余建飛 張 靜 楊石飛

(1.浙江石油化工有限公司， 浙江舟山 316021； 2.上海勘察設計研究院(集團)有限公司， 上海 200093)

為緩解沿海地區(qū)人地矛盾，我國大面積填土擴展工程日益增多，新近填土下常常分布有深厚軟土層諸如淤泥質土。深厚軟土含水量高、壓縮性高、滲透性差，在附加應力作用下，軟土固結過程持續(xù)時間長，固結沉降在地基沉降中占主要部分。近年來樁基礎由于良好的受荷特性而作為建筑物基礎日趨普遍，在大面積填土場地深厚軟土中興建基礎設施，一旦樁周土體沉降大于樁身沉降，將產生負摩阻力[1]，進而增加作用于樁身的豎向荷載，如果在工程設計中未考慮負摩阻力的影響，將會不同程度地引起樁基礎的附加沉降以及建筑結構的不均勻變形，進一步增大樁端變形甚至引起樁身的破壞[2-5]。

目前，國內外學者針對樁基負摩阻力的形成機理及發(fā)展規(guī)律、影響因素、計算理論及減摩措施等進行了一系列探究[6-14]，張建新等進行了軟黏土中單樁模型試驗，模擬樁周土逐級加荷沉降，基于超孔壓、土體沉降及樁身軸力變化實測數據，分析軟黏土進入次固結階段時樁側負摩阻力及樁身中性點位置的變化情況[15]；周為采用粉砂、細砂、粗砂作為填土的模型材料，設計了11組室內模型試驗，研究新近填土中樁的負摩阻力[16]；王殿龍等針對不同壓實度填土場開展基樁承載性狀模型試驗，研究不同壓實度填土對基樁負摩阻力的影響[17]；Walker等通過鋼管樁負摩阻力現場試驗發(fā)現：單樁周圍3 m高的地面堆載可使樁周地基產生35 mm的沉降，產生的負摩阻力足以發(fā)展到18 m的深度[18]；馬時冬對某高速公路中橋橋臺的28 m長的鋼筋混凝土灌注樁進行了樁身應力、應變和樁周土分層沉降測試，其填土高4.5 m，淤泥層厚度約13 m；[19]Indraratna等在曼谷軟土中進行預應力空心管樁基負摩阻力長期測試，其填土厚度為2 m[20]；葉觀寶等基于Indraratna試驗建立單樁有限元分析模型，研究大面積填土場地工程中摩擦樁下拉荷載和中性點的影響因素[21]；肖俊華等基于日本、加拿大和泰國的現場實測結果，采用雙曲線擬合下拉荷載與時間的關系[22]。調研表明：近年來，通過室內模型試驗對軟黏土或新近填土中樁基負摩阻力特征進行了初步研究，國內外學者積累了一定的填土作用下軟土地層中樁基負摩阻力現場實測數據，一些學者基于現場實測結果開展了負摩阻力影響因素數值模擬和理論分析?？傮w而言，大面積填土場地深厚軟土中樁基負摩阻力研究偏少，尤其是以樁基工程原型試驗作為評價負摩阻力的現場試驗資料很少。

舟山某石化基地工程填土厚度最高約15 m，堆載預壓卸土后填土厚度仍可達10 m左右，下臥的流塑、軟塑狀軟弱土層最大厚度達50 m，具備大面積填土、深厚軟土的典型場地特征，張浜申采用離心模型試驗和有限元數值模擬研究持力層對中性點位置影響[23]；方越基于樁身應力測試研究堆填過程中樁基持力層不同，中性點位置的變化情況[24]。為考慮樁基受荷工況為堆載預壓卸土后土體長期固結作用，以該工程項目為依托，采用懸吊法[25]直接測試卸土后不同樁長的下拉荷載隨時間變化數值，分析下拉荷載與樁土相對位移及樁土相對位移速率的相關關系，研究負摩阻力系數與中性點計算方法，并應用于該工程樁基承載力驗算，以期為今后同類工程提供參考。

1 試驗場地巖土工程狀況

1.1 依托工程概況

舟山某石化基地二期工程總用地面積約450萬m2，二期工程場區(qū)呈由島側向海域傾斜，泥面標高為+0.700～-7.300 m，吹填砂至標高+2.000 m，形成出水陸域，分區(qū)陸上打設塑料排水板，正方形布置，間距為1.2 m，插板頂標高為+2.000 m，插板底標高-28.000 m，采用回填開山石進行堆載預壓處理地基，場地分為11個地塊，試驗區(qū)域位于地塊9，堆載頂標高為+10.000 m，待具備卸載條件后卸載整平至標高+4.800 m，形成最終陸域。

