南宁软岩地基大直径灌注桩极限承载力预测

( 1. 广西大学 a.土木建筑工程学院；b.广西防灾减灾与工程安全重点实验室，南宁 530004； 2.桂林理工大学广西岩土力学与工程重点实验室，广西桂林 541004； 3.中国市政工程西北设计研究院有限公司，兰州 730000)

南宁市下伏泥岩粉砂岩地基具有显著的浸水崩解软化特性，使得该地基大直径灌注桩承载力难以确定。依托南宁市火车东站南广场高架平台工程软岩互层地基大直径灌注桩项目，对该工程2根群桩基桩进行了静载试验研究。针对试验中试桩未达到破坏其极限承载力难以确定问题，采用指数函数拟合法和数值反演分析法来预测其荷载沉降性状和极限承载力，并进行对比分析。结果表明：软岩互层地基桩基荷载沉降性状为缓变型，表现出端承摩擦桩的特性，可用指数函数来描述试桩受荷性状,并结合数值反演分析来预测其极限承载力，目前常用的桩基设计方法低估了该地基中基桩的承载力。

灌注桩；静载试验；极限承载力预测；指数模型；数值反演分析

1 研究背景

南宁软岩地基具有显著的浸水崩解软化特性[1]，使得该地基中大直径灌注桩承载力受泥浆护壁机械旋挖等施工扰动的影响较大而难以确定。Randolph[2](2003)曾指出在预测多种多层土地基中桩基竖向承载力时其精度可能永远不能达到±30%，需依靠在早期建设阶段进行桩基试验来优化最终设计(通常是变更桩基嵌入长度，但也可能会改变桩径或桩的数量)。Comodromos等[3](2009)认为桩基载荷试验在岩土工程评估和结构优化中发挥着不可代替的重要作用。《建筑桩基检测技术规范》(JGJ 106—2014)[4]也指出单桩抗压静载试验是公认的检测基桩竖向抗压承载力最直观、最可靠的传统方法，单桩竖向抗压静载荷试验与桩的实际受力情况最相近，其结果是分析竖向抗压单桩受荷性状的可靠依据。

然而，在实际试验中，常由于某种原因(如受设备加载能力限制)致使试桩未达到破坏就终止加载而使其极限承载力难以确定。故笔者此次采用静载荷法，对南宁市东站南广场高架平台2根群桩基桩进行试验研究，为分析泥岩粉砂岩互层地基中大直径灌注桩的承载性能提供依据；同时通过指数函数拟合法，预测试桩的荷载沉降性状；此外，结合数值反演分析法所得到的结果与指数函数拟合法进行比较，分析试桩承载性能。

2 工程概况与现场试验

2.1 工程概况及试桩场地地质条件

南宁市火车东站南广场高架平台工程场地地貌为邕江第二、第三阶地及陇状低丘地形地貌，场区内地表岩土层主要为填土、第四系残积成因的粉质黏土，其下第三系泥岩粉砂岩互层与粉砂岩层交互出现(见图1)。该高架平台工程桩基采用机械旋挖灌注桩，桩端持力层为中风化粉砂岩或中风化泥岩与粉砂岩互层，桩身采用C30混凝土，桩径均为1.2 m，桩间距均为3.1 m。试桩编号分别为P1和S1。其中，P1为2×2群桩基桩，桩长为27 m；S1为2×1群桩基桩，桩长为24 m。设计要求单桩承载力特征值分别不小于3 500 kN和3 100 kN。

根据该场地土工试验和原位测试成果及本地区经验，结合该场地岩土工程勘察报告，该工程场地各地层的主要物理力学性质见表1。

层号地层名称直接快剪黏聚力c/kPa摩擦角φ/(°)重度/(kN·m-3)泊松比v膨胀角Ψ/(°)压缩模量Es0．1-0．2/MPa侧阻特征值/qsi/MPa端阻特征值qp/MPa地基承载力特征值fk/MPa①素填土4．005．5019．50．35—5．00——80②杂填土5．008．0019．20．35—5．60——90③粉质黏土48．8913．9020．20．30—11．8090—200④强风化泥岩粉砂岩互层80．3919．1020．60．273．515．20100—400⑤强风化粉砂岩层100．0019．0020．70．2510．516．70100—400⑥中风化泥岩粉砂岩互层142．5228．3221．40．244．526．531101100600⑦中风化粉砂岩层160．0020．0021．60．2313．524．901101100600

