崔維燦

上海廣聯(lián)環(huán)境巖土工程股份有限公司 上海 200444

1 概述

以軟土沉積為主的天津地區(qū)，在經(jīng)歷了海陸變遷后，形成了巨厚的沉積物，其樁基承載力的實(shí)現(xiàn)主要是通過樁與土的摩擦力，因此樁側(cè)摩阻力的重要性不言而喻。但無(wú)論是在現(xiàn)有的規(guī)范中，還是實(shí)際的應(yīng)用中，樁側(cè)摩阻力的大小往往被認(rèn)為是一個(gè)常數(shù)，同時(shí)樁的承載力也只是樁端阻力和樁側(cè)阻力的簡(jiǎn)單相加，并將樁側(cè)摩阻力的大小簡(jiǎn)單地認(rèn)為只取決于地層情況，但自20世紀(jì)70年代以來，一些試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，樁端情況影響著樁側(cè)摩阻力的大小。一般的規(guī)律是樁端土的強(qiáng)度越大，那么樁側(cè)摩阻力也會(huì)隨之增大，而樁端土強(qiáng)度較低時(shí)，樁側(cè)摩阻力會(huì)隨之變小。對(duì)此，席寧中[1]、劉利民等[2]、張忠苗等[3]、張建新等[4]針對(duì)樁端強(qiáng)度對(duì)樁側(cè)阻力的強(qiáng)化效應(yīng)也進(jìn)行了闡述。

上述的情況說明，樁端持力層的情況是影響樁側(cè)摩阻力發(fā)揮的一個(gè)因素，對(duì)于以摩擦樁為主的天津軟土地區(qū)則顯得尤為重要。

因此，深入探討這個(gè)問題，對(duì)于優(yōu)化今后的樁基設(shè)計(jì)、改進(jìn)傳統(tǒng)意義上的樁基承載力計(jì)算方法等都有著非常積極的意義。

2 樁端土層強(qiáng)度情況對(duì)樁側(cè)阻力影響的分析

通過查閱大量的資料，表明樁端土層強(qiáng)度對(duì)于樁側(cè)摩阻力的影響一般都集中于樁端位置。

文獻(xiàn)[2]中提供了焦—枝復(fù)線某工程鉆孔灌注樁在不同加載條件下樁側(cè)阻力的實(shí)測(cè)結(jié)果（圖1），通過結(jié)果分析就反映了以上事實(shí)。

圖1 焦—枝復(fù)線樁側(cè)阻力實(shí)測(cè)曲線

由圖1看到，一開始軸力較小，樁-土的相對(duì)位移量有限，因此側(cè)摩阻力較小。當(dāng)軸力逐漸增大，位移隨之增大，此時(shí)樁土相互作用逐漸明顯，側(cè)阻力有了明顯增大，產(chǎn)生了側(cè)阻力強(qiáng)化現(xiàn)象。

這種現(xiàn)象可以解釋為在軸力逐漸變大的過程中，樁端土的強(qiáng)度逐漸發(fā)揮作用，而此時(shí)樁端附近的側(cè)摩阻力也會(huì)逐漸增大。

3 天津軟土地區(qū)樁端土層強(qiáng)度情況對(duì)單樁承載力的影響分析

對(duì)于天津軟土地區(qū)，文獻(xiàn)[5]中提供了天津地區(qū)15個(gè)典型工程的載荷試樁資料，通過對(duì)比不同樁端條件情況下單樁承載力計(jì)算值和實(shí)測(cè)值的關(guān)系，來分析樁端土層強(qiáng)度不同對(duì)樁側(cè)阻力的影響。因此將上述15個(gè)工程分為2大類進(jìn)行統(tǒng)計(jì)（表1、表2），得到了如下結(jié)果：

表1 試樁結(jié)果與計(jì)算結(jié)果的比較（一）

表2 試樁結(jié)果與計(jì)算結(jié)果的比較（二）

1）由表1我們看到，當(dāng)樁端土是粉土或者粉砂時(shí)，通過計(jì)算得到的單樁承載力計(jì)算值和試 樁值有較大區(qū)別，除了序號(hào)2和8的工程以外，其他工程的計(jì)算值與試樁值的比值大約都為1.4。

2）由表2我們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)樁端土是粉質(zhì)黏土?xí)r，通過計(jì)算得到的單樁承載力計(jì)算值和試樁值基本一致，試樁值與計(jì)算值的比值在1.03附近。