1.2 場地地質條件

場地屬于海島前緣濱海淤積灘涂和水下淺灘地貌，地勢總體較平整，局部稍有起伏。地層主要為第四紀海相沉積的軟弱土、沖洪積形成的含黏性土礫石、砂土及風化層。地下水位標高為±0.000 m，天然泥面以下埋深30～50 m以內均為流塑—軟塑淤泥質粉質黏土或粉質黏土，淤泥質粉質黏土呈流塑狀，壓縮性高，且塑料排水板尚未打穿，在大面積、高填方作用下排水固結時間長，卸載后土體繼續(xù)發(fā)生沉降，此時，施工樁基礎，一旦樁周土沉降大于樁身沉降，樁基承擔下拉荷載，即產生負摩阻力，因此，亟需研究卸載后工后沉降對樁基摩阻力的影響。地塊9卸載整平至標高+4.800 m后，地基土層主要物理力學參數如表1所示。

表1 地基土層主要物理力學參數

2 下拉荷載試驗方案

2.1 試驗樁設計

下拉荷載試驗將水平橫梁兩端架設于反力樁上，試樁成樁后頂端懸吊在橫梁中間，并安裝測力裝置。

試驗目的在于測試大面積填土后樁土相對位移引起樁身承擔下拉荷載隨時間的變化規(guī)律，并基于平均負摩阻力實測值和有效應力法研究負摩阻力系數和中性點位置。為此，在試驗場地打設5根試樁(D2、D4、D5、D6、D8)，以4根持力層進入粉砂層的樁基(Q1、Q3、Q7、Q9)作為反力樁，預應力管樁參數如表2所示。架設5根雙拼反力梁，反力樁呈正方形布置，樁間距為8 m，試樁布設在四邊中點及斜對角線中點，各試樁樁頂安裝錨索計測定荷載，錨索計安裝位置如圖1所示，試驗樁平面布置如圖2所示。

表2 預應力管樁參數

圖1 錨索計安裝

圖2 現場試驗布置平面

2.2 測試儀器和測點布置

試驗監(jiān)測目的在于測試樁土相對位移及樁基下拉荷載，包括地表沉降和反力樁樁頂沉降監(jiān)測、錨索計測讀。地表沉降采用埋設沉降板，沉降板由底板與金屬測桿垂直焊接而成。樁頂沉降布設8 cm帶帽鋼釘于反力樁樁頂。錨索計選用JTM-V1800系列振弦式錨索測力計，可通過測量四個方向軸力值獲取平均值，并具備測溫功能。

試驗區(qū)域兩邊及中心位置共布置3個地表沉降測點，反力樁樁頂布設4個樁頂沉降測點，試樁樁頂共安裝5個錨索測力計，具體測點布置如圖2，監(jiān)測時長共60 d，監(jiān)測頻率為每5 d進行1次。

3 現場試驗情況

3.1 試驗設備安裝

根據下拉荷載試驗方案，現場施工試樁和反力樁，在試樁樁頂焊接鋼板，吊裝并架設型鋼反力梁，安裝錨索測力計，做好樁號標記；埋設地表沉降板和設置樁頂沉降標；最后做好試驗現場保護，試驗區(qū)域向外圍擴展15 m范圍設置硬圍。

3.2 試驗期間現場工況

試驗開始于4月中旬，歷時2個月，試驗期間四周進行強夯和打樁，南側4月下旬卸土，北側5月初進行靜載試驗。強夯和打樁情況如表3所示。

表3 試驗期間現場強夯和打樁工況

4 監(jiān)測結果分析

4.1 地表沉降

5月底，地表沉降達到最大值10.45 mm，之后由于北側、東側在距離試驗區(qū)域20～50 m范圍進行打樁，地表隆起，地表沉降速率最大達0.58 mm/d，實測曲線見圖3。

—D2(30 m)-北側； —D5(40 m)-中間；—D8(20 m)-南側。

4.2 樁頂沉降

西側(Q1、Q7樁)樁頂最大沉降達4 mm，樁頂沉降速率變化為0.2～0.32 mm/d；東側(Q3、Q9樁)在5月中旬后，打樁距離試驗區(qū)域越來越近，最近約20 m，樁頂出現抬升，實測曲線見圖4。

—Q1(西北)； —Q3(東北)； —Q7(西南)；—Q9(東南)。

4.3 下拉荷載

軸力測力計剛安裝完成，螺栓擰緊后產生一定的松弛，壓力減小，軸力測力計第2次測值為負值，在此期間地表沉降增量很小，下拉荷載以第2次測值為初始值計算增量。隨著時間增長，樁周土體沉降大于樁身沉降，試樁承受下拉荷載，軸力測力計受壓為正，最大值約100 kN，實測曲線見圖5。

