劉廣宇，熊 力，李國維，趙星宇，周 洋

(1.廣東潮汕環(huán)線高速公路有限公司，廣東 汕頭 515041；2.河海大學(xué) 道路與鐵道工程研究所，江蘇 南京 210098； 3. 河南工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，河南 鄭州 450001)

0 引言

剛性樁(如CFG樁、PHC樁以及大直徑薄壁筒樁等)已在軟基處理中廣泛使用[1-8]。然而相關(guān)研究和案例表明，很多工況下傳統(tǒng)剛性直桿樁并不能滿足工程安全需要。例如莫景逸等[9]發(fā)現(xiàn)當(dāng)深厚軟基的上覆硬殼層較薄或缺失的情況下，PHC管樁基礎(chǔ)的沉降過大、過快，最大沉降將近2 m，最大水平位移達(dá)384 mm。另外，劉吉福等[10]發(fā)現(xiàn)，即使?jié)M足穩(wěn)定性驗(yàn)算的情況下，軟土發(fā)生沿樁繞流對基樁產(chǎn)生水平推力，容易誘發(fā)直桿樁地基失穩(wěn)。孫訓(xùn)海等[11]通過現(xiàn)場原位試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)剛性樁地基樁的承載力發(fā)揮與基礎(chǔ)剛度呈正相關(guān)。工程上常采用增加樁長、縮小樁徑、增大樁截面積以及設(shè)置樁帽等方式增加樁承荷載占比，但此類手段工程造價(jià)過高。

支盤樁是在直桿異形樁同深度處擴(kuò)盤形成的變截面異性樁，常用于房建基礎(chǔ)或橋梁樁基中，相比于直桿樁具有諸多優(yōu)勢。張明霞等[12]通過室內(nèi)試驗(yàn)，利用PIV技術(shù)觀察軸向荷載作用下支盤樁樁周土體位移場變化規(guī)律。結(jié)果表明，與等截面直桿樁相比，支盤樁通過增大樁周土體變形位移場范圍，減小土體變形位移場強(qiáng)度，從而提高了樁基承載能力。王伊麗等[13]采用數(shù)值分析手段，對擠擴(kuò)支盤樁豎向承載特性進(jìn)行系統(tǒng)分析，研究表明，相對直桿樁，擠擴(kuò)支盤樁具有承載力高、沉降小的特性。Abbas等[14]通過室內(nèi)模型對比研究單盤、雙盤支盤樁與直桿樁的承載性能，結(jié)果表明支盤樁承載性能受盤徑、盤數(shù)及盤周土性狀影響較為明顯，相同樁長時(shí)支盤樁承載力明顯高于直桿樁；Kumar等[15]通過有限元模擬分析了支盤樁抗拔性能，結(jié)果表明添加盤體可改善樁的荷載沉降/變形行為，提高樁體抗拔性能。

模型試驗(yàn)受限于尺寸效應(yīng)且不能考慮現(xiàn)場復(fù)雜的地質(zhì)條件和邊界條件，很多學(xué)者進(jìn)行了現(xiàn)場試驗(yàn)研究。鞠彥忠等[16]依托實(shí)際工程和ABAQUS有限元模擬等手段對2×2(正方形布設(shè))擠擴(kuò)支盤群樁承載力規(guī)律進(jìn)行了研究，研究結(jié)果表明在極限狀態(tài)下支盤端承和樁身側(cè)摩阻力占總承載力的80%左右。楊建平等[17]以及陳飛等[18]通過現(xiàn)場原位單樁靜載試驗(yàn)研究樁身荷載傳遞規(guī)律，發(fā)現(xiàn)在荷載等級較小時(shí)，支盤樁樁身內(nèi)力分布規(guī)律與等截面樁相似，隨著荷載等級的提高支盤承載性能逐漸發(fā)揮，在極限狀態(tài)下支盤承載占比可達(dá)70%以上。然而，當(dāng)前支盤樁原位試驗(yàn)基本局限于單樁荷載傳遞機(jī)理或者小范圍正方形布設(shè)的群樁(如4聯(lián)群樁)承載效應(yīng)等方面，且涉及利用地梁連接的帶帽型復(fù)合支盤樁地基承載力特性的現(xiàn)場研究研究未有報(bào)道。

本研究依托潮汕環(huán)線高速公路項(xiàng)目，在臨近路段對采用地梁-帶帽支盤樁和地梁-帶帽管樁加固地基進(jìn)行對比試驗(yàn)，重點(diǎn)對填土荷載下兩種加固地基方式的沉降、路基頂面樁-土應(yīng)力比、樁-土荷載分擔(dān)比、支盤樁樁身荷載傳遞規(guī)律進(jìn)行比較研究，以求多維地評價(jià)支盤樁聯(lián)合地梁對深厚軟土地基的處理效果，為后續(xù)相關(guān)支盤樁地基設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