由以上2組數(shù)據(jù)我們可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)樁端土層為粉質(zhì)黏土?xí)r，計(jì)算值和實(shí)測(cè)值相比出入不大，但是當(dāng)樁端土強(qiáng)度較大，為粉砂或粉土?xí)r，按照規(guī)范計(jì)算得到的計(jì)算值卻與實(shí)測(cè)值有較大差別，這也說明了在天津地區(qū)，對(duì)于單樁承載力的計(jì)算，按照規(guī)范計(jì)算的承載力在樁端土層強(qiáng)度較高的時(shí)候顯得有些保守。

4 樁端土層情況對(duì)樁側(cè)阻力影響作用的機(jī)理

4.1 樁端土層情況對(duì)樁側(cè)阻力影響的幾種原因

對(duì)于樁側(cè)阻力強(qiáng)化效應(yīng)的解釋有以下幾種：

1）徑向壓力增強(qiáng)的原因。由于樁端土體密實(shí)度不盡相同，在樁端土密實(shí)的情況下，破壞時(shí)，其剪切面可連續(xù)開展達(dá)到樁身側(cè)面，這相當(dāng)于對(duì)樁身施加了一個(gè)附加徑向壓力，因而增加了極限側(cè)阻力。

2）樁下部土體的擠密原因。當(dāng)樁受到較大荷載破壞時(shí)，在樁端附近的土體由于受到土壓力的作用，其滑動(dòng)面不能達(dá)到地面，只是在樁端附近形成了一個(gè)封閉的塑性區(qū)，而在這個(gè)塑性區(qū)內(nèi)，土體逐漸被擠密，從而導(dǎo)致樁側(cè)阻力變大。

3）Meyerhof提出的樁基礎(chǔ)破壞模式（圖2）。在樁端荷載P的作用下，Ⅰ區(qū)土體向下移動(dòng)，并且作用到Ⅱ區(qū)和Ⅲ區(qū)的土體，而Ⅱ區(qū)和Ⅲ區(qū)的土體又作用到了Ⅳ區(qū)。通過以上的運(yùn)動(dòng)，會(huì)使樁端土體密實(shí)度增加，樁身下部的法向應(yīng)力增加，并且隨著樁端荷載P的逐漸增大，這種效果逐漸明顯，也因此造成了摩阻力的增大。

圖2 Meyerhof樁基破壞模式示意

4）運(yùn)用莫爾-庫(kù)侖理論分析樁端土強(qiáng)度對(duì)樁側(cè)阻力影響的作用機(jī)制。

當(dāng)樁端土強(qiáng)度較低而上部荷載較大時(shí)，樁端處會(huì)出現(xiàn)刺入變形情況。因此位于樁端處的土?xí)鶚抖朔较蛞苿?dòng)，這就會(huì)減小樁端附近土與樁的相對(duì)位移，相對(duì)位移的減少直接影響到了樁側(cè)摩阻力的發(fā)揮，導(dǎo)致側(cè)阻力降低。

對(duì)于樁端土強(qiáng)度比較大的情況，上部荷載導(dǎo)致樁向下移動(dòng)，在樁端荷載作用下，形成如圖3所示的變形。這一成拱作用的發(fā)生，使樁端及以上樁土相對(duì)位移增大，在沒有塑性變形范圍內(nèi)的土的應(yīng)力加大，在樁端發(fā)生塑性變形范圍的土體應(yīng)力降低。在塑性變形區(qū)域，土向樁端附近發(fā)展，而樁端位置的土向下移動(dòng)。同時(shí)對(duì)于樁端上部的塑性變形區(qū)也會(huì)如此。由于上部有覆土以及成拱作用的存在，在成拱范圍內(nèi)樁側(cè)壁上的水平應(yīng)力增大，在上部覆土與成拱的共同作用下，最后會(huì)在某個(gè)區(qū)域范圍內(nèi)穩(wěn)定下來，形成類似于梨形的塑性破壞圈。

當(dāng)土層強(qiáng)度較低時(shí)，樁端阻力較小，樁端的范圍同樣較小，其壓縮性也就會(huì)比較小，這也造成了樁端上部塑性區(qū)對(duì)樁側(cè)壁影響的降低。