2.2 现场试验概况

试桩P1设计极限承载力为7 000 kN，试桩S1设计极限承载力为6 200 kN。对该工程中的2根基桩进行静载试验，加载过程，P1为10级加载(每一级荷载增量为700 kN)，S1为9级加载(由于操作原因，每一级荷载增量也为700 kN)。采用2台量程为5 MN的液压千斤顶并联加载，最大堆载为8 400 kN(极限承载力的1.2倍施加荷载)，采用电动油泵供油。位移量测采用调频防水位移量测传感器架在桩侧4个位移量测平台上并固定于基准桩上。加卸载控制和位移量测利用RS-JYC静载测试系统自动控载和自动采集数据并自动绘制Q-S曲线。其他试验要求和加载及卸载方式按照《建筑基桩检测技术规范》(JGJ 106—2014)[4]有关规定严格执行。

3 试验结果分析

3.1 试桩荷载-沉降曲线分析

通过试验可得到南宁火车东站南广场高架平台工程试桩P1和S1的荷载-沉降曲线(见图2)。

由图2可知：试桩P1和S1的荷载-沉降曲线均表现为缓变型，在工作荷载作用下，试桩P1的沉降量仅为3 mm，试桩S1的沉降量也仅为7 mm，以试桩Q-S曲线上在工作荷载作用下对应的点割线斜率作为试桩的刚度，则其刚度分别为1.17，0.46 MN/mm。在试验最大荷载作用下，试桩P1和S1的沉降量分别为18.07，36.58 mm，沉降值均较小，但加载达到试验设备加载极限，故终止加载；加载至最大试验荷载后再分级卸载至0 kN，试桩P1和S1的残余沉降量分别为9.56，20.39 mm，总回弹量分别为8.51，16.19 mm，回弹率分别高达47.1%，44.3%。由此表明，在相对较小的荷载水平(指相对于桩的极限承载力而言)下，试桩P1和S1的荷载-沉降曲线均表现为缓变型，且试桩桩周土层较好。2根试桩均可认为在最大试验加载作用下，并未达到破坏，试桩均未达到其真实的极限荷载，真实极限荷载大于设计的极限荷载，设计偏于保守。

3.2 试桩极限承载力预测

桩的极限承载力往往与桩顶下沉量有关[5]，根据规范[4]，对于Q-S曲线呈缓变型的大直径灌注桩，可取桩顶沉降量为桩径的5%所对应的荷载值为试桩极限承载力。按照该标准，本文试桩至少需要加载到60 mm方可判定，这对于工程检测性试桩往往难以实现，因此，对于本文未达到破坏的试桩，利用沉降控制法无法确定其极限承载力。

为了较为准确估算尚未达到破坏的试桩的实际极限承载力，可假定试桩的Q-S曲线的表达式为某一数学方程，然后根据试验数据确定出该假定方程的系数和常数项，再由外推法估算试桩的极限承载力。

相关研究[6-9]表明，指数函数法能较恰当地描述垂直荷载下桩的变形性状，可用于试桩极限承载力预测。指数函数法还具有较高的预测精度和较好的预测稳定性，其预测结果精度随最大加载值增加而提高，尤其是对端阻力较大的桩的极限承载力推算结果与实测值吻合较好[10-13]。因此，可采用指数函数来对本文2根试桩的试验数据进行拟合，假定试桩Q-S曲线符合下述指数函数,即

图3为采用指数函数模型对2根试桩荷载-沉降曲线加载段的拟合结果。由图3可知，拟合曲线与试验数据点的拟合度很好，试桩P1和S1的曲线拟合系数R2分别为0.996 07和0.998 07，均接近于1，证明了采用指数函数来拟合的正确性。

