粉土地基中超长桩负摩阻力时间效应的研究

【摘要】为研究粉土地基中超长桩负摩阻力时间效应，在桩周土堆载固结条件下，采用模拟试验检测粉土体随堆载时间固结沉降及桩土产生的相对位移，确定桩侧负摩阻力随时间的变化规律和端阻力随时间的变化规律，借助桩身-轴力曲线推知中性点的位置及其变化情况，对桩基础的工程实践有一定指导意义。

【关键字】粉土地基；超长桩；负摩阻力；时间效应

1.引言

粉土在堆载固结、地下水下降等条件下，桩周土可能产生大于桩体的竖向位移，从而导致桩侧产生负摩阻力，可能造成桩端地基的屈服、桩身破坏、结构物不均匀沉降等不利影响。因此，考虑桩侧负摩阻力对桩基础的作用是桩基础设计必不可少的问题之一[1-3]。近年来，国内外开展了一系列关于桩基础负摩阻力性状的模型试验研究，周国庆等利用室内模型试验分析了单桩负摩阻力与饱和中砂融化沉降位移的关系[4]。国内学者虽然取得了一定的研究成果，但在桩周堆载条件下负摩阻力的时间效应明显，对粉土中超长桩负摩阻力时间效应研究鲜有报道。

本文在土体表面堆载固结沉降条件下对粉土地基中超长桩的负摩阻力性状进行室内研究，并分析桩侧负摩阻力、桩端阻力以及桩周土体沉降随固结时间的变化情况，揭示了桩身下拽力及中性点位置随时间的变化规律。

2.模型试验装置及试样制备

2.1模型箱的制备

模型箱净空尺寸（长宽高）为1.51.52m，箱壁为厚度2mm的铁皮，用角钢作加劲肋强化，能较好约束侧向变形；箱内壁喷漆处理，减少试验土与箱壁摩擦所造成的影响，降低边界效应。

2.2超长桩模型的制备

采用外径50mm 的PVC管做为浇注模型桩的模具，壁厚2mm；先将PVC管沿纵轴线方向剖成两半，放入预先编制好的钢筋笼，钢筋笼内配置4根直径3mm的R235钢筋，钢筋通过一定间距的箍筋绑扎；然后将PVC管重新黏合，并做防渗处理；混凝土强度等级为C30；桩长2000mm，直径46mm，长径比43.5，满足超长桩的要求。

2.3试验用土的选择

选择开封地区典型的黄泛区粉土作为试验用土，除去其中的杂质，并对试验用土进行土工试验，测取土的物理力学指标参数。土的物理力学指标参数如表1所示。

表 1 试验用土物理力学指标参数

含水率

密度

弹性模量

粘聚力

内摩擦角

3.872 1.605 17.633 15.447 21.4

2.4检测器材及布置

沿桩身按一定距离对称粘贴规格为BX120-15AA胶基箔式应变片，共布置8对16个，布置位置如图1所示；利用CM-2B型静态电阻应变仪检测桩身各测点应变的变化；桩端埋置微型土压力盒，利用CM-2B型静态电阻应变仪可测得桩端阻力的变化；使用百分表测量桩顶及桩周土的沉降。

图1 各测点（1～8）布置图

2.5桩顶加载装置及安装

采用特大直径的螺纹钢制作杠杆，利用杠杆原理对桩顶施荷，杠杆的力臂比为1：7.8，等效作用力1.03kN；杠杆短臂与伺服加载仪下端的传立柱接触，由于作用力不大，传立柱的变形可忽略不计；杠杆的长臂端通过托盘悬挂砝码施压，从而通过杠杆原理可对桩顶施加持续稳定地作用力。

3. 研究方法及过程

3.1 模型箱内土体的填筑

模型箱底部粉土持力层厚度28cm，分三层填筑并夯实；将贴有应变片的模型桩安放在设定位置上，桩端埋置微型土压力盒，并沿桩深一定位置埋设若干个微型土压力盒以采集相关数据；将土压力盒和应变片的导线依次连接CM-2B型静态电阻应变仪；最后填筑粉土土样。

3.2 试验过程

埋设完成后，静置24h后记录初始数据，然后开始利用砝码在杠杆托盘上进行分级加荷载，参考JGJ-08建筑桩基技术规范快速维持荷载法[7]，每隔15min加一级荷载，每级荷载记录六组数据；桩顶加载完后，在粉土层表面铺一层木板，在桩周围木板上加砝码（如图4所示），使堆载强度达到7.5kPa，待粉土层固结沉降，测定土层随时间的沉降变化及桩侧负摩阻力和桩端阻力随粉土层固结的变化；当各测值趋于稳定时，结束试验并对桩顶荷载卸载。

4. 模型试验结果及分析

4.1 桩顶荷载对桩顶沉降的影响规律

桩顶荷载与桩顶沉降Q-S曲线如见图2所示：

图2 桩顶沉降曲线

由图2知，桩顶加载到最大值3.99kN，桩顶沉降达到最大值，沉降量为21.65mm；由于桩顶加载量较小，桩体基本处于弹性阶段而远未达到破坏阶段，故而Q-S曲线近似成线性关系。

4.2堆载固结过程中桩端阻力值时间效应

堆载固结过程中桩端阻力值时间效应F-T曲线如图6所示：

图 3 堆载过程桩端阻力

由图3知：试验条件下，桩顶荷载保持不变，桩端阻力先大致保持不变，随后开始升高。这是因为在桩周土开始加载后，土中的孔隙水压力开始逐渐减小，有效应力逐渐增大，导致土层的压缩变形量逐渐变大，当土的压缩量大于桩的沉降量时产生的负摩阻力使桩端阻力开始变大。

4.3 桩身轴力随桩体深度变化规律

桩身轴力随桩体深度变化F-h曲线 见图4所示：

图4 桩身-轴力关系曲线

由上图7知：

（1）沿桩身长度桩身轴力先变小后变大，最终趋于变小；

实验中上层桩周土较密实，压缩变形量较小，使桩的沉降大于桩周土的沉降量，对桩身产生正摩阻力，使桩身轴力减小。在75cm以下部分，土体

（2）随着时间的增加，桩身轴力逐步增大；

随着时间的增加，在土顶堆载的作用下，土的有效应力逐渐增加，使土的压缩量逐步增大，负摩阻力的增加产生较大的下拽力，使桩身轴力逐渐增大。

（3）在150cm以下处桩身轴力趋于某一值，变化较小；

5. 结语

（1）粉土地基中在桩周堆载作用下超长桩侧负摩阻力的发挥存在明显的时间效应，随着桩周土体固结沉降，桩侧负摩阻力值不断增加并趋于稳定。

（2）在对超长桩桩身轴力的分析中，由于超长桩桩身较长的特性，摩阻力沿着桩长逐渐累积的特点显著，表现为超长桩具有多个中性点。

参考文献：

[1]黄强.桩基工程若干热点技术问题[M].北京：中国建材工业出版社，1996.

[2]孔纲强，杨庆等.考虑时间效应的斜桩基负摩阻力室内模型试验研究[J].岩土工程学报，2009，31（4）：617-621.

[3]张晓健.现浇混凝土薄壁管桩负摩阻力特性试验研究与分析[D].南京：河海大学，2006.

[4]周国庆，杨维好.中砂融沉位移与单桩负摩阻力关系的试验研究[J].中国矿业大学学报，1999.28（6）：535-538. [5JGJ08-08建筑桩基技术规范[S].