沈 斌，張東權(quán)，劉 旭，周華東

（1.上海奉賢建設(shè)發(fā)展（集團(tuán)）有限公司，上海市 201400；2.河海大學(xué)，江蘇南京 210098；3.上海匯壹土木工程技術(shù)有限公司，上海市 202150）

0 引言

塑料套管混凝土樁（TC樁）作為一種以國(guó)外Augeo樁技術(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合國(guó)內(nèi)沉管管樁施工工藝而發(fā)展起來的一種新樁型樁，是一種不會(huì)由于振動(dòng)擠土斷樁、成樁質(zhì)量可靠、對(duì)周圍環(huán)境影響小，施工快速方便的新型小直徑地基處理方法[1,2,3]，在江浙滬地區(qū)已有廣泛的應(yīng)用。但為進(jìn)一步擴(kuò)大TC樁的應(yīng)用范圍，提高其單樁承載力及樁身穩(wěn)定性。近些年衍伸開發(fā)出了在原有TC樁樁身豎向間隔設(shè)置圓形受力盤，形成帶受力盤的塑料套管混凝土樁（簡(jiǎn)稱帶受力盤TC樁），以達(dá)到擴(kuò)大TC樁有效樁徑的目的。帶受力盤TC樁作為一種新型的地基處理方法，在國(guó)內(nèi)正處于初級(jí)推廣階段，尚未對(duì)它進(jìn)行專門的理論研究。其主要的創(chuàng)新在于受力盤的使用，類似于支盤樁但受力機(jī)理及荷載傳遞機(jī)制與支盤樁存在明顯的區(qū)別[4]。由于軟土地基特殊性[5]，長(zhǎng)期以來對(duì)軟土工程性質(zhì)及其處理技術(shù)的研究始終是熱點(diǎn)之一[6,7]。帶受力盤TC樁在軟基處理中的技術(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)越性已得到工程實(shí)踐的驗(yàn)證[8]，但在軟土地基中的受力變形機(jī)理尚未深入系統(tǒng)研究。研究其在軟土地基下合理的受力盤尺寸、受力盤承載力發(fā)揮機(jī)制、受力盤TC樁荷載傳遞機(jī)制、路堤變形及穩(wěn)定等科學(xué)技術(shù)問題，進(jìn)一步改進(jìn)施工工藝，建立適宜上海軟土地基帶受力盤TC樁實(shí)用設(shè)計(jì)計(jì)算理論，對(duì)其作為路堤樁的適用性、經(jīng)濟(jì)合理性進(jìn)行評(píng)價(jià)、分析和對(duì)比，積累設(shè)計(jì)和施工經(jīng)驗(yàn)，具有重要的理論及實(shí)踐價(jià)值。

1 工程概況

試驗(yàn)場(chǎng)地位于上海市奉賢區(qū)奉浦大道道路建設(shè)工程橋頭處理段，根據(jù)工程地質(zhì)勘查報(bào)告可知，該場(chǎng)地地勢(shì)較平坦，地貌類型屬濱海平原相。根據(jù)本次勘察資料，場(chǎng)地地基土在勘察深度范圍主要由飽和粘性土、粉性土、砂土組成，場(chǎng)地主要位于正常沉積區(qū)，局部受古河道切割，暗綠色硬土層缺失。擬建場(chǎng)地揭示9大土層，共19個(gè)亞層，由上至下發(fā)育土層主要為：

①1填土、②褐黃～灰黃色粉質(zhì)粘土、③灰色淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、③t灰色粘質(zhì)粉土夾粉質(zhì)粘土、④灰色淤泥質(zhì)粘土、⑤1灰色粘土、⑤2灰色粉砂夾粘性土、⑤3灰色粉質(zhì)粘土、⑤4灰綠色粉質(zhì)粘土、⑥草黃～灰綠色粉質(zhì)粘土、⑦1草黃～灰綠色砂質(zhì)粉土、⑦2-1灰黃色粉砂、⑦2-2灰色粉砂、⑧2灰色粉質(zhì)粘土與砂質(zhì)粉土互層、⑨1灰色粉砂、⑨2灰色細(xì)砂。其中②、③、④、⑤層土為Q4沉積物，⑥、⑦、⑧層土為Q3沉積物。

