胡永強(qiáng)，湯連生，黎志中

(1.中山大學(xué)工學(xué)院，廣東廣州510275;2.廣州大學(xué)土木工程學(xué)院，廣東廣州510006;3.中山大學(xué)地球科學(xué)與地質(zhì)工程學(xué)院//廣東省地質(zhì)過程與礦產(chǎn)資源探查重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東廣州510275;4.廣東永基建筑基礎(chǔ)有限公司，廣東順德528300)

擠土樁的承載力時(shí)效性是指沉樁結(jié)束后，樁的承載力通常會隨時(shí)間增大的現(xiàn)象。一般認(rèn)為這種現(xiàn)象是由樁周的擾動重塑土因沉樁 (setup)或強(qiáng)化(freeze)效應(yīng)引起;若在某些情況下因樁側(cè)土剪脹或側(cè)壓力降低而導(dǎo)致承載力減?。?］，則稱為弱化(relaxation)效應(yīng)［1－3］。從 20 世紀(jì) 50 年代開始至今，國外眾多學(xué)者對打入樁的承載力時(shí)效性進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，國內(nèi)的研究相對薄弱。研究認(rèn)為樁側(cè)土孔隙水壓力消散［4－5］、土的結(jié)構(gòu)重建［6－7］、砂土液化和土的疲勞退化［8］、鋼管樁的銹蝕［9］、黏土分散性、觸變性、次固結(jié)［3］及鈣質(zhì)土的重新膠結(jié)［10］等原因?qū)е麓驑督Y(jié)束時(shí)的承載力與間歇期后的承載力顯著不同，即所謂的時(shí)效性;根據(jù)兩者之間的時(shí)效性規(guī)律得出了一系列估算公式和預(yù)測模型［11－13］。受限于壓樁機(jī)械的限制，直到最近幾十年才興的靜壓樁因其施工無噪聲、無振動和無污染、質(zhì)量可靠、施工迅速等特點(diǎn)，在我國得到大量使用，因而成為國內(nèi)學(xué)者的研究熱點(diǎn)。早期的靜壓樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)常借鑒打入樁的理論。靜壓樁與打入樁同屬于擠土樁，兩者既有聯(lián)系，又有區(qū)別。其區(qū)別為兩者的沉樁力學(xué)機(jī)理并不相同，打入樁屬動態(tài)打入過程，而靜壓樁屬準(zhǔn)靜態(tài)壓入過程［14］。與打入樁類似，靜壓樁的沉樁終壓力與單樁豎向極限承載力具有緊密的相關(guān)性，即靜壓樁同樣具有承載力的時(shí)效性。已有的打入樁與靜壓樁的研究結(jié)果表明，樁端阻力在不同的沉樁方式下變化并不大，單樁承載力隨時(shí)間的增長主要表現(xiàn)為樁側(cè)阻力的增長［1，11，15－16］，因此引起承載力時(shí)效性的主要原因是樁側(cè)摩阻力的時(shí)效性。