1 工程概況

1.1 場地條件

試驗(yàn)依托于潮汕環(huán)線高速項(xiàng)目，試驗(yàn)場地位于牛田洋區(qū)域內(nèi)的河溪互通標(biāo)段。牛田洋地區(qū)位于榕江下游入?？谔?，陸地主要由近代圍墾形成，區(qū)域內(nèi)分布有大量農(nóng)田和魚塘，全區(qū)域分布有一層厚為10～20 m的淤泥質(zhì)軟土，對工程建設(shè)尤為不利。根據(jù)試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)的鉆孔資料，地層分布情況為：素填土，層厚1.4 m，灰黃色，濕，松散，主要由粉質(zhì)黏土、砂、碎石組成；淤泥，層厚10.6 m，灰黑色，飽和，流塑，土質(zhì)均勻，富含腐殖質(zhì)，味臭；粉質(zhì)黏土，層厚9.2 m，灰黃、紅色，底部含有較多砂粒；粗砂，層厚1.7 m，灰黃色，飽和，中密，分選性差，含較多黏粒；粉質(zhì)黏土，層厚4.1 m，灰黃色，可塑，土質(zhì)均勻；中砂，層厚5.4 m，灰黃色，飽和，中密，分選性差，含較多黏粒，含少量礫石；粉質(zhì)黏土，黃紅、灰白色，可塑，土質(zhì)較均勻，局部含少量粗礫砂。土層具體物理力學(xué)參數(shù)見地質(zhì)概況簡圖(圖1)。

圖1 試驗(yàn)場地地質(zhì)概況(單位：m)Fig.1 Geological condition of test site (unit: m)

1.2 地基加固方案

本試驗(yàn)場地采用帶有樁帽的支盤樁進(jìn)行地基加固，并利用地梁將相鄰樁體進(jìn)行連接。支盤樁樁長32.8 m，樁徑0.6 m，設(shè)置3盤1支，六星支中心處深度為20 m，上盤中心處深度為23.6 m，中盤中心處深度為26.8 m，底盤中心處深度為30 m(見圖2)。盤徑1.4 m，采用梅花型(正三角形)布置，樁間距4 m，等效單樁處理圓直徑為4.2 m。地梁厚度為60 cm，寬度為60 cm。樁體、樁帽、地梁施工完畢，鋪設(shè)一層薄素填土對場地進(jìn)行找平后鋪設(shè)一層土工格柵，土工格柵安裝在土壓力傳感器上方。堆載施工采用分級填筑，模擬工程堆載情況。

1.3 儀器安裝埋設(shè)

本現(xiàn)場試驗(yàn)選取由7根樁組成的正六邊形試驗(yàn)單元為研究對象，為了獲得各項(xiàng)力學(xué)數(shù)據(jù)，單元內(nèi)安裝各類測力計(jì)(包含孔壓計(jì))。具體安裝位置如下：

(1)樁身軸力測量。將光纖光柵傳感器封裝在樁內(nèi)縱向主筋中，每個(gè)監(jiān)測斷面按正交方向埋設(shè)4枚傳感器，取4枚傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值作為該斷面的實(shí)際內(nèi)力，減少偏心和混凝土不均引起的誤差。光纖光柵傳感器具體布設(shè)位置見圖2。

圖2 樁身內(nèi)力傳感器沿深度布設(shè)(單位：m)Fig.2 Layout of internal force sensors on pile body along depth (unit: m)

(2)樁頂荷載測量。采用振弦式錨索測力計(jì)制作軸力計(jì)，軸力計(jì)直徑60 cm(等于樁徑)，高40 cm。安裝時(shí)先截?cái)?5 cm樁頭并進(jìn)行平整，覆蓋5 cm細(xì)砂找平，軸力計(jì)安裝好后覆土至與地表齊平。樁頂軸力計(jì)(ZD)具體布設(shè)平面位置見圖3。

(3)填土下荷載測量。為減小應(yīng)力集中對土壓力監(jiān)測數(shù)據(jù)的影響，傳感器預(yù)先澆注在35 cm×35 cm×8 cm的混凝土基座中，傳感器與地基之間用細(xì)砂找平，保證測量精度。土壓力計(jì)分別布設(shè)在樁帽以上(TT1,TT2,TT3)、地梁以上(TT4,TT5)及樁間中心處(TT6)，具體布設(shè)平面位置見圖3。