2 試驗(yàn)方案

針對(duì)路堤荷載下帶受力盤TC樁受力及變形機(jī)理，本次試驗(yàn)分別進(jìn)行了樁身受力分析、沉降性狀、荷載分擔(dān)比的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究。通過埋設(shè)鋼筋應(yīng)力計(jì)研究帶受力盤TC樁在路堤荷載下樁身軸力及樁側(cè)摩阻力隨樁身深度的變化規(guī)律；埋設(shè)分層沉降管及表面沉降板觀測(cè)帶受力盤TC樁處理段工后沉降變化；分別在蓋板上與蓋板間間埋設(shè)土壓力盒研究路堤荷載下樁土應(yīng)力比。

3 結(jié)果分析

3.1 樁身受力分析

對(duì)于帶受力盤TC樁，在豎向荷載作用下，樁體通過樁端阻力、樁側(cè)摩阻力、受力盤端阻力將荷載傳遞到樁身范圍的土體中，樁頂荷載沿樁向下逐漸傳遞到土體中，樁身軸力逐漸減小，樁頂?shù)某两盗繛闃渡韷嚎s量和樁尖底部土體的壓縮量之和。研究和分析樁基在工作荷載下的工作狀態(tài)，對(duì)樁身的軸力分布及樁身側(cè)摩阻力進(jìn)行研究是非常有必要的，因此在試驗(yàn)過程中在樁身埋設(shè)鋼筋應(yīng)力計(jì)來測(cè)得樁身受力情況，同時(shí)樁側(cè)摩阻力也可以從測(cè)得的樁身軸力求得。

樁身軸力隨深度變化曲線見圖1，可以看出隨著深度增加樁身軸力逐漸減小，并且隨著深度增加樁身軸力減小的速度呈現(xiàn)加大趨勢(shì)，這說明樁頂荷載主要傳遞到了深部地基土中。從圖1中還可以看出，在樁身10 m受力盤處軸力發(fā)生突變。分析其原因可能為：路堤荷載作用下帶受力盤TC樁樁身發(fā)生軸向彈性壓縮變形以及樁端刺入土體變形，樁與樁尖土體通過摩擦作用傳遞荷載，樁與土共同作用各自承擔(dān)不同比例的外部荷載作用；豎向荷載沿樁身向下傳遞過程中必須克服樁側(cè)摩阻力，樁側(cè)摩阻力為正值時(shí)，樁身軸力隨深度非線性遞減，樁側(cè)摩阻力為負(fù)值時(shí)，樁身軸力隨深度非線性遞增，由于帶受力盤TC樁受力盤端阻力的存在，使得在受力盤位置處樁身負(fù)側(cè)摩阻力大大增加，樁身軸力隨之增加。

圖1 樁身軸力隨深度變化曲線圖

從圖2可以看出，側(cè)摩阻力隨著路堤荷載的增加逐漸發(fā)揮出來，沿樁身深度呈現(xiàn)先增大后減小區(qū)間變化，在受力盤位置處發(fā)生突變側(cè)摩阻力達(dá)到最大值10.0 kPa左右。分析其原因可能為：受力盤的引入使得上部荷載更加均勻的傳遞到了不同深度的地基土，使得側(cè)摩阻力沿樁身不同程度的發(fā)揮，其中在受力盤附近樁側(cè)摩阻力變化最為明顯。從圖還可以看出沿樁身有負(fù)側(cè)摩阻力存在，分析其原因可能是：在路堤荷載作用下，當(dāng)荷載引起樁周土體下沉量大于樁身下沉量時(shí)，沿樁身將產(chǎn)生樁側(cè)負(fù)摩阻力。