根据试验数据拟合结果，Q-S曲线均为缓变型，以桩顶沉降量为桩径的5%对应的承载力值作为试桩的极限荷载[4]，则试桩P1和S1的极限承载力分别为10.65 MN和8.2 MN，比其预估极限承载力分别高出3.65 MN和2.0 MN，其百分比分别为52%和32%。由此可见，用指数函数法确定试桩的极限承载力是可行的，同时也说明该设计相对比较保守。

4 数值反演分析

为进一步分析该地基桩基受荷特性及证明指数函数拟合法预测试桩荷载沉降特性和极限承载力的合理性，拟借助FLAC3D建立三维弹塑性数值模型对基桩P1静载试验进行数值反演分析进行验证。

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4.1 数值模型建立与模拟过程

为了较为准确地描述在荷载作用下桩土间的相互作用，桩-土界面采用不共节点的接触面单元模拟。土体和桩均采用实体单元。参照有关学者[3,14-15]的计算经验并经试算，确定本文模型尺寸60 m×60 m×56 m(长×宽×高),见图4。根据试桩P1所处地层建立互层地基2×2无承台群桩模型，共59 696个单元，64 158个节点。模型下边界为固定边界，侧边界为滚轴边界，上边界为自由边界。

土体采用Mohr-Coulomb模型，接触面则采用可以描述桩-土相互接触界面在剪应力作用下滑移与分离的Coulomb剪切滑移模型，桩基采用C30钢筋混凝土,按弹性模型考虑，其弹性模量和泊松比分别为30 GPa和0.2，重度为25 kN/m3。岩土材料参数取自室内试验和地勘报告(见表2)。

桩-土接触面参数取值的准确性是准确反映桩-土相互作用的关键。Comodromos等[16](2005)认为切向刚度ks的取值应该大于107kPa/m，更高的取值只减缓数值计算速率，而对数值计算结果没有影响。因此，本文模型接触面刚度取kn=ks=108kPa/m。Potyondy[17](1961)和Acer等[18](1982)的研究结果均表明，桩-土接触面的摩擦角δ对摩擦桩承载性能的影响至关重要，并建议对黏土中的摩擦桩宜取δ=(0.6～0.7)φ′(φ′为桩侧土的有效内摩擦角)。陈育民等[19](2008)指出，对于模拟桩-土的相对滑移与分离情况，接触面的摩擦参数(黏聚力c、摩擦角δ、膨胀角Ψ和抗拉强度t)显然要比接触面的刚度参数重要得多，对于现场浇筑的灌注桩，其接触面的摩擦参数可以取为桩侧土层对应参数值的0.8倍，然后根据现场试验数据进行适当调整。要准确确定大直径灌注桩桩-土接触面参数需要做大量的现场试验，在试验条件不允许的情况下，可根据现场静载试验数据进行反演分析，最终确定桩-土接触面各参数取为桩侧土层对应参数值的0.75倍(见表2)。

(1) 初始地应力平衡计算。首先视桩基为土体，让模型在自重作用下进行地应力平衡计算，获得初始地应力场，然后改变桩基材料属性(即视桩基为C30混凝土)，再进行地应力平衡。

(2) 荷载施加。在经过自重平衡计算之后，清除位移场和速率场，只保留应力场。加载按照实际试验加载等级和加载序列仅在基桩P1桩顶逐级施加荷载。每级荷载施加后计算至平衡即桩沉降稳定之后，再施加下一级荷载。因此，在本文数值模拟中，对试桩加载至最大试验荷载之后，不仅可以按试验情况进行卸载及再加载计算，也可以在对试桩加载至最大试验荷载之后继续进行加载计算直至试桩极限荷载。

