胡奇凡

(鐵道第三勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，天津 300251)

城市建設(shè)的大力發(fā)展使越來越多的地下空間被開發(fā)利用，地鐵車站、大型地下室、人防工程等地下工程建設(shè)如雨后春筍紛紛涌起。蓋挖法作為地下工程修建的主要工法，能有效控制基坑周圍土體變形和地表沉降，有利于保護(hù)臨近建筑物和構(gòu)筑物，尤其是在城市繁華街區(qū)和就交通復(fù)雜的車站鬧市區(qū)施工時，可盡快恢復(fù)路面，對道路交通影響較小。因此，暗挖法在城市地下工程施工中得到了廣泛的應(yīng)用。

在蓋挖法施工中，作為結(jié)構(gòu)頂板或臨時蓋板的支撐，中間樁柱和圍護(hù)結(jié)構(gòu)先行施工。在地下水位埋深較淺的地區(qū)，施工期間工程樁承受上部結(jié)構(gòu)的壓力荷載，發(fā)揮抗壓樁作用;工程完工后，隨著地下水位逐漸恢復(fù)，當(dāng)結(jié)構(gòu)所受浮力大于結(jié)構(gòu)自重時，工程樁又充當(dāng)抗拔樁作用。因此，在地下水埋深淺的區(qū)域，蓋挖法施工地下工程中，工程樁受力往往要經(jīng)一次轉(zhuǎn)換，為確保工程樁全程滿足承載力要求，對工程樁的受力過程和承載力特性進(jìn)行探討，以期為設(shè)計和施工提供參考。

1 荷載傳遞機(jī)理分析

1.1 抗壓階段荷載傳遞機(jī)理

在抗壓階段，工程樁主要依靠樁周土提供的側(cè)摩阻力和樁端土反力提供支撐，可用下式表示:

式中，P為樁頂承受荷載;G為樁身自重;p為樁尖土反力;T為樁側(cè)土摩阻力。

大量研究資料表明，樁從開始受力到最終破壞的完整受力過程，根據(jù)樁側(cè)摩阻力T和樁尖土反力p的變化可以分為以下3個階段。

(1)第一階段為樁頂荷載較小階段，此時樁周土體的剪切變形很小，根據(jù)羅維德提出的全深度-變深度剪切彈簧模型［1］，此時樁側(cè)土屬于彈性階段，對于中長樁，樁端反力很小或?yàn)榱悖?］，可不考慮樁端土的壓縮，采用經(jīng)典的荷載傳遞法對樁體荷載-位移關(guān)系(p-s曲線)進(jìn)行研究，該階段內(nèi)荷載-位移曲線關(guān)系成比例增長，荷載傳遞函數(shù)可取為線性傳遞函數(shù)

式中，z為樁截面自地面向下的深度;q(z)為樁在z處截面的應(yīng)力;u(z)為z處截面的位移;λ1為側(cè)摩阻力剛度。

由式(1)可得樁滿足的微分方程和邊界條件為

解方程(3)得:

因此，樁頂位移為

式(5)表明，樁頂位移大小取決于荷載、樁身剛度以及樁周土體的側(cè)摩阻剛度，符合一般試樁資料結(jié)果。

(2)第二階段為隨著樁頂荷載加大，樁土間相對位移逐漸增加，樁側(cè)土從樁頂至樁尖漸漸由彈性過渡至屈服狀態(tài)，樁尖土反力逐漸發(fā)揮階段。樁側(cè)土進(jìn)入屈服階段后，側(cè)摩阻力不會隨著樁土相對位移的增加而增加，此時側(cè)摩阻力可采用庫倫摩擦模型求解