—H8(20 m)-南側； —H6(25 m)-東側； —H2(30 m)-北側； —H4(35 m)-西側； —H5(40 m)-中間。

5 試樁負摩阻力分析

5.1 相關性分析

試驗最大下拉荷載不超過100 kN，型鋼變形可忽略，即樁土相對位移等于地表沉降減去反力樁樁頂沉降，對下拉荷載與樁土相對位移的相關關系進行分析，如圖6～8。

—樁土相對位移； ---樁土相對位移趨勢線；—下拉荷載； —·下拉荷載趨勢線。

—樁土相對位移； ---樁土相對位移趨勢線；—下拉荷載； —·下拉荷載趨勢線。

—樁土相對位移； ---樁土相對位移趨勢線；—下拉荷載； —·下拉荷載趨勢線。

根據表2，試驗期間現場工況可分為三個階段：1)4月中旬—5月上旬，以強夯施工為主(簡稱“工況1”)；2)5月中旬—5月下旬，在距離試驗區(qū)域較遠范圍(200～300 m)打樁(簡稱“工況2”)；3)5月底—6月中旬，在距離試驗區(qū)域較近范圍(20～50 m)打樁簡稱“工況3”)。根據圖6～8，可見20，30，40 m試樁具有相同的規(guī)律：

1)“工況1”。樁土相對位移增大，下拉荷載增大，兩者呈正相關。

2)“工況2”。樁土相對位移增速變小，下拉荷載增速減小更為顯著，表明下拉荷載與樁土相對位移速率有關。

3)“工況3”。樁土相對位移減小(回彈)，下拉荷載減小。

為進一步探究下拉荷載與樁土位移速率的相關關系，見圖9～11，可見20，30，40 m試樁具有相同的規(guī)律：

—樁土相對位移速率； ---樁土相對位移速率趨勢線；—下拉荷載； —·下拉荷載趨勢線。

1)“工況1”。樁土相對位移速率維持在較大值0.3～0.6 mm/d時，下拉荷載增長較快，20，30，40 m試樁最大下拉荷載分別約50，70，35 kN。

2)“工況2”。樁土相對位移速率降低至0.1～0.2 mm/d，下拉荷載整體幾乎保持不變，20，30，40 m試樁最大下拉荷載分別約52，77，31 kN。

3)“工況3”。樁土相對位移速率減小，甚至回彈，下拉荷載減小。

—樁土相對位移速率； ---樁土相對位移速率趨勢線；—下拉荷載； —·下拉荷載趨勢線。

—樁土相對位移速率； ---樁土相對位移速率趨勢線；—下拉荷載； —·下拉荷載趨勢線。

根據下拉荷載與樁土相對位移速率關系分析，工況2樁土相對位移沉降速率減小，下拉荷載增長速率減小，甚至不變。為進一步探究下拉荷載變化速率與樁土相對位移速率的關系，繪制圖12，可見，下拉荷載相對樁土相對位移速率變化具有滯后特性。采用階段平均速率進行分析：

圖12 下拉荷載變化速率與樁土相對位移速率關系(20 m，南側)

1)“工況1”。樁土相對位移速率為0.3～0.6 mm/d，下拉荷載平均變化速率為1.3～2.6 kN/d；

2)“工況2”。樁土相對位移速率為0.1～0.2 mm/d，下拉荷載平均變化速率趨于零。

5.2 負摩阻力及系數、中性點計算

為研究不同時刻的下拉荷載與樁長的關系，繪制圖13，可見20～30 m試樁下拉荷載隨著樁長的增加而增加，30～40 m試樁下拉荷載隨著樁長的增加而減小，據此，初步判定中性點位置位于標高-20.000 m(樁長25 m)～-25.000 m(樁長30 m)。

—4/26； —5/21； —5/26； —5/31。

Johannessen等通過研究發(fā)現樁側負摩阻力的大小與樁周土體的豎向有效應力成正比關系，并以此提出了有效應力法[26]。JGJ 94—2018《建筑樁基技術規(guī)范》[27]即采用有效應力法來計算樁基負摩阻力值：

qsi=ζiσ′i

(1)

式中：qsi為第i層土樁側負摩阻力標準值；ξi為樁周第i層土負摩阻力系數；σ′i為樁周第i層土平均豎向有效應力。

試驗通過設置不同樁長試樁，采用懸吊法測定樁側的平均負摩阻力，推求不同地層的負摩阻力及中性點位置。根據場地地層條件試樁深度范圍內可分為填土和軟弱土層(粉質黏土、淤泥質粉質黏土)，分析步驟如下：