目前關(guān)于靜壓樁承載力時(shí)效性的研究較為深入，也達(dá)到了很高的水平［17－33］。這些研究大多采用沉樁就位后對同一根樁不同間歇期進(jìn)行復(fù)壓并與沉樁終壓力進(jìn)行對比統(tǒng)計(jì)的方法，尋求沉樁終壓力隨時(shí)間增長的規(guī)律。對于承載力時(shí)效性機(jī)理的解釋，主要從觸變恢復(fù)和固結(jié)時(shí)效［17］、水膜［24］及土殼效應(yīng)［26］等方面解釋，并認(rèn)為超靜孔隙水壓力消散引起的土體固結(jié)是承載力增長的主要原因［24］。這些研究多以摩擦型樁為主，其樁端阻力較小對樁側(cè)摩阻力的影響并不大，因此可認(rèn)為各試驗(yàn)樁在沉樁終壓時(shí)的樁側(cè)摩阻力發(fā)揮基本一致，即并未考慮沉樁結(jié)束時(shí)樁側(cè)摩阻力的發(fā)揮程度。但是，沉樁結(jié)束時(shí)樁側(cè)摩阻力的發(fā)揮程度并不一致，尤其是持力層條件較好的端承型樁，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)壓入不同性質(zhì)土層、局部硬層及較硬的樁端持力層都將導(dǎo)致沉樁速度發(fā)生變化，Jackson［34］認(rèn)為沉樁速度強(qiáng)烈影響樁側(cè)摩阻力的發(fā)揮從而導(dǎo)致沉樁終壓力與樁的極限承載力之間的差異。因此，靜壓樁承載力時(shí)效性研究必須考慮終壓時(shí)樁側(cè)摩阻力的發(fā)揮程度。對于端承型靜壓樁而言，其樁端阻力變化更大，有利于不同樁端阻力下樁側(cè)摩阻力的發(fā)揮程度研究。因此，本文選擇珠三角地區(qū)的典型地層進(jìn)行現(xiàn)場原位模型樁沉樁試驗(yàn)及載荷試驗(yàn)，試驗(yàn)嘗試研究靜壓貫入過程中樁側(cè)阻力的變化規(guī)律及其對承載力時(shí)效性的影響。

1 試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)場地選擇

為研究靜壓樁靜壓貫入過程中樁側(cè)阻力的變化規(guī)律，所選取的場地位處珠江三角洲沖積平原區(qū)，屬河口三角洲堆積地貌，基巖通常是強(qiáng)風(fēng)化巖石，強(qiáng)度變化較大，更利于研究不同樁端阻力下樁側(cè)摩阻力發(fā)揮。

試驗(yàn)選擇了3個(gè)場地進(jìn)行模型樁的靜力壓入試驗(yàn)。三個(gè)試驗(yàn)場地的具體地質(zhì)條件如為表1－3所示。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備及試驗(yàn)方法

試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜆恫捎?00 mm直徑鋼管樁制成，樁端增設(shè)樁尖受壓板，可量測樁端阻力，樁側(cè)總阻力可根據(jù)壓樁力與樁尖受壓板阻力計(jì)算而得。

三個(gè)場地采用相同的沉樁速度進(jìn)行模型樁的沉樁試驗(yàn)，模型樁樁端壓入強(qiáng)風(fēng)化層，整個(gè)試驗(yàn)過程記錄沉樁壓力及其對應(yīng)的樁尖受壓板壓力。沉樁試驗(yàn)結(jié)束并經(jīng)間歇期后，利用壓樁機(jī)進(jìn)行載荷試驗(yàn)，確定試樁承載力的同時(shí)，記錄樁頂荷載、樁頂沉降和樁尖反壓板壓力。

表1 場地1試驗(yàn)樁樁長范圍內(nèi)地質(zhì)情況Table 1 Soil geological data of the test site 1

表2 場地2試驗(yàn)樁樁長范圍內(nèi)地質(zhì)情況Table 2 Soil geological data of the test site 2

表3 場地3試驗(yàn)樁樁長范圍內(nèi)地質(zhì)情況Table 3 Soil geological data of the test site 3

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

通過現(xiàn)場的模型樁試驗(yàn)，獲得3個(gè)場地7根模型樁的壓樁數(shù)據(jù)。與摩擦型靜壓樁的壓樁過程相比，差異通常出現(xiàn)在沉樁貫入的后期，前期的差異并不大，因此主要考慮沉樁貫入后段的樁側(cè)阻力的變化 (圖1)。由于場地3中部10 m深度附近存在一層約6 m厚稍密－中密的砂層，上下皆為黏土，對樁端阻力的影響很大，故選擇從入土深度為8 m開始研究;而其他場地基巖以上性質(zhì)相近，樁端阻力變化不大，因而選擇從入土深度為18 m開始研究。具體試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。載荷試驗(yàn)獲得的承載力數(shù)據(jù)與沉樁終壓力數(shù)據(jù)對比如表4所示。a試樁由于影響場地實(shí)際工程施工進(jìn)度而未做載荷試驗(yàn)。

