魏成國 張志輝 高宏義

1 概述

隨著樁基礎(chǔ)在濕陷性黃土地區(qū)的廣泛使用，涌現(xiàn)出了一系列不同于其他地質(zhì)地區(qū)的樁基事故問題，那就是當(dāng)樁基礎(chǔ)遇水時(shí)，建筑物會(huì)產(chǎn)生很大的附加沉降，造成建筑物大面積的開裂以及建筑物不同程度的傾斜甚至倒塌，究其原因主要是濕陷性黃土的濕陷特性對樁基承載力的影響，這種影響又集中體現(xiàn)在樁基設(shè)計(jì)時(shí)如何考慮并計(jì)算因樁周土濕陷而產(chǎn)生的那部分負(fù)摩阻力的大小。因此濕陷性黃土地區(qū)的樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)考慮的一個(gè)重要問題就是如何計(jì)算這部分負(fù)摩擦力。本文暫且把由于黃土濕陷而產(chǎn)生的樁基負(fù)摩阻力稱為樁基濕陷負(fù)摩阻力。

2 現(xiàn)行的樁基濕陷負(fù)摩阻力的計(jì)算方法

2.1 規(guī)范方面

GB 50025-2004濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范規(guī)定:在非自重濕陷性黃土場地，當(dāng)自重濕陷量的計(jì)算值小于 50mm時(shí)，單樁豎向承載力的計(jì)算應(yīng)計(jì)入濕陷性黃土層內(nèi)的樁長按飽和狀態(tài)下的正側(cè)阻力。在自重濕陷性黃土場地，除不計(jì)濕陷性黃土層內(nèi)的樁長按飽和狀態(tài)下的正側(cè)阻力外，尚應(yīng)扣除樁側(cè)的負(fù)摩擦力。對樁側(cè)負(fù)摩擦力進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)確有困難時(shí)，可按表 1中的數(shù)值估算。

2.2 理論研究方面

梁守信在“濕陷性黃土地基中單樁負(fù)摩阻力”一文中建議:濕陷性黃土地基中樁基，當(dāng)浸水方式為從上到下時(shí)，單樁平均單位負(fù)摩阻力可按下式計(jì)算:

計(jì)算時(shí)，式中系數(shù)對非擠土樁取低值，且計(jì)算結(jié)果大于15 kPa時(shí)取15 kPa;對擠土樁取高值，且計(jì)算結(jié)果大于25 kPa時(shí)取25 kPa。z為負(fù)摩阻力的影響深度，并建議將樁周土濕陷系數(shù) δzs≥0.015的土層作為負(fù)摩阻力的作用范圍。

表1 樁側(cè)平均負(fù)摩擦力 kPa

劉明振通過理論分析，探討了排土樁的擠密效應(yīng)、承臺(tái)的卸載作用、群樁的屏蔽作用等對群樁負(fù)摩阻力效應(yīng)的影響，首次提出了含有自重濕陷性黃土夾層的場地上群樁負(fù)摩擦力的計(jì)算公式，由于群樁現(xiàn)場浸水試驗(yàn)難度大、費(fèi)用高，所以他提出的公式未能用試驗(yàn)和實(shí)測結(jié)果來驗(yàn)證。

張厚先用改進(jìn)的有效應(yīng)力法并結(jié)合分層總和法來計(jì)算濕陷性黃土地基大直徑單樁濕陷負(fù)摩阻力，經(jīng)與實(shí)測結(jié)果相對比，證明此法比改進(jìn)前的有效應(yīng)力法更接近實(shí)測結(jié)果，并有可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

孫軍杰指出樁周土體有效沉降所產(chǎn)生的負(fù)摩阻力，其實(shí)質(zhì)是重力作用的結(jié)果，即樁周土體在沉降過程中重力對樁身做功。若將此功視為樁的負(fù)摩阻力的來源，則可由重力功的表達(dá)式構(gòu)造一個(gè)與之相仿的式子，用以計(jì)算負(fù)摩阻力最大值出現(xiàn)的深度，從而得出單樁總的濕陷負(fù)摩阻力。

2.3 現(xiàn)場原位試驗(yàn)方面

張廣林 1979年在 10m×10 m的浸水試坑中用“懸掛法”在西安進(jìn)行了國營 524廠金工車間單樁濕陷負(fù)摩擦力試驗(yàn)，指出由于黃土的性質(zhì)不同，該場地負(fù)摩擦力值比起蘭州地區(qū)要小得多;黃土層的實(shí)測自重濕陷量與負(fù)摩擦力值之間究竟有何關(guān)系，是需要進(jìn)一步研究探索的課題;黃土的濕陷速率與負(fù)摩擦力的關(guān)系，也需要更多地通過試驗(yàn)予以研究。

李大展采用當(dāng)時(shí)先進(jìn)的量測技術(shù)對蒲城電廠大直徑擴(kuò)底灌注樁作了現(xiàn)場的浸水載荷試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)浸水期間樁頂有無載荷對樁的沉降影響很大，試驗(yàn)結(jié)果還表明，對于非自重濕陷性黃土也應(yīng)考慮其負(fù)摩擦力的問題。

張獻(xiàn)輝在關(guān)中平原西部干河二級(jí)階地上作了 30m×50m試坑的樁基浸水試驗(yàn)，對浸水過程中樁側(cè)負(fù)摩阻力的變化規(guī)律及浸水對樁豎向承載力的影響等進(jìn)行了研究，指出浸水對樁的最終豎向承載力影響不大，但對設(shè)計(jì)承載力有較大影響，設(shè)計(jì)時(shí)需要準(zhǔn)確計(jì)算這部分負(fù)摩阻力。

