黃 挺 龔維明 戴國亮

(1 河海大學(xué)海岸災(zāi)害及防護(hù)教育部重點實驗室，南京210098)

(2 東南大學(xué)土木工程學(xué)院，南京210096)

樁基負(fù)摩阻力作用是一個較為常見的問題，通常會導(dǎo)致樁身軸力、沉降增加［1］，嚴(yán)重時引起樁身及上部結(jié)構(gòu)損壞［2］，國內(nèi)外許多學(xué)者對此問題進(jìn)行了研究.在模型試驗方面，Ng 等［3］探討了樁端土層剛度、樁頂荷載對土表超載作用下樁基負(fù)摩阻力的影響;Lam 等［4］研究了負(fù)摩阻力的群樁效應(yīng)，分析了外圍樁對內(nèi)部樁負(fù)摩阻力作用的影響.劉茲勝等［5-6］則通過現(xiàn)場試驗的方法對此開展研究.近年來，樁基負(fù)摩阻力的計算理論研究也獲得了長足的發(fā)展［7-9］.

除以上研究關(guān)注的土表均勻堆載作用下樁基負(fù)摩阻力問題外，實際工程中土表堆載常以邊載的形式存在.例如，港珠澳大橋島隧結(jié)合部的樁基礎(chǔ)受到兩側(cè)筑島堆載(對稱邊載)產(chǎn)生的負(fù)摩阻力作用;較為常見的軟土地區(qū)橋臺樁基受到由于路堤堆載(不對稱邊載)引起的負(fù)摩阻力作用［10-11］.當(dāng)土表堆載分布在樁基側(cè)邊時，樁基受力機(jī)理更為復(fù)雜.樁基不但承受因土體下沉引起的豎向負(fù)摩阻力作用，而且還承擔(dān)土體側(cè)移的水平側(cè)壓力作用，這2 種作用均有可能成為影響樁基承載的主要因素［12］.

為進(jìn)一步探討邊載作用下的樁基負(fù)摩阻力特性，本文進(jìn)行了不同樁周土條件下樁基負(fù)摩阻力模型試驗，研究了土表對稱邊載(簡稱邊載)以及均布堆載(簡稱圍載)作用下樁基的沉降、軸力、中性點和負(fù)摩阻力的變化規(guī)律.

1 模型試驗

1.1 試驗設(shè)計

設(shè)計了邊載與圍載作用下共4 組樁基負(fù)摩阻力模型試驗(見表1).其中，第1 組和第2 組砂土試驗同時進(jìn)行，第3 組和第4 組黏土試驗同時進(jìn)行.試驗先采用重物堆載對樁頂加載，然后采用上、下載荷板配合千斤頂模擬土表堆載.

表1 模型試驗組次

模型試驗布置如圖1所示.實際土表堆載作用范圍同下載荷板作用范圍(見圖2).首先，鋪設(shè)礫砂層和土工布，并將模型樁定位擺放;然后，分層填入樁周土并埋設(shè)沉降標(biāo)，靜置12 h;最后，填入堆載砂并放置已開孔的下載荷板，安裝平衡梁和上載荷板，調(diào)試相關(guān)測試儀器并完成試驗安裝.

圖1 模型試驗布置(單位:mm)

圖2 下載荷板(單位:mm)

1.2 試驗?zāi)M

模型樁由薄壁鋼管模擬，實測壁厚1.18 mm，外徑40 mm，泊松比為0.21，彈性模量為211 GPa，樁長1.4 m，入土有效樁長L=1 m.模型樁底部設(shè)置厚2 mm 的等外徑圓鋼片封底，樁頂設(shè)置圓鋼樁帽.樁帽一側(cè)開孔，用于將應(yīng)變片導(dǎo)線從模型樁內(nèi)引出.為樁頂堆重加載，樁帽頂部放置平面尺寸為0.2 m ×0.2 m、厚10 mm 的鋼板作為承臺板.所有試驗均在長×寬×高為2 m ×2 m ×1.4 m 的試驗箱中進(jìn)行，該試驗箱由10 mm 厚鋼板制成，且在箱周設(shè)置角鋼圍焊加固.試驗箱兩側(cè)底部設(shè)置距側(cè)邊100 mm、直徑20 mm 的排水開關(guān)各2 個，用于土體的排水固結(jié).