式中，τ為樁土間摩擦應(yīng)力;σ為樁土界面上法向應(yīng)力;φ為樁土外摩擦角。

根據(jù)式(6)可得樁側(cè)土全屈服后提供的側(cè)摩阻力為

式中，d為樁直徑，Kz樁側(cè)土側(cè)壓力系數(shù)，γz為土體有效重度;其中Kz、γz、φz均為在土層分界面處分段的分段函數(shù)。對于鉆孔灌注樁來說，成孔過程中土體存在卸荷過程，樁周土體水平應(yīng)力比原位應(yīng)力小，因此，側(cè)壓力系數(shù)較原位狀態(tài)為小，介于原位于靜止土壓力系數(shù)K0和主動土壓力系數(shù)Ka之間。

對于打入樁來說，在沉樁過程中，樁周土存在被擠密過程，引起土體水平有效應(yīng)力σh顯著增加，而對豎向有效應(yīng)力σv的影響相對要小，因此，側(cè)壓力系數(shù)介于原位靜止土壓力系數(shù)K0和被動土壓力系數(shù)Kp之間［3］。樁側(cè)土荷載位移曲線見圖1。

圖1 樁側(cè)土荷載位移曲線

(3)第三階段樁側(cè)土全部進(jìn)入屈服狀態(tài)，樁尖土承載力逐漸發(fā)揮，隨著樁端荷載增加最終進(jìn)入屈服狀態(tài)。對于正常使用工程樁一般樁尖土均為進(jìn)入屈服狀態(tài)，學(xué)者們對樁尖土的荷載-位移曲線進(jìn)行研究，有多種不同的意見:王伯惠，上官興［4］認(rèn)為P-u呈線彈性關(guān)系;楊從軍，單華剛［5］認(rèn)為樁尖荷載趨于極限荷載時，土體變形將趨于無窮大，建議采用雙曲線模型對荷載-位移曲線進(jìn)行模擬;張明華等［6］研究認(rèn)為P-u之間的關(guān)系可用拋物線描述;蔣益平等［7］在拋物線關(guān)系假設(shè)基礎(chǔ)上，為求解方便，同時考慮沉渣對樁尖受力的影響，采用三折線模型模擬傳遞函數(shù)，增加對沉渣的厚度和性質(zhì)的反應(yīng)，取得了良好的效果。各種樁尖土的荷載-位移曲線詳見圖2。

圖2 樁尖土荷載位移曲線

1.2 抗拔階段荷載傳遞機(jī)理

抗拔階段，樁尖土對于樁的抗拔貢獻(xiàn)幾乎為零，可以不予考慮，樁側(cè)土摩阻力是抗拔力的主要來源。根據(jù)樁側(cè)土最終破裂面的形態(tài)，可將抗拔樁的破壞分為3種基本形式［8］，如圖3所示。不同的破裂面形式對應(yīng)不同的荷載傳遞機(jī)理，一旦破裂面形式確定，相應(yīng)的樁的承載能力也即確定。目前對于抗拔樁的承載能力特性研究中，大多采用了沿樁土接觸面剪切破壞的假設(shè)，諸如經(jīng)典的荷載傳遞法;朱碧堂、楊敏［9］基于統(tǒng)一極限摩阻力分布推導(dǎo)彈塑性差分求解方法;黃鋒等［10］利用剪切位移原理預(yù)測得到抗拔樁的彈性變形，有限元模擬中接觸單元的設(shè)置等，并且研究結(jié)果得到了大量試樁資料的驗(yàn)證，充分說明了該假設(shè)在樁實(shí)際工作中的普遍性，為此本文對樁的抗拔特性探討也主要針對破裂面沿樁土接觸面的情況展開。

圖3 抗拔樁破壞面形式

根據(jù)破裂面沿樁土接觸面展開的假設(shè)，樁側(cè)土摩阻力的發(fā)展大致可分為兩階段，第一階段為完全彈性階段，第二階段為樁側(cè)土從樁頂逐漸向樁尖進(jìn)入屈服狀態(tài)，根據(jù)荷載傳遞模型，在第一階段，抗拔樁模型滿足方程和邊界條件為