圖3 支盤樁試驗(yàn)段傳感器布置Fig.3 Layout of sensors in test part of SBP

2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

2.1 樁身軸力變化情況

通過光纖光柵傳感器測量數(shù)據(jù)計(jì)算而來的樁身內(nèi)力沿深度變化曲線見圖4。隨著堆載的施加樁身軸力明顯增加，軸力曲線在土層交界處和支盤上下界面出現(xiàn)轉(zhuǎn)折。然而，可以明顯地從圖中看出樁身軸力在各個(gè)深度處的增長趨勢有顯著差異。第2次荷載施加以后，樁身軸力僅在六星支以上增長明顯，并在六星支處發(fā)生明顯拐點(diǎn)。此結(jié)果表明六星支以上樁體側(cè)摩阻力快速增加，且六星支也發(fā)揮了明顯的承載作用。第3次荷載施加以后，六星支和上盤之間，上盤和中盤之間軸力也有一定程度增長，但這兩段軸力曲線近乎豎直，說明此段內(nèi)樁側(cè)摩阻力幾乎為0，軸力主要源自于上盤和中盤的承載作用?？傮w上，堆載施加結(jié)束后，六星支和上盤的承載及以上土層的摩阻力承擔(dān)了75%左右的堆載負(fù)荷。另外，就本試驗(yàn)項(xiàng)目而言，中盤和下盤承載力幾乎沒有發(fā)揮承載作用，極限承載力還有很大余量，可以繼續(xù)承擔(dān)路面鋪設(shè)和交通荷載引起的附加應(yīng)力。

圖4 支盤樁樁身軸力變化曲線Fig.4 Curves of axial force in SBP

2.2 樁-土荷載分擔(dān)比

圖5是樁頂(樁帽下)軸力隨時(shí)間變化曲線。從圖中可知，樁頂軸力對填土荷載響應(yīng)及時(shí)，每次填土荷載都能相應(yīng)地引起軸力的迅速升高。由施工方案可知，單樁處理范圍等價(jià)于半徑2.1 m的圓形，等效處理面積約13.8 m2。假設(shè)填土重度為20 kN/m3，則單位厚度的填土可在單樁處理區(qū)域內(nèi)施加約280 kN 的荷載。

圖5 支盤樁樁頂荷載變化曲線Fig.5 Curves of loading on SBP top

利用圖5數(shù)據(jù)，可計(jì)算樁頂對上部荷載的分擔(dān)比例，如圖6所示。從樁土荷載分擔(dān)比曲線可以看到，荷載初期(如填土高度小于2.5 m)，支盤樁承擔(dān)荷載隨著填土荷載的增加而增加，說明土拱逐漸形成、土拱效應(yīng)逐漸明顯。在加載后期，樁土荷載分擔(dān)比基本穩(wěn)定在80%左右，繼續(xù)填筑荷載樁土荷載分擔(dān)比變化不大。結(jié)果表明填土荷載幾乎由樁承擔(dān)，樁間土只承受少量荷載，土體壓縮量得以控制在很小范圍，地梁-樁帽-支盤樁的復(fù)合結(jié)構(gòu)是有效的荷載承載體系。

圖6 支盤樁荷載分擔(dān)比Fig.6 Sharing ratio of loading on SBP

2.3 填土下土壓力分布

圖7和圖8是樁帽及地梁上土壓力隨時(shí)間的變化曲線。首先，路基表面(填土下)土壓力和填土荷載變化規(guī)律一致，但是各位置處的土壓力大小有所不同。樁帽上部土壓力范圍為300～400 kPa，地梁上部中心處土壓力范圍為200～300 kPa，而樁間位置土壓力在50～100 kPa。將樁帽上、地梁上和樁間土給位置處的土壓力進(jìn)行算術(shù)平均，并計(jì)算各自承擔(dān)荷載的占比，最終繪制出累加柱狀圖。從圖8可以清楚地看出，樁帽和地梁以上共同承載了80%左右的填土荷載，且這些荷載最終傳遞到樁體上。這一結(jié)論和上節(jié)中，80%的荷載由樁身承擔(dān)的結(jié)論相互驗(yàn)證。其中，堆載初期，樁帽上部荷載占比35%～39%，地梁上部占比27%～34%；堆載后期，樁帽上部荷載占比41%～43%左右，地梁上部占比37%～38%左右。總之，樁帽地梁是承擔(dān)填土荷載的主要結(jié)構(gòu)。

圖7 填土下土壓力變化曲線Fig.7 Curves of earth pressure under fill

圖8 支盤樁地基各部位承載比例Fig.8 Load bearing ratio of each part of SBP

3 管樁地基承載力對比

3.1 管樁參數(shù)及堆載方案

在鄰近路段相同地質(zhì)條件下PHC管樁處理段路基中部進(jìn)行沉降監(jiān)測。管樁樁徑0.4 m，設(shè)計(jì)樁長32 m，樁間距2.8 m，正方形布樁，樁頂同樣采用樁帽地梁一體澆注連接成整體，地梁厚度為30 cm，寬度為30 cm。PHC管樁對比試驗(yàn)段施工期總填土高度為3.5 m，監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)見圖9。