4.2 数值反演结果分析

由图5可知：在加载阶段前期(1.4～4.9 MN)，数值模拟中桩的沉降较试验结果略大，这是因为堆载法静载试验加载过程中由于桩侧堆载减小(土体卸荷)而使桩侧土体部分回弹导致该试验方法夸大了试桩的刚度[20]所致；加载阶段后期(4.9～7.7 MN)，两者吻合很好；在卸载阶段(7.7～10 MN)，两者变化规律相似，吻合较好，数值计算的桩顶竖向位移回弹曲线沉降值较试验回弹曲线沉降值稍小，是由于试桩在桩顶卸载过程中桩侧堆载增加使得桩侧土体沉降致使试桩试验回弹量减小。由以上分析可知，本文数值分析模型合理可靠，计算参数准确。

再比较图5中指数函数拟合曲线与数值计算结果曲线。在初始加载阶段，数值计算结果的沉降量稍微偏大，在接近最大试验加载阶段，两者与试验值均吻合很好；在后期预测阶段，指数函数曲线比数值计算结果更为平缓，但两者误差很小且变化趋势一致。取桩顶沉降为桩径的5%对应的荷载为该试桩的极限承载力，数值反演分析结果与指数函数预测结果分别为10.40 MN和10.65 MN，两者相对误差仅为2.4%，并且大于设计的极限承载力7 MN，由此印证了指数函数预测该地基试桩荷载沉降性状的适应性，也反映数值反演分析的正确性。

5 结论

针对试验中试桩未达到破坏其极限承载力难以确定问题，采用指数函数拟合法和数值反演分析法来预测其荷载-沉降性状和极限承载力，并进行对比分析，得到如下结论：

(1) 软岩互层地基中大直径灌注桩的荷载-沉降关系曲线呈缓变型，表现出端承摩擦桩特性。

(2) 数值反演分析结果表明，采用指数函数可较好地描述该地基试桩的荷载沉降性状，进而可以根据沉降控制法预测试桩的极限承载力，解决了实际工程中该类地基试桩未能达到极限承载力时工程桩极限承载力难以判定问题。

(3) 通过静载试验，并结合预测函数和数值反演分析结果，可知目前常用的桩基设计方法低估了该地基中基桩的极限承载力，设计偏于保守。

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Prediction of Ultimate Bearing Capacity of Bored Pile of LargeDiameter in Soft Rock Foundation in Nanning

(1.College of Civil Engineering and Architecture, Guangxi University, Nanning 530004, China;2.Guangxi Key Laboratory of Disaster Prevention and Engineering Safety, Guangxi University, Nanning 530004, China; 3.Guangxi Key Laboratory of Geomechanics and Geotechnical Engineering, Guilin University of Technology, Guilin 541004, China; 4.CSCEC AECOM Consultants Co.,Ltd., Lanzhou 730000,China)

The bearing capacity of cast-in-place bored pile of large diameter in soft rock foundation in Nanning is difficult to determine due to softening and disintegration characteristics when soaked in water. Static load test was conducted to determine the bearing capacity of bored pile in the soft rock interbedding foundation of an elevated platform project in the railway station of Nanning Ciy. Both exponential function fitting method and numerical back

analysis were used to accurately predict the load-settlement relation and ultimate bearing capacity of test pile which did not reach the ultimate state. Results show that the load-settlement curve of bored pile in soft rock interbedding foundation is an adjustment curve and the pile works as end bearing friction pile. As common design methods of pile foundation at present underestimates the bearing capacity of pile in this foundation, exponential function which is used to describe the load-settlement behaviour of test pile and numerical back analysis can be combined to estimate the ultimate bearing capacity of test pile.

bored pile; static load test; prediction of ultimate bearing capacity; exponential model; numerical back analysis

国家自然科学基金项目(51568006，41362016)；中国博士后科学基金项目(2017M612865); 广西重点实验室系统性研究项目(2016ZDX11)；广西岩土力学与工程重点实验室资助课题(14-KF-03，13-KF-02)；广西博士后专项资助项目

江杰(1979-)，男，湖北麻城人，教授，硕士生导师，博士后，主要从事岩土地下工程的教学与研究工作，(电话)18878884176(电子信箱) jie_jiang001@126.com。