解方程(8)得

因此，樁頂位移為

在第二階段，隨著樁頂荷載增加，樁土間相對位移不斷加大，樁側(cè)土逐漸由樁頂至樁尖進(jìn)入屈服狀態(tài)，對應(yīng)屈服范圍的側(cè)摩阻力不再隨樁土相對位移的增加而增加，基本保持為定值，因此，根據(jù)庫倫摩擦模型，當(dāng)樁側(cè)土全部進(jìn)入屈服狀態(tài)時可根據(jù)式(7)求得最大側(cè)摩阻力值Tm，樁的最大抗拔力為

2 土方開挖對樁承載力影響

根據(jù)式(6)可知，樁側(cè)土提供的極限摩阻力與樁土接觸面上的法向應(yīng)力成線性關(guān)系，法向應(yīng)力的大小取決于土的側(cè)壓力系數(shù)和土體在豎直方向的應(yīng)力水平，即

在蓋挖法施工中，隨著土方被挖出，樁側(cè)各層土的豎向應(yīng)力σv均相應(yīng)減小，對于第二階段，根據(jù)式(6)和式(12)，不難得出，樁側(cè)土提供摩阻力亦有減小趨勢;對于第一階段，此時樁側(cè)土尚未到達(dá)屈服狀態(tài)，隨著土體開挖，樁側(cè)土被不斷卸荷，存在一定的向上反彈，這種趨勢導(dǎo)致樁土間相對位移加大，先期會增加樁側(cè)摩阻力，如圖4所示。

圖4 回彈引起摩阻力示意

因此，處在第一階段的抗壓樁，土方開挖深度不大的情況下對其承載能力影響不大;胡琦等［11］研究表明，隨著開挖深度加大，受土體回彈影響而進(jìn)入塑性狀態(tài)的樁側(cè)土范圍逐漸增大，而這部分樁土界面在后期加載過程中側(cè)摩阻力將不再增長，直接導(dǎo)致樁基剛度減小，影響其承載力。徐楓等［12］對土方開挖時不同位置的樁進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，靠近基坑中心處的工程樁受基坑開挖的影響較坑邊的樁大，這與基坑開挖時靠近基坑中心處的土體回彈量較周邊的大相一致。

對于抗拔階段，根據(jù)式(6)和式(12)可知，工作于第二階段時，基坑開挖期間減少的覆土壓力直接導(dǎo)致最大側(cè)摩阻力的減小，降低其抗拔承載能力。黃茂松等［13］研究表明開挖條件下，抗拔樁的極限承載力最大損失將達(dá)40%～50%。對于工作在第一階段的抗拔樁，開挖導(dǎo)致土體回彈會給樁附加拉應(yīng)力，同時延緩樁頂附近土層側(cè)摩阻力極限值的發(fā)揮，導(dǎo)致樁端位移的加大。徐楓等［12］的模擬研究表明:基坑開挖深度越大，附加樁身的拉力越大，并且隨著開挖深度增加，附加拉應(yīng)力的范圍將逐漸向下延伸，這對抗拔樁極其不利，附加應(yīng)力過大甚至可能導(dǎo)致樁身斷裂。

3 抗壓-抗拔轉(zhuǎn)換對側(cè)摩阻剛度的影響

工程樁在抗壓和抗拔轉(zhuǎn)換中，樁土相對運(yùn)動趨勢發(fā)生反向，這將導(dǎo)致樁土間相對位移的反向調(diào)整，引起樁側(cè)土內(nèi)部結(jié)構(gòu)的調(diào)整以及樁土接觸面咬合狀態(tài)的改變，導(dǎo)致接觸面的承載能力的改變。

