依據(jù)：（1）根據(jù)沉降隨時(shí)間的變化特性確定極限承載力的方法，取S-lgt 曲線尾部出現(xiàn)明顯的向下彎曲的前一級(jí)荷載值為極限承載力；（2）根據(jù)沉降隨荷載變化的特性確定極限承載力，在Q-S 曲線上取第二拐點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的荷載。1#試樁的測(cè)試成果如圖2、3 所示。

4.2 樁身軸力分布特性

由圖3 可以看出，樁身軸力隨深度逐漸減小，在不同的土層中以不同的速率減少。1#試樁在最大加載量1 320 kN作用下樁端反力約占樁頂總荷載的7%左右，可見試樁在樁頂荷載作用下樁端阻力均較小，可以認(rèn)為是純摩擦樁。

4.3 樁側(cè)摩阻力分布特征

試樁的樁側(cè)摩阻力隨著荷載的增加，在不同的土層也逐漸的增加。1#試樁側(cè)摩阻力在各黏土層中的分布比較均勻，粉土層中的樁側(cè)摩阻力略大于黏土層的樁側(cè)摩阻力。1#試樁側(cè)摩阻力主要集中在-5～-15 m 的范圍內(nèi)，各級(jí)荷載作用下側(cè)摩阻力逐級(jí)遞增，且增長(zhǎng)速率基本相同。由圖4 可以看出，1#試樁的側(cè)摩阻力分布趨勢(shì)基本上呈兩端小、中間大的拋物線分布趨勢(shì)。

5 基樁承載性能時(shí)空效應(yīng)理論

假設(shè)樁為一維線彈性直桿，樁側(cè)阻力沿樁軸線成線性分布，樁土之間存在相對(duì)滑移，并滿足下列條件：（1）地基為N 層的分層介質(zhì)，其流變性質(zhì)滿足廣義黏彈性模型；（2）在樁土接觸面建立“極限剪切元”模型，該極限單元內(nèi)樁土作用的本構(gòu)關(guān)系設(shè)置為剪應(yīng)力與剪應(yīng)變的關(guān)系；（3）樁土相互作用關(guān)系（剪應(yīng)力或摩阻力與樁土相對(duì)滑移）滿足廣義黏彈性模型，樁端土的流變特征設(shè)置為黏彈性模型；（4）沿樁軸根據(jù)土的分層厚度劃分樁單元，結(jié)點(diǎn)位移沿軸向線性變化；（5）樁側(cè)各土層滿足線性黏彈性變形層模型。

聯(lián)立樁位移方程、土位移方程、樁土相對(duì)滑移關(guān)系和樁土廣義黏彈性本構(gòu)關(guān)系，假設(shè)樁周土為Kelvin 均勻黏彈性介質(zhì)，得出了樁土承載性能時(shí)間和空間效應(yīng)的解析解。

圖2 1#試樁測(cè)試曲線（單位：kN）Fig.2 Measured results for test pile #1(unit:kN)

圖3 1#樁樁身軸力分布Fig.3 Measured axial force distributions of test pile #1

圖4 1#試樁樁側(cè)摩阻力分布Fig.4 Measured shaft resistance distribution of test pile #1

圖5 樁頂沉降隨時(shí)間的變化趨勢(shì)圖Fig.5 Pile top settlement with time

式中：δ0為初始時(shí)刻樁頂沉降量，即t=0,δ(t)=δ0，δ∞為樁頂沉降趨于穩(wěn)定時(shí)的沉降量，即t→∞，δ(t)→δ∞，式（1）滿足黏彈性介質(zhì)的蠕變變化規(guī)律，其趨勢(shì)變化圖如圖5 所示。圖中，δ0、δ∞、Bi，b、c為推導(dǎo)過程中產(chǎn)生的中間參數(shù)，分別為反映樁土體系力學(xué)和幾何性能參數(shù)的函數(shù)。

6 單樁長(zhǎng)期沉降測(cè)試及理論分析

以沉降控制橋梁樁基設(shè)計(jì)的最終目的是達(dá)到橋坡的沉降和相鄰橋墩的沉降的協(xié)同，因此對(duì)橋梁樁基的長(zhǎng)期沉降預(yù)測(cè)顯得尤為重要?；诖?，對(duì)1#試驗(yàn)樁進(jìn)行了大于90 d 的荷載試驗(yàn)，如圖6 實(shí)線所示。

圖6 沉降隨時(shí)間變化曲線理論與試驗(yàn)結(jié)果比較Fig.6 Calculated settlements compared with test results

根據(jù)樁基承載性能時(shí)空效應(yīng)式（1）在荷載作用下樁身沉降表達(dá)式可簡(jiǎn)化為

假設(shè)在t=0時(shí)刻，樁頂沉降初始值為0，則式（2）可簡(jiǎn)化為

利用式（3）對(duì)所測(cè)工程樁的實(shí)測(cè)結(jié)果各點(diǎn)的沉降和時(shí)間的關(guān)系值進(jìn)行優(yōu)化反分析擬合，可獲得樁土體系參數(shù)以及樁頂沉降的理論解析式。

圖7為本次試驗(yàn)1#試驗(yàn)樁在105 d 荷載試驗(yàn)的實(shí)測(cè)和計(jì)算曲線。實(shí)線部分為長(zhǎng)效荷載作用下樁頂沉降隨時(shí)間的變化規(guī)律，曲線部分為利用樁基承載性能時(shí)空效應(yīng)式（3），經(jīng)過正反分析，擬合獲得的理論計(jì)算曲線。經(jīng)過優(yōu)化反分析擬合，獲得式（3）中的力學(xué)參數(shù)，該工程樁的沉降解析式為

式中：沉降的單位為mm；時(shí)間單位為d。

將本成果所擬合的曲線方程，對(duì)每根樁不同時(shí)刻的承載性能隨時(shí)間的變化規(guī)律進(jìn)行計(jì)算，并與實(shí)測(cè)曲線進(jìn)行比較，結(jié)果十分令人滿意。

7 結(jié) 語

利用現(xiàn)代測(cè)試分析技術(shù)，對(duì)某橋梁工程工程樁進(jìn)行了長(zhǎng)效荷載試驗(yàn)研究，獲得在樁頂荷載作用下基樁承載性能的空間效應(yīng)機(jī)制以及樁的位移和樁土力學(xué)參數(shù)隨時(shí)間的變化規(guī)律。長(zhǎng)效荷載試驗(yàn)結(jié)果及工后沉降觀測(cè)結(jié)果均表明，樁在工后豎向荷載作用下沉降隨著時(shí)間變化而變化，即樁土作用機(jī)制和基樁承載性能具有明顯的時(shí)間相關(guān)性即時(shí)間效應(yīng)。

對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行理論計(jì)算分析，獲得長(zhǎng)期荷載作用下單樁沉降隨時(shí)間的變化規(guī)律（公式）關(guān)系。本成果應(yīng)用于路橋的一體化設(shè)計(jì)，解決了橋頭的跳車問題，還可以用于基樁設(shè)計(jì)時(shí)考慮時(shí)間效應(yīng)，預(yù)測(cè)位移隨時(shí)間的變化趨勢(shì)，為確?；A(chǔ)的工后穩(wěn)定性提供理論依據(jù)。

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