圖2 樁側(cè)摩阻力隨深度變化曲線圖

3.2 樁土應(yīng)力比

3.2.1 路堤填筑荷載下蓋板上與蓋板間應(yīng)力變化規(guī)律

從圖3可以看出隨著路堤荷載的填筑，蓋板間不同位置的應(yīng)力都迅速增加，位于蓋板中心位置的土壓力在填土加荷70 d時(shí)應(yīng)力達(dá)到峰值102 kPa，然后趨于穩(wěn)定，應(yīng)力向樁體發(fā)生轉(zhuǎn)移。圖4所示為樁間距3 m土壓力隨路堤土填筑變化曲線圖，可以發(fā)現(xiàn)隨著路堤土的填筑蓋板中和蓋板間土壓力基本不變，而蓋板左側(cè)土壓力迅速增加。分析其原因可能是：土壓力盒是在澆注蓋板時(shí)放置，埋設(shè)于蓋板里面，蓋板混凝土在凝固過程產(chǎn)生體積收縮，由于不均勻收縮導(dǎo)致蓋板向左側(cè)發(fā)生傾斜，隨著路堤土的填筑，上部荷載的增加，傾斜現(xiàn)象越來越明顯，最終導(dǎo)致蓋板左側(cè)土壓力盒所受壓力迅速增加，蓋板中和蓋板間土壓力盒所受壓力變化緩慢不明顯，但是在路堤土填筑初期可以發(fā)現(xiàn)蓋板中土壓力明顯大于蓋板間土壓力。通過研究分析圖3可以得出：在路堤土填筑加荷過程中，從蓋板間三個(gè)不同位置的應(yīng)力變化規(guī)律來看，組樁中位于蓋板中心位置處應(yīng)力最大。

圖3 2 m間距土壓力隨填土荷載變化規(guī)律

圖4 3 m間距土壓力隨填土荷載變化規(guī)律

3.2.2 路堤填筑荷載下樁土應(yīng)力比的變化規(guī)律

與樁筏基礎(chǔ)相比，路堤樁以蓋板代替樁頂筏板，并采用較大樁距。它的實(shí)質(zhì)是使柔性路堤下剛性樁復(fù)合地基盡可能的發(fā)揮樁基礎(chǔ)的功效，最大限度的發(fā)揮剛性樁的承載優(yōu)勢(shì)，以減小路堤沉降和不均勻沉降。蓋板的設(shè)置使樁土應(yīng)力比這一概念了有了不同的含義，蓋板與樁體之間是剛性連接，也是樁的一部分，所以蓋板上應(yīng)力與樁間土應(yīng)力的比值以及樁頂應(yīng)力與樁間土應(yīng)力的比值都可以稱作樁土應(yīng)力比。圖5和圖6分別為這兩種不同樁間距的應(yīng)力比隨路堤填土荷載的變化規(guī)律。

圖6 3 m樁間距樁土應(yīng)力比隨填土荷載的變化規(guī)律

從圖5樁土應(yīng)力比變化曲線可以看出，路堤填土加載初期，荷載主要由樁承擔(dān)，樁土應(yīng)力比值隨填土荷載增加而增加，在隨后的加載中，比值上下波動(dòng)，呈鋸齒形增大，反映了墊層在后期加載中對(duì)樁土應(yīng)力比的不斷調(diào)整，或者說是帶受力盤TC樁間歇式樁頂上刺和樁尖下刺的反映。這時(shí)土承擔(dān)的應(yīng)力隨孔隙水壓力的消散和固結(jié)變形而下降，墊層將土的壓應(yīng)力減小的一部分調(diào)節(jié)給樁承擔(dān)，樁承擔(dān)了增加的荷載，當(dāng)荷載積聚到一定值時(shí)，會(huì)產(chǎn)生相對(duì)的滑動(dòng)，造成樁頂和樁尖再次發(fā)生刺入變形，增大了刺入量，這樣把荷載重新傳給樁間土，這個(gè)過程不斷反復(fù)就造成了樁土應(yīng)力比值的不斷波動(dòng)，這種波動(dòng)一般在填土加荷后還要持續(xù)一段時(shí)間，隨著路堤土填筑的完成變化幅度逐漸減小，最終趨于穩(wěn)定。而圖6則沒有明顯的鋸齒形增大趨勢(shì)，主要是因?yàn)闃堕g土壓力變化緩慢且平穩(wěn)，所以導(dǎo)致樁上應(yīng)力和樁間應(yīng)力比值變化趨勢(shì)不同于圖5。對(duì)比圖5和圖6還可以發(fā)現(xiàn)采用2 m樁間距樁土荷載分擔(dān)比例要比3 m樁間距均勻。