對于粗粒土，如粗砂、中砂、碎石土等，在低圍壓狀態(tài)下，土顆粒的移動受圍壓的約束小，容易發(fā)生剪脹現(xiàn)象，剪脹將導(dǎo)致樁側(cè)土對樁的擠壓力增加，提高了樁側(cè)土的極限摩阻力［14］。然而處于剪脹狀態(tài)的粗粒土其內(nèi)部結(jié)構(gòu)較簡剪脹前松散，當(dāng)荷載變向時，土顆粒將沿著剪脹的逆過程返回原來的位置，此時，由于剪脹增加的側(cè)向壓力導(dǎo)致土層沿樁徑向往外壓縮并形成一定的塑性變形，因此，當(dāng)該部分顆粒返回時，原本緊密的空間變大，使得樁土接觸面范圍內(nèi)土體較原來松散，導(dǎo)致側(cè)壓力降低，減小樁側(cè)土極限摩阻力值，表現(xiàn)為樁土接觸面抗剪強(qiáng)度的降低。剪脹致應(yīng)力松弛示意見圖5。

圖5 剪脹致應(yīng)力松弛示意

對細(xì)粒土，如黏土，粉質(zhì)黏土，淤泥質(zhì)土等，由于其抗剪過程不存在剪脹現(xiàn)象，因此荷載變向主要影響樁土接觸面的咬合和粘結(jié)強(qiáng)度。丁佩民等［15］對抗拔樁側(cè)摩阻力發(fā)揮規(guī)律進(jìn)行研究，結(jié)果表明荷載反向?qū)⒁饦吨芡令w粒重新排列，導(dǎo)致樁土界面摩擦角減小，對砂土特別顯著，強(qiáng)度甚至?xí)档偷皆瓉淼?0%;對黏性土，荷載方向的改變也可能使界面摩擦角下降至接近殘余摩擦角。這些結(jié)果與上述原理都有較好的符合，因此，荷載在樁土接觸面的反向?qū)犊拱纬休d力的影響必須引起足夠的重視。

4 樁的優(yōu)化設(shè)計

通過上文分析，在蓋挖法施工中，工程樁成樁后要經(jīng)過抗壓和抗拔2種受力模式，同時在基坑土方開挖過程中，樁側(cè)土的豎向應(yīng)力、樁側(cè)土的承載能力特性發(fā)生變化，工程樁由受抗壓樁轉(zhuǎn)變?yōu)榭拱螛哆^程中，樁側(cè)土的承載能力特性同樣發(fā)生變化，這些變化都將使得工程樁的承載力較成樁時有所減小，使得常規(guī)設(shè)計結(jié)果偏于不保守。為此，針對蓋挖法中工程樁的受力特點(diǎn)提出如下優(yōu)化設(shè)計。

4.1 樁側(cè)注漿及坑底加固

在土方開挖過程中，覆土減少直接導(dǎo)致坑底土的卸荷回彈，在基坑底適當(dāng)深度進(jìn)行注漿加固，以及對樁側(cè)適當(dāng)位置進(jìn)行注漿能有效減小樁側(cè)土卸荷回彈工程樁受力的影響。潘林有，胡中雄［16］通過室內(nèi)土工試驗(yàn)對深基坑卸荷回彈問題進(jìn)行深入研究，建議回彈區(qū)下邊界定義在卸荷比R≤0.2處，強(qiáng)回彈區(qū)下邊界定義在卸荷比R≤0.8處;李建明，藤延京［17］通過實(shí)驗(yàn)研究認(rèn)為，在不考慮基坑邊界條件及地下水等影響下，回彈變形有效影響深度為如下式所述

式中，H為基坑開挖深度;R為卸荷比均值，取值詳見表1。

表1 不同土樣臨界卸荷比均值

通過計算，不同土樣的回彈變形深度見表2。

表2 不同土樣回彈變形深度值

根據(jù)文獻(xiàn)［16］計算可得強(qiáng)回彈臨界深度為

回彈變形影響深度為:

文獻(xiàn)［16］研究結(jié)果還表明，強(qiáng)回彈區(qū)的回彈量占總回彈量一半以上，并且隨著深度繼續(xù)增加，回彈量變化率逐漸減小，因此本文建議對坑底0.25H深度，樁周2.5倍樁徑范圍內(nèi)進(jìn)行注漿加固，同時在樁頂以下1.5H范圍內(nèi)進(jìn)行樁側(cè)注漿。

針對蓋挖法中工程樁在受力方向轉(zhuǎn)化中，樁周土顆粒重新排列導(dǎo)致承載力下降，樁側(cè)注漿可有效穩(wěn)定樁周土的結(jié)構(gòu)組成，改善樁土接觸面的咬合狀態(tài)，使得荷載變向的影響有效減小，甚至不受影響。

4.2 試樁資料的修正

現(xiàn)場試樁是確保工程滿足承載能力要求的有效保障，也是樁基設(shè)計參數(shù)可靠的來源，隨著高大建筑的日益增多，單樁承載力也越來越大，傳統(tǒng)的試樁方式中需要提供更大的反力裝置，致其應(yīng)用受到限制，尤其在空間狹窄地段，龐大的堆載物體或反錨裝置根本沒有足夠空間。自平衡試樁是一種新的靜荷載試樁方法，由于其不需外部提供反力，在高承載力樁基測試中具有明顯的優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)際工程中得到而來越來越廣的應(yīng)用。

在抗壓樁的自平衡法試樁中，通過在樁身適當(dāng)位置埋設(shè)荷載箱，使得荷載箱以上樁身側(cè)摩阻力極限值近似等于荷載箱以下下部樁身側(cè)阻極限值及端阻極限值之和，使上、下二段樁均能達(dá)到極限狀態(tài)。根據(jù)獲得的曲線，可分別求得荷載箱上段樁及下段樁的承載力，將上段樁極限承載力經(jīng)一定處理后，與下段樁極限承載力相加處理，得到樁基極限抗壓承載力。試樁過程中，荷載箱下部樁側(cè)及樁端土的受力情況與正常工作中一致，荷載箱上部樁側(cè)的受力情況與工作狀態(tài)相反而類似于抗拔樁受力屈服狀態(tài)，根據(jù)大量抗拔樁承載力的研究資料顯示，樁側(cè)土的極限抗拔摩阻力約為極限抗壓時摩阻力的0.6～0.8倍［15］，因此自平衡試樁結(jié)果對于抗壓樁偏于保守。自平衡試樁示意如圖6所示。

圖6 自平衡試樁示意

在抗拔樁的自平衡試樁過程中，荷載箱置于工程樁實(shí)際工作時的樁尖部位，通過荷載箱下部預(yù)先加固基礎(chǔ)提供反力，加載使樁體壓縮向上，樁側(cè)土摩阻力逐漸由下向上開始發(fā)揮，這與抗拔樁在工作時樁身受拉，樁側(cè)土摩阻力由上向下逐漸發(fā)揮的情況不盡一致。王向軍，吳江斌等［18］研究認(rèn)為泊松比效應(yīng)是抗拔樁極限側(cè)摩阻力較相同條件下抗拔樁極限側(cè)摩阻力小的重要原因，聶如松，冷伍明等［19］通過模擬相同條件下抗拔樁和抗壓樁的承載能力，結(jié)果表明，由于泊松比效應(yīng)導(dǎo)致抗拔樁側(cè)摩阻力降低為抗壓樁極限側(cè)摩阻力的76.81%，這與文獻(xiàn)［15］結(jié)果較為吻合。因此，試樁中樁身受壓，實(shí)際工作中樁身受拉的差異需引起重視，有必要對抗拔樁自平衡試樁結(jié)果進(jìn)行折減使用，本文建議側(cè)摩阻力折減系數(shù)取0.75為宜。