試驗樁周土采用細(xì)砂與飽和黏土，其中黏土層位于土表以下－0.25 ～－0.75 m 深度處.所用細(xì)砂實測內(nèi)摩擦角為34.52°，最大、最小干密度分別為1.68 和1.25 g/cm3，滲透系數(shù)為934.57 ×10－6cm/s，相對密度為2.68.篩分試驗結(jié)果顯示，粒徑大于0.075 mm 的土顆粒質(zhì)量占顆?？傎|(zhì)量的93.85%，粒徑大于0.25 mm 的土顆粒質(zhì)量占顆粒總質(zhì)量的0.61%.為使土表加載時樁周土產(chǎn)生較明顯沉降，采用人工稱重分層壓實法將砂土相對密實度控制在45%，相應(yīng)壓縮模量為5.17 MPa.試驗所用黏土實測內(nèi)摩擦角為14.64°，黏聚力為19.65 kPa，塑限、液限分別為27.32%和48.61%，滲透系數(shù)為2.34 ×10－6cm/s，相對密度為2.75.黏土填入前需制備成飽和，采樣測定飽和黏土的實際含水率為29.05%，濕密度為1.81 g/cm3，干密度為1.29 g/cm3，飽和度為98.85%，孔隙比為1.14，壓縮模量為2.13 MPa.試驗箱底部設(shè)置50 mm 厚礫砂層，粒徑約5 mm，兼作排水層及樁基持力層.底層礫砂與細(xì)砂之間采用土工布進(jìn)行隔離，以防細(xì)砂流失.

1.3 試驗測量與加載

試驗中對樁頂沉降、土體分層沉降、樁身應(yīng)變進(jìn)行了測量.其中，樁頂及土表沉降采用位移傳感器測量;土體分層沉降采用埋設(shè)沉降標(biāo)(埋設(shè)位置見圖1)進(jìn)行測量，在模型樁兩側(cè)每0.25 m 深度各設(shè)置一個;樁身應(yīng)變由樁內(nèi)壁黏貼的應(yīng)變片測量.由于本試驗樁基為端承型，中性點靠近樁底，故樁端附近應(yīng)變片加密布置.

試驗中樁載分五級加載至250 N，每級歷時15 min.對于砂土組次，土表堆載分四級加載至80 kPa，沉降穩(wěn)定(即沉降速率不大于0.01 mm/10 min)后再施加下一級荷載;對于黏土組次，則基于試驗周期考慮，土表堆載直接加載至80 kPa.加載完畢移除上、下載荷板后的土表沉降見圖3.

圖3 加載后土表沉降

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 樁、土沉降隨土表堆載變化情況

圖4為樁頂沉降隨土表堆載P 和固結(jié)時間T的變化曲線.由圖可知，土表堆載引起的負(fù)摩阻力作用使樁基發(fā)生了附加沉降.P=80 kPa 時砂土中樁基平均附加沉降為1.27 mm，T=247 h 時黏土中樁基平均附加沉降為1.03 mm.此外，土表堆載分布形式對附加沉降的影響顯著，圍載可以造成較邊載更大的樁基附加沉降.不同土表堆載等級作用下，砂土中樁基在邊載作用下的沉降為圍載時77%.80 kPa 邊載作用下黏土中樁基最終附加沉降為圍載時的74%.

圖4 樁頂沉降隨土表堆載和固結(jié)時間的變化曲線

圖5 邊載作用下樁頂沉降與土體分層沉降關(guān)系

圖5為邊載作用下樁頂沉降與土體分層沉降的關(guān)系曲線.由圖5(a)可知，隨土表堆載的增大，砂土分層沉降逐漸增大，但是增幅明顯減緩，這與土體的壓縮性隨荷載增大而減少有關(guān).樁沉降與土體沉降相等處即為中性點(因試驗中模型樁為鋼管且荷載較小，故樁底沉降近似為樁頂沉降)，邊載作用下砂土中樁的附加沉降增幅小于土體沉降增幅，中性點隨土表堆載的增大而下移.由圖5(b)可知，黏土試驗中，－75 cm 深度以下的砂土層沉降完成較快，黏土層的沉降則隨固結(jié)時間的增長而增大，因樁附加沉降隨時間推移而逐漸增大，故中性點略有上移趨勢.將不同固結(jié)時刻的土體沉降與最終沉降比較，可以發(fā)現(xiàn)黏土沉降表現(xiàn)出早期沉降發(fā)展較快、后期則較慢的特點;例如，固結(jié)時間為100 h 時－25 cm 深度處的土層沉降為最終沉降值的85.19%.