2.1 終壓時(shí)樁端阻力時(shí)效性研究

通過終壓時(shí)與靜載試驗(yàn)時(shí)兩種情況下的樁端阻力的對比發(fā)現(xiàn)樁端阻力的變化并不大。表4中極限狀態(tài)下的樁端阻力通常小于終壓時(shí)對應(yīng)的樁端阻力，這與載荷試驗(yàn)的基本規(guī)定有關(guān)，即通常將破壞的前一級作為極限荷載。這一荷載并未真正達(dá)到極限狀態(tài)，若樁端達(dá)到極限狀態(tài)，其阻力值與沉樁終壓時(shí)的樁端阻力應(yīng)非常接近。因此，樁端阻力對靜壓樁承載力時(shí)效性的影響很小，樁側(cè)摩阻力的時(shí)效性是引起靜壓樁承載力具有時(shí)效性的主要原因，這與前人的研究是一致的［1，11，15－16］。

2.2 靜壓貫入過程中樁側(cè)阻力變化規(guī)律及其解釋

對于同一場地，樁側(cè)土層大體相當(dāng)，樁的入土深度也大體相當(dāng)，樁側(cè)土所能提供的最大側(cè)阻力也應(yīng)一致。但是，由于樁端條件的不同，出現(xiàn)了很多難以理解的現(xiàn)象 (見圖1)。

圖1 靜壓貫入過程中壓樁力、樁端阻力及樁側(cè)總阻力實(shí)測曲線對比Fig.1 Measured curves of installation resistance，base resistance and total shaft resistance of jacked pile during installation

1)總體而言，當(dāng)樁端阻力較小時(shí)，樁側(cè)阻力隨著樁端阻力的增大而增大;但是，當(dāng)樁端阻力值繼續(xù)增大并超過某一數(shù)值時(shí)，通常會導(dǎo)致樁側(cè)摩阻力降低。

2)f，g樁在15 m左右從強(qiáng)度較高的砂層進(jìn)入較弱的黏土和淤泥質(zhì)土中，樁端阻力突然變小，樁側(cè)阻力隨之變小;樁端阻力繼續(xù)下降時(shí)，樁側(cè)阻力又開始增大;當(dāng)樁端阻力穩(wěn)定時(shí) (16～18 m)，樁側(cè)阻力又開始降低。

這些現(xiàn)象從傳統(tǒng)的摩擦學(xué)理論及樁側(cè)土因擾動、孔壓增大導(dǎo)致土體強(qiáng)度降低等角度難以得到合理的解釋，但若從目前成熟的摩擦、磨損與潤滑理論，能很好的解釋上述現(xiàn)象。

1)當(dāng)樁端阻力較小時(shí)，靜壓樁以較大的速度連續(xù)貫入，樁－土之間出現(xiàn)水 (或泥漿)膜，一旦樁端阻力增大，必然導(dǎo)致沉樁速度下降，水(或泥漿)膜變薄從而使樁側(cè)阻力增大，同時(shí)樁－土的相對位移也有變化，但此時(shí)對側(cè)阻力影響很小。當(dāng)樁端阻力增大到某一程度，沉樁速度降低，樁側(cè)水 (或泥漿)膜消失，樁－土之間為干摩擦，同時(shí)樁－土的相對位移也在極限值附近，樁側(cè)阻力達(dá)到極值。若樁端阻力繼續(xù)增大，此時(shí)樁端下沉量非常小，如f、g樁20m以下的樁端阻力曲線幾乎是水平線，即樁端阻力急劇增大，樁難以壓入地層，此時(shí)樁－土相對位移很難增大，開始導(dǎo)致樁側(cè)阻力難以發(fā)揮，如f樁終壓時(shí)已出現(xiàn)變小趨勢，表明f、g樁樁側(cè)摩阻力的發(fā)揮接近極限值。