3.3 工后沉降監(jiān)測(cè)

如圖 7Q-S曲線所示，可以看出路堤土填筑前30 d沉降迅速增加，隨著上部荷載的增加，沉降繼續(xù)增加，但沉降速率開始減緩，最終趨于穩(wěn)定。從圖中還可以看出，前6個(gè)月最大累計(jì)沉降量達(dá)到105 mm，后三個(gè)月累計(jì)沉降量為7 mm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于前期的沉降量，這主要是因?yàn)椋菏┕で捌冢返掏猎诟郊討?yīng)力和自重應(yīng)力作用下發(fā)生固結(jié)，土體下沉量大；在竣工后前幾個(gè)月內(nèi)，路堤土還沒有完全固結(jié)穩(wěn)定，在上部車輛荷載作用下，土體下沉量依然很大，隨著時(shí)間的推移，路堤土逐漸固結(jié)穩(wěn)定，帶受力盤TC樁承載力完全發(fā)揮效應(yīng)，沉降速率開始減緩，最終趨于穩(wěn)定。上述結(jié)果表明，經(jīng)過帶受力盤TC樁加固處理后，路基沉降得到有效控制，總沉降量不大，能滿足設(shè)計(jì)要求，說明帶受力盤TC樁處理軟基加固效果較好。預(yù)壓期結(jié)束后，采用受力盤TC樁處理的橋頭路段、橋頭過渡段和一般路段月沉降速率均滿足5 mm/月的要求。

圖7 Q-S曲線圖

4 結(jié)論

（1）結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)不同期間測(cè)得的相關(guān)數(shù)據(jù)對(duì)帶受力盤TC樁復(fù)合地基處理軟基的實(shí)際效果以及其在路堤荷載作用下的承載性狀做了初步分析。測(cè)試結(jié)果表明在路堤荷載下，帶受力盤TC樁樁身存在負(fù)摩阻力，且在荷載填筑前期和后期均存在；

（2）路堤下的沉降數(shù)據(jù)表明經(jīng)帶受力盤TC樁加固處理后，路基沉降量得到明顯控制，滿足工后月沉降速率小于5 mm的要求；

（3）在路堤填筑荷載作用下，樁土應(yīng)力比呈鋸齒形增加，樁土存在應(yīng)力轉(zhuǎn)移過程，應(yīng)力基本由樁體承擔(dān)，通過側(cè)摩阻力和盤端阻力傳遞給深層地基土體。

本文雖然通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)分析研究了在路堤荷載下帶受力盤TC樁受力及變形機(jī)理，而相關(guān)理論研究還需進(jìn)一步探討。

[1]陳永輝,齊昌廣,王新泉,等.塑料套管混凝土樁單樁承載特性研究[J].中國(guó)公路學(xué)報(bào),2012,25(3)：51-59.

[2]蘇杰.塑料套管現(xiàn)澆混凝土樁新型地基處理方式的試驗(yàn)研究[D].江蘇南京：河海大學(xué),2008.

[3]CHEN Yong-hui,CAO De-Hong,WANG Xin-quan,etc.Field Study of Plastic Tube Cast-in-Place Concrete Pile[J].Journal of Central South University of Technology,2008,15(s2)：195-202.

[4]盧成原,孟凡麗,吳堅(jiān),等.不同土層對(duì)支盤樁荷載傳遞影響的模型試驗(yàn)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2004(20)：3547-3551.

[5]張軍輝.不同軟基處理方式下高速公路加寬工程變形特性分析[J].巖土力學(xué),2011(4)：1216-1222.

[6]徐林榮,牛建東,呂大偉,等.軟基路堤樁-網(wǎng)復(fù)合地基試驗(yàn)研究[J].巖土力學(xué),2007(10)：2149-2154,2160.

[7]袁燈平,黃宏偉,程澤坤.軟土地基樁側(cè)負(fù)摩阻力研究進(jìn)展初探[J].土木工程學(xué)報(bào),2006(2)：53-60,84.

[8]陳永輝,王新泉,劉漢龍,等.塑料套管混凝土樁及其加固處理軟土地基的方法[P].中國(guó)：200910024639.2,2009.