2.2 樁身軸力沿深度分布情況

圖6為樁身軸力沿深度分布曲線.由圖6(a)可知，砂土組次的樁身軸力隨土表堆載的增大而增長，這是因為一方面土表堆載增大了土內(nèi)有效應(yīng)力，另一方面靠近樁端處部分土體與樁的相對位移由向上轉(zhuǎn)至向下，令樁側(cè)摩阻力由正摩阻力轉(zhuǎn)為負(fù)摩阻力.樁基軸力并未隨土表堆載呈線性增長，這主要與加載后期樁土之間的相對位移減少、摩阻力未充分發(fā)揮有關(guān).由圖6(b)可知，隨固結(jié)時間的增長，黏土層樁軸力逐漸增大，且軸力增長趨勢與黏土沉降發(fā)展趨勢一致.此外，位于0 ～－25 cm 深度處的砂土層因下部黏土固結(jié)而下沉，進(jìn)而令位于該砂土層中樁段的軸力略有增大.

圖6 樁身軸力沿深度分布曲線

圖6中不同土表堆載分布形式下樁身軸力差異反映了土表堆載分布形式對樁基負(fù)摩阻力的影響.不同樁周土條件下，邊載作用下的樁身軸力均小于圍載作用下的樁身軸力.由于試驗中樁頂加載值相同，影響樁身軸力的主要因素是中性點深度與土內(nèi)有效應(yīng)力.其中，中性點深度與樁土沉降有關(guān)，而土內(nèi)有效應(yīng)力則與土表堆載分布形式和土體固結(jié)時間相關(guān).

2.3 中性點深度

中性點是樁基負(fù)摩阻力計算中的一個特征點，該點位置可以由樁土沉降相等、樁身軸力最大來判斷.試驗中，分別基于樁土沉降和樁身軸力得到了中性點深度ds和da(見圖7).由于試驗樁基為端承樁，根據(jù)軸力判斷的砂土及黏土中樁基中性點深度大致分別為0.8L ～0.9L 和0.9L ～0.95L.試驗中應(yīng)變片布置數(shù)量有限，基于軸力判斷的中性點深度的最高精度為0.05L，而基于樁土沉降判斷的中性點深度則通過分層土沉降線性插值獲得.從對比結(jié)果來看，通過2 種方法判斷得到的中性點深度最大相差約0.1L，總體上是較為接近的，這也印證了試驗數(shù)據(jù)的合理性.

圖7 中性點深度

由圖7(a)可知，隨土表堆載的增大，中性點明顯下移，特別是根據(jù)沉降判斷的中性點變化更明顯.基于樁土沉降分析，邊載作用下的中性點深度比圍載時低約0.03L ～0.08L，這主要是因為邊載作用下樁基附加沉降較小.由圖7(b)可知，黏土試驗中樁基中性點隨固結(jié)時間增加略有上移，深度變化范圍約為0.02L ～0.05L.究其原因在于，樁基中性點位于砂土層中，砂土層沉降穩(wěn)定，但樁基隨黏土固結(jié)產(chǎn)生附加沉降.該現(xiàn)象與砂土試驗結(jié)果不同，體現(xiàn)了中性點變化的多樣性，因此需根據(jù)實際樁土沉降的變化趨勢來進(jìn)行分析.基于樁土沉降分析結(jié)果，邊載作用下的中性點深度比圍載時低約0.02L，該土表堆載分布形式的影響規(guī)律與砂土試驗中結(jié)果一致.