根據(jù)蓋挖施工的工序，試樁過程在坑內(nèi)土方未開挖之前進(jìn)行，此時樁側(cè)土壓力較正常工作大，并且隨著開挖深度加大，差異越明顯，由此導(dǎo)致的樁正常使用階段承載力較試樁階段承載力下降越多，但是針對該方面的詳盡研究目前尚缺乏，無具體參數(shù)可供設(shè)計參考，待后續(xù)研究的深入進(jìn)行。

4.3 設(shè)置擴(kuò)大頭

擴(kuò)孔樁在提高工程樁極限承載能力方面得到了廣泛的應(yīng)用，取得了可觀的經(jīng)濟(jì)效益，黃茂松等［13］研究結(jié)果表明在基坑開挖條件下，等截面抗拔樁的極限承載力最大損失將達(dá)50%，而擴(kuò)孔抗拔樁的極限承載力最大損失不超過40%，其中承載力損失主要來自樁側(cè)摩阻力的減小，擴(kuò)大頭部位承載能力的降低很小，可忽略不計。同時，在本文討論的樁受力變向?qū)е驴拱螛冻休d力下降情況中，抗拔樁擴(kuò)頭所提供的豎向壓應(yīng)力將不受影響，并且隨著擴(kuò)頭直徑的加大，擴(kuò)頭對抗拔的貢獻(xiàn)將逐漸加大，這是設(shè)計中抗拔樁承載力的有力保障。為此，本文建議，針對施工期抗壓，使用期抗拔的工程樁，為盡量多避免基坑土體開挖和荷載變向降低樁基承載力的風(fēng)險，可將樁尖處做成擴(kuò)頭，根據(jù)擴(kuò)頭尺寸對承載力增長效率的研究［13］，擴(kuò)頭直徑D宜為樁身直徑d的1.5～2倍;同時，在有必要前提下，可在樁身增設(shè)擴(kuò)大頭，根據(jù)擴(kuò)頭的影響范圍，增設(shè)區(qū)應(yīng)置于強(qiáng)回彈區(qū)臨界深度以下(1～3)D，宜設(shè)置于相對較硬的土層中。

5 結(jié)論

針對地下水淺埋區(qū)，在蓋挖法施工工程中，工程樁施工期受壓，正常使用期受拉的特征，深入分析樁的受力特點(diǎn)以及承載力的組成和影響，主要結(jié)論如下。

(1)蓋挖法中，土方開挖導(dǎo)致基坑底土體回彈，土體回彈將增加工程樁樁身應(yīng)力，降低樁側(cè)土的極限摩阻力，降低樁的抗拔承載力。對樁受力影響范圍內(nèi)強(qiáng)回彈區(qū)土體進(jìn)行加固，對土體回彈區(qū)內(nèi)樁側(cè)進(jìn)行后注漿處理能有效減小土體回彈對樁承載力的影響;樁側(cè)注漿加固還能增加樁的極限承載力，減小樁側(cè)荷載變向?qū)е碌臉兜某休d力損失。

(2)蓋挖法中，根據(jù)試樁時樁的受力特性與樁在正常工作時的差異，試樁結(jié)果用于設(shè)計參考時有必要進(jìn)行相應(yīng)處理，特別對于抗拔樁自平衡試樁結(jié)果偏于不保守，本文建議對樁側(cè)摩阻力進(jìn)行折減，折減系數(shù)為0.75;基坑內(nèi)土方開挖導(dǎo)致樁側(cè)土壓力減小而引起樁承載力下降，目前該方面的深入研究尚缺，有待加強(qiáng)。

(3)在樁尖和樁身適當(dāng)位置設(shè)置擴(kuò)頭將有助于提高樁的極限抗壓和抗拔承載力，同時，擴(kuò)頭對于減小坑內(nèi)土開挖和樁側(cè)荷載變向?qū)е碌臉冻休d力下降有較好的效果。因此，在深基坑工程中，適當(dāng)設(shè)置擴(kuò)頭將對樁的承載力特性有大的幫助。

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