(貴州大學 土木工程學院，貴陽 550025)

1 研究背景

在樁基工程中，對于樁土(巖)組合結構而言，由于巖(土)體離散性以及樁土(巖)接觸面復雜相互作用等因素的影響，按照規(guī)范法每一次試樁試驗只能確定一根樁的側(cè)阻力，比較繁瑣且不夠經(jīng)濟。因此，有必要對所測樁土(巖)組合結構的力學參數(shù)展開研究，以尋求一種簡單適用的樁基側(cè)阻力確定方法。

目前國內(nèi)外眾多學者基于連續(xù)介質(zhì)力學理論和非連續(xù)介質(zhì)理論及樁基施工工藝等，對樁基的靜、動力學特性進行了深入研究。

(1)連續(xù)介質(zhì)力學理論方面：程昌鈞等[1]將樁土系統(tǒng)看成半無限空間黏彈性體，利用應力-應變協(xié)調(diào)條件，在空間柱坐標系中研究巖土對樁基的抗力和各種端部條件下樁基的剛度；Koo等[2]研究了樁-土上部結構動力相互作用；Wong等[3]建立了水平振動下樁土非線性相互作用的力學模型；陸建飛等[4]研究了飽和層狀兩相介質(zhì)固結和流變作用下樁的動力行為。

(2)非連續(xù)介質(zhì)理論方面：Matlock[5]和Reese等[6]利用綜合反映土體的非線性、樁基剛度和外荷載特點的土體抗力集度P和樁基相對應點撓度y曲線，計算了樁基的內(nèi)力和變形；Mylonakis等[7]給出了雙層土地基中相互作用因子和群樁水平動力阻抗的計算方法；黃茂松等[8]采用動力Winkler 地基模型模擬了樁土的動力相互作用，并運用傳遞矩陣法考慮地基土的分層特性，計算了群樁水平動力阻抗和樁身內(nèi)力；Zertsalov等[9]研究表明,樁的承載力不僅取決于地基的抗壓承載力，同時也受到了樁的埋置深度、巖(土)體的壓縮模量、樁體的彈性模量以及樁側(cè)阻力的影響。

(3)施工工藝方面：蔡江東等[10]研究了樁土界面特性以及界面上正應力對樁基側(cè)阻力的影響；張利新[11]利用不同的注漿施工工況，對試樁樁側(cè)埋設的鋼筋計的測試結果進行分析，得到不同土層在注漿后的極限側(cè)阻力增強系數(shù)，推斷出抗壓樁端阻力增強系數(shù)，得到了實測值與規(guī)范值之間的對應關系。然而，在樁土(巖)接觸面的復雜相互作用情況下，樁基的力學特性研究仍有許多理論難點有待突破。

從已有的研究成果來看，對樁基動、靜力學特性的研究，多集中于樁土(巖)相互作用的靜力非線性和動力非線性方面。鑒于此，本文采用連續(xù)介質(zhì)理論，同時考慮樁土(巖)接觸面間的變形協(xié)調(diào)關系，將樁基看作由不同剛度地質(zhì)材料組成的層狀體，利用規(guī)范法與理論相結合，通過樁基試驗得到樁土(巖)力學參數(shù)，建立了快速確定樁基側(cè)阻力的模型，對層狀樁土(巖)體問題求解過程中的適用性進行模型驗證。驗證表明，該模型利用單樁試驗數(shù)據(jù)對現(xiàn)場每一根樁的側(cè)阻力預測是較為準確的，可為類似工程所使用。

2 樁基側(cè)阻力承載機制

樁周土(巖)體壓密、彈性變形、彈塑性變形及破壞通過樁土(巖)間的剪切作用發(fā)生[12]。樁與土(巖)體界面上剪應力首先達到彈性極限值τmax，然后巖土體將剪應力傳遞給相鄰單元，這一過程連續(xù)傳遞于m倍基樁直徑外，直至剪應力最終趨于0(根據(jù)《建筑樁基技術規(guī)范》(JGJ 94—2008)[13]，可認為m=5.5d，d為樁徑)。為簡化起見，假定基樁周圍土(巖)體剪應力為三角形分布，即樁與土(巖)體界面上的剪應力最大，m倍基樁直徑處剪應力為0，如圖1所示。

圖1 剪應力傳遞簡化模型Fig.1 Simplified model of the transfer of shearing force along the pile

3 樁土(巖)復合體理論分析

對如圖2所示的樁土(巖)復合體連續(xù)介質(zhì)單元假定：①樁體和樁周土(巖)體均為各向同性線彈性體；②樁土(巖)變形穩(wěn)定時屬小變形；③樁土(巖)復合體變形處于極限平衡時樁土(巖)界面不分離，但土(巖)、樁的變形趨勢相差n倍。n與樁土(巖)復合體性質(zhì)有關，且土(巖)與樁彈性模量相差越大，n越大；相差越小，則越趨近于1，可通過數(shù)值擬合方法獲得。由廣義胡克定律及應力-應變疊加原理，可得樁土(巖)復合體連續(xù)介質(zhì)彈性本構方程[15]，即：

(1)

(2)

(3)

(4)

注：為微元體的切應力；mi為疊加后的合力矩。圖2 理論分析微元體Fig.2 Element volume of continuous medium

對如圖2所示的土(巖)層和樁體，分別由彈性理論可得：

(5)

(6)

(7)

(8)

式中：υs，υp分別為土(巖)和樁身的泊松比；Es，Ep分別為土(巖)和樁身的彈性模量。聯(lián)立式(1) —式 (8)，可得樁土(巖)復合體的本構關系為

(9)