但當(dāng)樁端土層強(qiáng)度較大時(shí)，在壓力的作用下，樁端下部的土體會(huì)發(fā)生明顯壓縮，會(huì)把成拱作用的范圍和塑性變形的范圍擴(kuò)大到上部更大的范圍，從而使樁端附近土相對(duì)位移變大，而且樁端附近土體的應(yīng)力相應(yīng)地也會(huì)變大。綜合上述種種原因，在樁端強(qiáng)度不同的情況下，樁端附近的側(cè)阻力并不是一個(gè)固定值，而是受樁端土層情況影響的，樁端土強(qiáng)度較大時(shí)，更有利于樁端側(cè)阻力的發(fā)揮。

圖3 成拱作用模式示意

4.2 成孔后的應(yīng)力釋放以及施工情況對(duì)樁端處樁側(cè)阻力的影響

上述觀點(diǎn)都能部分說明在樁端土層不同的情況下，其對(duì)樁側(cè)壁摩阻力的作用機(jī)理，但是這種作用的機(jī)制并不是單一的。

通過研究，認(rèn)為樁端條件對(duì)樁端處樁側(cè)阻力的影響原因可能有以下幾方面：

1）成孔后的應(yīng)力釋放。單樁承載力的發(fā)揮依賴的是樁和土的相互作用，對(duì)于側(cè)阻力，受樁-土之間的相對(duì)位移、變形以及周圍土體性質(zhì)的影響，當(dāng)樁基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁時(shí)，樁端土層強(qiáng)度越低，那么在成孔后的應(yīng)力釋放就會(huì)越明顯，此時(shí)土體受到擾動(dòng)后，抗剪強(qiáng)度因此降低，這也會(huì)導(dǎo)致樁側(cè)摩阻力發(fā)揮受限，但當(dāng)樁端土層強(qiáng)度較大時(shí)，成孔后土的軟化作用影響較小，這對(duì)樁側(cè)摩阻力的發(fā)揮是有利的。

2）施工情況的影響。在鉆孔灌注樁施工時(shí)，受成孔時(shí)間等因素的影響，成孔后的泥皮有時(shí)會(huì)形成困難，在混凝土灌注時(shí)，在孔壁會(huì)形成一層水泥漿硬層，這種硬層主要是由滲入的水泥漿形成的，而滑移的位置發(fā)生在該硬層的外部，該硬層在樁發(fā)生位移時(shí)，樁的有效樁徑以及側(cè)面積都會(huì)加大，樁的總側(cè)阻力也會(huì)相應(yīng)加大[6]。對(duì)于樁底，由于成孔時(shí)間最短，其泥皮形成的效果也是最差的，因此樁身側(cè)壁水泥土硬層的影響也將加大，直接導(dǎo)致了在樁端位置的側(cè)壁摩阻力增大。

3）沉樁時(shí)的影響。沉樁時(shí)，樁端向下的位移會(huì)直接造成樁端下部土體的位移，在樁端土強(qiáng)度不同的情況下，樁端移動(dòng)對(duì)下部土體發(fā)生位移的影響范圍不盡相同，而影響范圍的不同也會(huì)使土體側(cè)阻力的發(fā)揮不盡相同，因此對(duì)于不同的樁端土層情況，樁側(cè)阻力的發(fā)揮也受到了不同的影響[7-9]。

5 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)如上探討，樁端持力層土層情況的不同會(huì)影響到樁端附近樁側(cè)阻力的發(fā)揮，而這種影響是十分普遍的。天津軟土地區(qū)同樣存在這種現(xiàn)象，即樁端土層強(qiáng)度較大會(huì)使得樁端附近樁的側(cè)阻力值得到提高，樁端土層強(qiáng)度較低會(huì)使得相應(yīng)的樁端附近樁的側(cè)阻力值變小。這一變化受多種因素的影響，如沉樁情況、施工情況、樁土的混合作用，都會(huì)對(duì)樁端側(cè)阻力的發(fā)揮產(chǎn)生影響。因此，在天津軟土地區(qū)，針對(duì)不同樁端土層情況與樁側(cè)阻力影響進(jìn)行更近一步的研究十分有必要，這對(duì)于傳統(tǒng)的樁基承載力的計(jì)算也有著參考、改進(jìn)意義，尤其對(duì)于勘察工作，在與設(shè)計(jì)提供相應(yīng)樁基的設(shè)計(jì)參數(shù)時(shí)，適當(dāng)?shù)乜紤]樁端土層條件不同對(duì)樁側(cè)阻力的影響是有一定意義的，這樣既能滿足設(shè)計(jì)要求，又能產(chǎn)生更好的經(jīng)濟(jì)效益。