圖9 管樁試驗(yàn)段傳感器布置Fig.9 Layout of sensors in test part of pipe pile

3.2 結(jié)果與討論

圖10顯示的是PHC管樁樁頂(樁帽下)承擔(dān)荷載隨著填土荷載變化的曲線。對比支盤樁同一位置處的荷載變化曲線，可知堆載結(jié)束之前，二者的變化規(guī)律是一致的。然而堆載結(jié)束后不久，PHC管樁頂部荷載瞬間下降了約95 kN，降低幅度約30%。原因可能為樁頂承受較大荷載后樁土界面產(chǎn)生蠕變滑動，荷載緩慢分擔(dān)到樁間土上。蠕變發(fā)展到一定階段樁土界面發(fā)生局部剪切破壞，樁端沉降加速，土拱被破壞路基頂面荷載重新分布，此時(shí)樁間土承擔(dān)較大的荷載。出于安全考慮，筆者決定終止PHC管樁處理區(qū)堆載試驗(yàn)，堆載高度確定為3.5 m。

圖10 管樁樁頂荷載變化曲線Fig.10 Curves of loading on pipe pile top

圖11管樁樁頂荷載分擔(dān)比隨填土荷載變化的曲線。在填土階段，隨著筋膜效應(yīng)發(fā)揮和土拱的形成，樁頂荷載分擔(dān)比迅速增加，并穩(wěn)定在70%之間，此時(shí)大部分的填土荷載由樁頂直接承擔(dān)。在管樁發(fā)生沉降加速后，樁頂荷載分擔(dān)比也迅速減小，最終穩(wěn)定在40%，這一數(shù)值遠(yuǎn)小于支盤樁的80%。支盤樁的承載力性能優(yōu)于直桿型PHC管樁

圖11 管樁荷載分擔(dān)比Fig.11 Sharing ratio of loading on pipe pile

圖12是填土下表面處的位于樁帽上部(TT1)、地梁上部(TT2)以及樁間土(TT3)3個(gè)不同位置的土壓力曲線。土壓力的整體趨勢和支盤樁一致，隨著填土荷載的增加而增大，且樁帽承擔(dān)荷載大于地梁大于樁間土。然而，加載后期，各位置處的土壓力分布與支盤樁有巨大差異。PHC樁帽上荷載有所減少，同時(shí)樁間土荷載有所增加；另外，仔細(xì)觀察可知地梁上部荷載也有略微下降。此結(jié)果可能由于土拱結(jié)構(gòu)的破壞或者樁體沉降過大引起。圖13是各位置處的荷載承擔(dān)累加比例柱狀圖。與支盤樁不一致的是管樁地基中樁間土的承載量占比有明顯上升，而地梁的承載量占比明顯下降。

圖12 填土下土壓力變化曲線Fig. 12 Curves of earth pressure under fill

圖13 管樁地基各部位承載比例Fig.13 Load bearing ratio of each part of pipe pile foundation

4 結(jié)論

本研究依托潮汕環(huán)線高速公路項(xiàng)目，對梁式帶帽型支盤樁地基進(jìn)行了現(xiàn)場堆載試驗(yàn)研究，并與PHC管樁地基進(jìn)行對比分析。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果得出以下結(jié)論：

(1)由樁身軸力可知，六星支和上盤及以上土層摩阻力承擔(dān)了75%左右的堆載負(fù)荷，中盤和下盤承載力幾乎沒有發(fā)揮承載作用。

(2)荷載初期土拱效應(yīng)明顯，支盤樁隨著填土荷載增加而增加。加載后期，樁土荷載分擔(dān)比穩(wěn)定在80%左右。填土荷載幾乎由樁承擔(dān)，地梁-樁帽-支盤樁的復(fù)合結(jié)構(gòu)是有效的荷載承載體系。

(3)堆載結(jié)束時(shí)，支盤樁樁帽上部荷載占比42%左右，地梁上部占比37%左右。樁帽地梁是承擔(dān)填土荷載的主要結(jié)構(gòu)。

(4)堆載初期，支盤樁和管樁頂部荷載承擔(dān)規(guī)律一致；堆載后期，PHC樁土界面產(chǎn)生蠕變滑動、土拱被破壞，路基頂面荷載重新分布，最終樁頂荷載分擔(dān)比為40%，遠(yuǎn)小于支盤樁的80%。