2)f、g樁在15 m左右從強(qiáng)度較高的砂層進(jìn)入較較弱的黏土和淤泥質(zhì)土中，樁端阻力突然變小，沉樁速度急劇上升，樁土之間為濕摩擦，即存在較厚水膜或泥漿膜，使樁側(cè)阻力變小;但同時(shí)樁端阻力下降會導(dǎo)致樁身切向力增大，而使樁－土之間的黏著力大幅增大，因而出現(xiàn)樁側(cè)摩阻力變小后又增大;當(dāng)樁端阻力穩(wěn)定時(shí) (16～18 m)，此時(shí)沉樁速度達(dá)到最大并開始穩(wěn)定，樁土之間出現(xiàn)穩(wěn)定厚度的水膜或泥漿膜，樁土之間為濕摩擦，樁側(cè)摩阻力開始下降。

2.3 終壓時(shí)樁側(cè)阻力對承載力時(shí)效性的影響分析

分析圖1可得，b、c、f、g樁終壓時(shí)樁側(cè)阻力隨樁端阻力的增大而增大，b、c、f樁樁側(cè)阻力明顯回落，表明這幾根樁終壓時(shí)的樁側(cè)摩擦為干摩擦。f、g樁的樁側(cè)阻力的發(fā)揮接近極限值，樁側(cè)摩阻力發(fā)揮程度很高;b、c樁因樁端土強(qiáng)度大致使樁下沉困難，從而使樁土相對位移過小不能充分發(fā)揮樁側(cè)阻力。尤其要注意的是，b、c樁在間歇期后仍然難以下沉，故不能使承載力提高;d、e樁都未達(dá)到干摩擦狀態(tài)，其側(cè)摩阻力的發(fā)揮程度未達(dá)到極限值，樁側(cè)摩阻力發(fā)揮程度很低，有提高的可能。根據(jù)樁側(cè)摩阻力是承載力時(shí)效性的主要原因這一結(jié)論以及上述的分析，b、c、f、g樁的承載力時(shí)效性應(yīng)很小，而d、e樁的時(shí)效性應(yīng)很明顯。這一規(guī)律在表4得到了證實(shí)，b、f、g樁幾乎沒有時(shí)效性，d、e樁具有明顯時(shí)效性，僅c樁表現(xiàn)出較明顯的側(cè)阻力時(shí)效性。但是，c樁側(cè)阻力僅發(fā)揮了最大側(cè)阻力的很小一部分，c樁的承載力提高僅為10%，這表明c樁的承載力時(shí)效性并不明顯。

綜上所述，靜壓樁的承載力時(shí)效性主要取決于終壓時(shí)樁側(cè)摩擦的性狀及其發(fā)揮程度。

3 結(jié)論

通過上述的分析研究，可得如下結(jié)論:

1)樁端阻力的變化導(dǎo)致沉樁速度的變化，從而導(dǎo)致樁側(cè)摩擦在干、濕摩擦之間不斷轉(zhuǎn)變，樁側(cè)阻力隨之不斷變化。

2)當(dāng)樁穿過較硬土層進(jìn)入軟弱土層，應(yīng)同時(shí)考慮沉樁速度增大和切向力增大兩個(gè)因素對樁側(cè)摩擦的影響。

3)對于端承型靜壓樁，終壓時(shí)樁端阻力不斷增大，樁側(cè)摩擦由濕摩擦向干摩擦轉(zhuǎn)變，直至樁側(cè)阻力極限值;隨著樁端阻力的繼續(xù)增大，樁端下沉困難而使樁土相對位移過小而無法充分發(fā)揮樁側(cè)阻力，而且間歇期后仍難以發(fā)揮。

4)對于端承載型靜壓樁，若終壓時(shí)樁側(cè)摩擦為干摩擦，該樁的承載力時(shí)效性不顯著，若仍為濕摩擦則時(shí)效性顯著。

致謝:本文的試驗(yàn)在珠三角地區(qū)完成，其他地區(qū)否具有相同規(guī)律，尚須進(jìn)一步驗(yàn)證。本文的試驗(yàn)與廣東永基建筑基礎(chǔ)有限公司合作完成，在此對該公司相關(guān)人員的辛苦工作表示衷心的感謝。

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