1)計算20，25 m試樁填土層和軟弱土層的平均豎向有效應力，以填土層和軟弱土層的負摩阻力系數ξ1、ξ2為變量，建立20，25 m試樁填土層和軟弱土層的樁側負摩阻力標準值表達式：

(2)

2)選擇計算時刻，根據實測20，25 m試樁的下拉荷載Qg(20)和Qg(25)，聯立方程組(式(3))，求解ξ1、ξ2：

(3)

3)假設30 m試樁全長均承受負摩阻力，試算下拉荷載(式(4))，若計算結果大于30 m試樁實測下拉荷載，表明中性點位于標高-20～-25 m(試樁受力如圖14)，樁頂實測下拉荷載為中性點以上負摩阻力引起的下拉荷載與中性點以下正摩阻力引起的上抬力之差：

圖14 試樁受力示意

11.38σ′1ζ1+18.42σ′2(30)ζ2=Qg(30)/(πd)

(4)

4)根據試樁與地層的相對位置，40 m試樁樁端位于②3a，靠近樁端的正摩阻力較小，因此通過30，35 m試樁下拉荷載差值，估算正摩阻力q(式(5))：

(35-30)qπd=Qg(30)-Qg(35)

(5)

5)假設中性點與填土層層底的距離為H，根據30 m試樁實測下拉荷載(式(6))求得H，即確定中性點位置。

(18.42-H)q=Qg(30)/(πd)

(6)

根據上述計算方法，求解不同時刻的負摩阻力系數、中性點位置及填土層、軟弱土層的負摩阻力均值，如表4所示。

表4 負摩阻力及系數、中性點

1)隨著時間增長，負摩阻力系數逐漸增大，表明負摩阻力在逐漸發(fā)揮，且上部土層(填土)比下部土層(軟土)增長較快，因土體沉降由下而上逐漸累計，但遠小于正摩阻力極限值。

2)隨著時間增長，中性點深度逐漸增大，約在標高-24～-25 m。

3)地表沉降速率較小，且較快減小至0.2 mm/d以下，負摩阻力幾乎不再增長，下拉荷載小于極限狀態(tài)。

5.3 負摩阻力綜合安全系數法

根據JGJ 94—2008，按較為不利的端承樁驗算樁基承載力，單樁承載力特征值R1應滿足式(7)的要求：

(7)

式中：Quk為單樁豎向極限承載力標準值，可由靜載試驗確定；K1為安全系數，取值2。

此外，樁身強度考慮下拉荷載，單樁承載力特征值R2應滿足式(8)的要求：

(8)

式中：R為樁身軸心受壓承載力設計值。

負摩阻力綜合安全系數法即單樁承載力特征值不小于單樁豎向極限承載力標準值除以綜合安全系數。單樁承載力特征值R3應滿足式(9)的要求：

(9)

式中：K2為綜合安全系數，對該項目取值2.2～2.5。

此外，對樁身強度進行同比驗算，單樁承載力特征值R4應滿足式(10)的要求：

(10)

舟山某石化基地二期工程根據負摩阻力綜合安全系數法確定單樁承載力特征值建議值。根據下拉荷載試驗，負摩阻力系數填土取0.025，軟土取0.006，樁頂標高和中性點深度分別按+4.8，-25.0 m考慮，根據不同樁徑的管樁估算其承擔的下拉荷載，按JGJ 94—2008驗算單樁承載力特征值建議值滿足JGJ 94—2008的要求，見表5，表明該項目負摩阻力綜合安全系數法取值2.2～2.5可滿足工程應用需求。

表5 樁基承載力驗算結果

6 結束語

通過現場試驗研究了堆載預壓卸載后，隨著時間變化，不同樁長試樁的下拉荷載與樁土相對位移以及樁土相對位移速率關系的變化規(guī)律，結論如下：

1)下拉荷載不僅受樁土相對位移影響，同時與樁土相對位移速率相關，在樁土相對位移速率0.3～0.6 mm/d時，最大下拉荷載約70～80 kN，當樁土相對位移速率降低至0.1～0.2 mm/d時，下拉荷載趨于穩(wěn)定。

2)隨著時間增長，負摩阻力及系數有一定程度增長，但負摩阻力遠小于正摩阻力極限值，中性點深度也逐漸增大，至一定深度后趨于穩(wěn)定(標高-25.000 m)。

3)根據下拉荷載實測數據反演負摩阻力系數及中性點深度，進而估算不同樁徑預應力管樁的下拉荷載，驗算綜合安全系數取值2.2～2.5時，建議單樁承載力特征值滿足工程要求。