2.4 樁側(cè)負(fù)摩阻力

基于實測應(yīng)變數(shù)據(jù)，砂土試驗中負(fù)摩阻力以及反算的有效應(yīng)力系數(shù)隨土表堆載變化曲線見圖8.由圖8(a)可知，當(dāng)土表堆載從20 kPa 增大至80 kPa 時，砂土中圍載負(fù)摩阻力由7.69 kPa 增長至19.06 kPa，邊載作用下負(fù)摩阻力由圍載時的61%增長至78%，表明土表堆載增大后不同土表堆載分布形式下的負(fù)摩阻力數(shù)值趨于接近.負(fù)摩阻力隨土表堆載增長明顯，但是增幅總體呈下降趨勢，這也可由圖8(b)中砂土負(fù)摩阻力有效應(yīng)力系數(shù)推導(dǎo)得到.考慮到排水影響，在負(fù)摩阻力有效應(yīng)力系數(shù)的反算中，采用了相對密實度為45%的砂土的干密度來計算土內(nèi)應(yīng)力.由圖8(b)可知，當(dāng)土表堆載從20 kPa 增大至80 kPa 時，圍載負(fù)摩阻力有效應(yīng)力系數(shù)從0.30 下降至0.22.有效應(yīng)力系數(shù)決定了負(fù)摩阻力隨土表堆載增長的增幅.實際上，按照有效應(yīng)力理論，一般認(rèn)為有效應(yīng)力系數(shù)與樁土界面有關(guān).試驗結(jié)果顯示的這種增幅差異主要與土表堆載作用是否產(chǎn)生足夠的、供負(fù)摩阻力充分發(fā)揮的樁土相對位移有關(guān).

圖8 砂土中負(fù)摩阻力、有效應(yīng)力系數(shù)隨土表堆載變化曲線

黏土試驗中負(fù)摩阻力隨固結(jié)時間的變化曲線如圖9所示.由圖可知，截至試驗結(jié)束，當(dāng)土表堆載為80 kPa 時，圍載作用下的負(fù)摩阻力為16.34 kPa，且隨固結(jié)時間變化，邊載作用下的負(fù)摩阻力則從圍載時的63%增長至68%，黏土中土表堆載分布形式對負(fù)摩阻力的影響隨有效應(yīng)力增大而減少.上述結(jié)論與圖8(a)砂土中土表堆載分布形式影響規(guī)律較為一致.土表堆載分布形式對樁基負(fù)摩阻力影響的減弱，主要是因為在砂土承受土表堆載分級加載作用或者黏土排水固結(jié)的后期，樁土相對位移不足以完全發(fā)揮負(fù)摩阻力作用.此外，當(dāng)固結(jié)時間為100 h 時，圍載、邊載作用下負(fù)摩阻力分別約為試驗結(jié)束時的91.74%和86.28%，這也與黏土固結(jié)沉降規(guī)律類似.

圖9 負(fù)摩阻力隨固結(jié)時間變化曲線

3 結(jié)論

1)土表堆載分布形式對附加沉降影響顯著，且圍載可以造成比邊載更大的樁基附加沉降.不同土表堆載等級作用下砂土中樁基邊載作用下的附加沉降為圍載時的77%，黏土中樁基最終附加沉降為圍載時的74%.邊載作用下砂土中樁基因附加沉降增幅小于土體沉降增幅，中性點隨土表堆載增大而下移.

2)由于試驗樁基為端承樁，根據(jù)軸力判斷的砂土中及黏土中樁基中性點深度分別約為0.8L ～0.9L 和0.9L ～0.95L 之間.基于樁土沉降分析，由于邊載樁基附加沉降較小，砂土中邊載作用下中性點深度比圍載時低0.03L ～0.08L，黏土中邊載作用下樁基中性點深度比圍載時低0.02L.

3)隨土表堆載增長，砂土中邊載作用下的負(fù)摩阻力從圍載時的61%增長至78%;隨固結(jié)時間增長，黏土中邊載作用下的負(fù)摩阻力從圍載時的63%增長至68%.土表堆載分布形式對樁基負(fù)摩阻力影響減弱，這主要是因為在砂土承受土表堆載分級加載作用或者黏土排水固結(jié)的后期，樁土相對位移不足以完全發(fā)揮負(fù)摩阻力作用.

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