其中：

D11=(αpEp+nαsEs)-1；

D12=-(αpυp+αsυs)D11；

D21=-(αpυp+nαsυs)D11；

聯(lián)立式(1)、式(2)、式(3)、式(5)、式(7)、式(9)可得樁土(巖)剪應力為

4 樁基側(cè)阻力的初探

4.1 當樁基相互無影響時

(11)

圖3(a)、圖3(b)分別為Es/Ep=0.001，n=15時及Es/Ep=0.001，L=4時，樁基側(cè)阻力變化趨勢(為計算方便，假定ψsi=βsi=1.0)。從圖3(a)可以看出：土(巖)與樁的彈性模量比Es/Ep恒定條件下，樁側(cè)阻力隨L增加而提高;從圖3(b)可以看出：土(巖)與樁的彈性模量比Es/Ep恒定條件下，樁側(cè)阻力隨n增加而提高。

圖3 樁基側(cè)阻力與L和n的關系(Es/Ep=0.001)Fig.3 Relation of side resistance against L and n (Es/Ep=0.001)

圖4 樁基側(cè)阻力與Es/Ep的關系(L=4，n=20)Fig.4 Relation between side resistance and Es/Ep (L=4，n=20)

圖4為n=20，L=4時，樁基側(cè)阻力變化趨勢(為計算方便，假定ψsi=βsi=1.0)?？梢钥闯觯簶痘鶄?cè)阻力隨Es/Ep增大而逐漸提高，即樁身混凝土強度等級降低或樁周土(巖)彈性模量提高，都會使樁基側(cè)阻力增加，且Es/Ep越大，樁基側(cè)阻力變化越明顯。由此可見，提高樁身混凝土強度等級，有可能導致樁基側(cè)阻力降低，但通過后注漿等技術方法可以明顯提高樁基側(cè)阻力。

4.2 當樁基相互影響時

圖5 樁基側(cè)阻力與的關系(L=4，n=20)Fig.5 Relation between side resistance and (L=4，n=20)

5 本文方法適用性驗證

5.1 試樁資料

富源路A地塊的A1棟塔樁基礎為沖孔灌注樁。施工時采用泥漿護壁與低錘密擊的方法，并及時添加片石、砂礫使孔壁擠壓密實，每沖擊1～2 m，排渣一次，并定時補漿，直至設計深度；采用樁端、樁側(cè)復式后注漿技術，在樁底和樁側(cè)分別10，18，27 m各設一道樁側(cè)壓漿管。

2根試樁樁長35.0 m、樁徑1.2 m，樁周地層巖性基本一致，但樁底支承條件有所不同(1#試樁底為黏性土；2#試樁底依次為厚度3.5 m的黏土層與約26 m的淤泥質(zhì)黏土層)。地基土物理力學參數(shù)如表1所示，其中土體的彈性模量E為3個試樣的平均值，0～-6.5 m(原地面為0 m)的彈性模量E由重塑土測試而得。每根試樁設置8個斷面，每個斷面埋設3個鋼筋應力計進行數(shù)據(jù)采集。其中樁身軸力分布如圖6所示。

表1 樁周土體物理力學參數(shù)Table 1 Physico-mechanical parameters of soil layers

圖6 樁身軸力分布Fig.6 Axial stress distribution of piles

5.2 側(cè)阻力計算方法驗證

為驗證連續(xù)介質(zhì)理論建立側(cè)阻力的計算公式在樁基側(cè)阻力分析中的有效性與合理性，利用規(guī)范法[13,16]與本文方法對工程試樁進行了計算，并對結果進行了比較分析。計算的結果如表2、圖7所示。

由于本文方法與規(guī)范法計算的理論值較為接近，圖7僅表示了L=3，n=27條件下，本文方法計算結果與規(guī)范法計算結果對比。

由本文計算方法與規(guī)范法[13,16]計算結果可以看出：①從樁埋深來看，距荷載箱越近，樁基側(cè)阻力極限值計算越精確，誤差越小；②與1#試樁相比，2#試樁(樁底為淤泥質(zhì)黏土層)計算精度更高；③1#和2#試樁計算結果可以說明當樁底存在軟弱夾層時，參數(shù)L和n可近似看作常數(shù)；而樁底無軟弱層時，參數(shù)L和n隨距荷載箱距離的增大而增大。④利用試樁數(shù)據(jù)擬合的參數(shù)L和n，并結合巖土工程勘察階段土(巖)體的彈性模量，即可獲得場地每根樁的側(cè)阻力分布規(guī)律，為樁基的設計提供依據(jù)。

表2 2根試樁樁基側(cè)阻力規(guī)范法與本文方法計算結果對比Table 2 Comparison of side resistance calculated by specification approach and the method in this paper

6 結 論

(1)將樁基看作由不同剛度地質(zhì)材料組成的整體，基于連續(xù)介質(zhì)理論的正應力-應變關系，建立了快速確定樁基側(cè)阻力計算公式。該方法可計算單樁與疏樁的側(cè)阻力，也可對存在擠土效應樁基的側(cè)阻力進行計算。

(2)從計算結果對比分析可以看出，樁基側(cè)阻力隨Es/Ep增大而提高，即樁身混凝土強度等級降低或樁周土(巖)彈性模量提高，都會使樁基側(cè)阻力增加，且Es/Ep越大，樁基側(cè)阻力變化越明顯。

(3)由規(guī)范法與本文方法計算試樁側(cè)阻力的結果對比分析可以看出，本文方法計算的結果較為可信。因此，可以利用連續(xù)介質(zhì)理論計算方法對類似場地工程樁側(cè)阻力進行預測，且這種預測是快速、可行和有效的。