黃雪峰等用直徑 30m的浸水試坑在自重濕陷性黃土場地上進(jìn)行了人工成孔混凝土灌注樁基樁靜載與浸水試驗(yàn)，結(jié)果表明大面積浸水引起樁基濕陷負(fù)摩阻力的中性點(diǎn)深度位置將隨著浸水量、浸水時(shí)間的增加逐漸下移，試樁所受的負(fù)摩阻力作用也隨之逐漸增大，并逐漸趨于穩(wěn)定。此次試樁，在浸水坑地面下沉達(dá)到穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，試樁的中性點(diǎn)位置接近樁長的一半。確定本場地在浸水飽和條件下，樁濕陷負(fù)摩阻力平均值為15 kPa。

3 濕陷負(fù)摩阻力研究的不足及下一步研究重點(diǎn)

從以上可知，人們雖然從多方面對濕陷性黃土地區(qū)的樁基濕陷負(fù)摩阻力作了很多的研究，但總的說來沒有一個(gè)公式可以普遍應(yīng)用于不同濕陷性黃土地區(qū)的樁基設(shè)計(jì)，如果要解決這個(gè)棘手的問題，筆者認(rèn)為應(yīng)該從以下幾方面轉(zhuǎn)變思路:

1)筆者建議從濕陷的機(jī)理出發(fā)，從力和水兩方面著手，用現(xiàn)在黃土力學(xué)研究的熱點(diǎn)問題“力水等效原理”并結(jié)合有效應(yīng)力原理來推導(dǎo)樁基濕陷負(fù)摩阻力的解析解，為濕陷性黃土地區(qū)的樁基設(shè)計(jì)提供可靠的依據(jù)。

2)濕陷負(fù)摩阻力中性點(diǎn)的確定問題。負(fù)摩擦力計(jì)算的首要問題是確定中性點(diǎn)的位置。所謂中性點(diǎn)就是樁土相對位移等于零所對應(yīng)的樁身某一深度上的點(diǎn)，也即樁身負(fù)摩阻力等于零所對應(yīng)的點(diǎn)。如何確定中性點(diǎn)的位置直接關(guān)系到負(fù)摩阻力的取值大小，并且穩(wěn)定后中性點(diǎn)的位置還受諸多因素的影響，如自重濕陷性黃土層的厚度、樁端持力層的性質(zhì)及樁頂荷載等。因此我們在確定中性點(diǎn)位置時(shí)不僅要憑經(jīng)驗(yàn)，還要結(jié)合理論公式推導(dǎo)。

3)現(xiàn)場試驗(yàn)方面。已有的現(xiàn)場試驗(yàn)大都是采用“懸掛法”，即假定錨樁在浸水過程中不變形，而實(shí)際上錨樁的變形不容忽略，有時(shí)還相當(dāng)可觀，量測技術(shù)再先進(jìn)試驗(yàn)結(jié)果也肯定存在偏差。因此筆者建議今后樁基濕陷負(fù)摩阻力的現(xiàn)場試驗(yàn)不僅應(yīng)該采用先進(jìn)的量測技術(shù)，還應(yīng)該采用更合理的試驗(yàn)方法。另外，確定更接近實(shí)際工程情況的群樁濕陷負(fù)摩阻力具有現(xiàn)實(shí)意義，但群樁的現(xiàn)場浸水載荷試驗(yàn)迄今還沒有人作過，所以下一步現(xiàn)場濕陷負(fù)摩阻力試驗(yàn)的努力方向應(yīng)該是群樁的現(xiàn)場樁基浸水試驗(yàn)。

4)有限元模擬。有限元計(jì)算能夠模擬多種情況下樁基濕陷負(fù)摩阻力的發(fā)展變化過程，這正好可以彌補(bǔ)現(xiàn)場試驗(yàn)費(fèi)用高、時(shí)間長且情況單一的缺點(diǎn)，但現(xiàn)在還沒有人能夠正確模擬樁基濕陷負(fù)摩阻力的濕陷過程，主要原因有兩點(diǎn):a.有限元模擬中沒有使用正確的本構(gòu)關(guān)系;b.對黃土浸水濕陷過程的認(rèn)識(shí)不夠清晰。所以，今后要用有限元分析解決濕陷負(fù)摩阻力問題應(yīng)從這兩方面重點(diǎn)著手。

5)最終濕陷負(fù)摩阻力的確定。筆者認(rèn)為黃土規(guī)范應(yīng)結(jié)合正確的理論推導(dǎo)和現(xiàn)場試驗(yàn)，并考慮不同地區(qū)的不同黃土類型等因素，為濕陷性黃土地區(qū)的樁基設(shè)計(jì)者們提供一個(gè)簡單而合理的樁基濕陷負(fù)摩阻力的計(jì)算公式。

4 結(jié)語

1)闡述了濕陷負(fù)摩阻力的產(chǎn)生及危害，介紹了目前所使用的樁基濕陷負(fù)摩阻力的計(jì)算方法，指出目前沒有一種普遍適用的方法可以解決這一問題，建議采用“力水等效原理”并結(jié)合有效應(yīng)力原理來解決此問題。

2)現(xiàn)場樁基浸水試驗(yàn)方法還存在不當(dāng)之處，需要改進(jìn)，群樁的現(xiàn)場浸水載荷試驗(yàn)是下一步現(xiàn)場試驗(yàn)努力的重點(diǎn)。中性點(diǎn)位置的確定不僅要憑經(jīng)驗(yàn)，還要結(jié)合理論公式推導(dǎo)。

3)提出了進(jìn)一步解決樁基濕陷負(fù)摩阻力的建議，并指出了今后解決濕陷負(fù)摩阻力需要改進(jìn)的方面和努力的方向。

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