洪勇

（如皋市交通運(yùn)輸局，江蘇 如皋226500）

1 引言

樁基礎(chǔ)是深基礎(chǔ)的重要形式，抗壓性能較好，能夠使上部荷載有效傳遞到地基中。因具備較高的穩(wěn)定性和承載力等特點(diǎn)，樁基礎(chǔ)得到了較為廣泛的應(yīng)用，當(dāng)前在眾多基礎(chǔ)形式中屬于較為成熟的一種[1]。在經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的當(dāng)今，隨著不斷增大的結(jié)構(gòu)物上部荷載，對(duì)下部基礎(chǔ)也提出了越來(lái)越高的要求。

2 鉆孔灌注樁單樁承載力的影響因素分析

橋梁所受荷載在樁基礎(chǔ)的作用下會(huì)隨之傳遞到地基土中，使應(yīng)力有所擴(kuò)散。在樁頂荷載向下傳遞的過(guò)程中，會(huì)分配給樁側(cè)和樁端土，具體表現(xiàn)為樁側(cè)的摩阻力以及樁端的抵抗力[2]。上部荷載在樁側(cè)摩阻力的作用下主要以剪應(yīng)力的形式作用到樁周土中，在樁端的持力層土體中，樁端的抵抗力則主要是通過(guò)持力層壓縮變形的方式體現(xiàn)。因樁和土體間的作用較為復(fù)雜，故若要對(duì)樁基的承載力進(jìn)行準(zhǔn)確的評(píng)估，并對(duì)其進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)，對(duì)豎向荷載作用下樁基的變形做出正確的認(rèn)識(shí)是必不可少的。

對(duì)于橋梁樁基礎(chǔ)，其所受到的豎向荷載主要是通過(guò)承臺(tái)的方式進(jìn)行傳遞的，并由樁側(cè)和樁端阻力共同承受。單樁豎向承載力的影響因素較為復(fù)雜，當(dāng)樁頂作用有豎向荷載時(shí)，樁體上部產(chǎn)生向下的位移，樁側(cè)土體產(chǎn)生向上的摩阻力，樁身荷載以樁側(cè)摩阻力的方式擴(kuò)散到樁周土中[3]。由于入土深度不斷增加，樁身受到的軸力、壓縮量也不斷減小，并表現(xiàn)出不斷加大的樁側(cè)阻力。對(duì)于鉆孔灌注樁，影響其性能發(fā)揮的因素較多，影響因素彼此之間的關(guān)系往往也較為復(fù)雜，基于對(duì)前人研究的分析可知，對(duì)單樁承載力產(chǎn)生影響的因素主要包括樁周土性能、樁的尺寸以及樁身材料等。對(duì)于單樁承載力，樁側(cè)和樁周土的抗剪強(qiáng)度等性能對(duì)其有較大的影響。

3 工程概況

某高速公路橋梁長(zhǎng)6 850 m，寬42 m。全橋共設(shè)置有1 612根鉆孔灌注樁，樁徑分別為1.2 m、1.3 m以及1.8 m。為便于后續(xù)對(duì)該鉆孔灌注樁進(jìn)行研究，本文將對(duì)其開(kāi)展靜載試驗(yàn)，對(duì)承載特性以及極限承載力狀態(tài)下的樁基承載力特性進(jìn)行分析，從而對(duì)樁基設(shè)計(jì)進(jìn)一步優(yōu)化。

4 試驗(yàn)分析

4.1 試驗(yàn)概況

本次試驗(yàn)共分為A組和B組。設(shè)計(jì)時(shí)，按照加載的最大量估算值進(jìn)行，從資源節(jié)約的角度出發(fā)，本次試驗(yàn)的試樁在相鄰時(shí)共用2根錨樁，共9根。其中A組樁長(zhǎng)為35 m，B組樁長(zhǎng)為24 m，樁徑均為1.3 m，錨樁長(zhǎng)35 m，樁徑為1.5 m。試樁澆筑時(shí)所使用的混凝土等級(jí)為C25，主筋共使用直徑為22 mm的HRB335鋼筋24根，箍筋則使用直徑為8 mm的HRB235鋼筋，加筋箍筋使用直徑為18 mm的HRB335的鋼筋，并以2 m的間隔進(jìn)行設(shè)置?；诂F(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)環(huán)境以及試樁條件，對(duì)其加載量的最大值進(jìn)行估算可得表1所示結(jié)果。

表1 各試樁最大加載量及極限承載力匯總

試驗(yàn)使用的是逐級(jí)加載的方式，以最大加載量估算值的1/10作為各級(jí)加載量，并按照5 min和10 min的間隔進(jìn)行加載，再以15 min的間隔進(jìn)行讀數(shù)，1 h后再以30 min的間隔進(jìn)行讀數(shù)。再逐級(jí)加載時(shí)，應(yīng)確保每小時(shí)沉降量均在0.1 mm以?xún)?nèi)，在連續(xù)2次加載之后即可將其看作穩(wěn)定狀態(tài)，繼而開(kāi)展下次加載。各個(gè)試樁的分級(jí)加載情況和加載最大值見(jiàn)表2。荷載-沉降曲線如圖1所示。

表2 各試樁加載及卸載分級(jí)

圖1 荷載-沉降曲線

Sa1試樁的加載量最大為21 000 kN，Sa2試樁的加載量最大為22 000 kN。對(duì)于Sa1，沉降最大值為40 mm，回彈量最大值為7.8 mm，回彈率為19%；對(duì)于Sa2，沉降最大值為40 mm，回彈量最大值為11 mm，回彈率為28%；對(duì)于Sb1和Sb2，二者的加載量最大值均為18 000 kN，Sb1的沉降量最大值為40 mm，回彈量最大值為6.8 mm，回彈率為17%；Sb2試樁則有的沉降量最大值為40 mm，回彈量最大值為6.7 mm，回彈率為16%。

單樁極限承載力可由上述曲線直接表示，從曲線中可以看出，2組試樁均不具備顯著拐點(diǎn)，因此，無(wú)法通過(guò)曲線確定其單樁極限承載力。對(duì)于直徑較大的樁基，多數(shù)情況下是按照其樁頂沉降量計(jì)算極限承載力的。試樁的樁頂均產(chǎn)生40 mm沉降時(shí)，A組中Sa1試樁的極限承載力為21 000 kN，Sa2試樁的極限承載力為23 000 kN，Sb1和Sb2試樁的極限承載力均為18 000 kN。采用泥漿護(hù)壁的試樁，因具備較大的孔徑，施工時(shí)難免會(huì)因?yàn)榍蹇仔Ч患讯鴮?dǎo)致淤泥滯留在孔底而影響樁端阻力。故在圖1曲線中會(huì)表現(xiàn)出線性遞減的情況。

對(duì)于直徑較大的鉆孔灌注樁，一般不會(huì)出現(xiàn)整體剪切變形破壞，而是會(huì)以漸進(jìn)的方式出現(xiàn)破壞。特別是在砂土、碎石土等地質(zhì)條件較好的土層中的灌注樁，多數(shù)情況下不會(huì)樁端的刺入變形，故可按照3個(gè)組成部分來(lái)劃分樁基沉降，分別為：樁身在豎向荷載下的彈性壓縮、在豎向荷載作用下樁端土的壓縮以及樁端土在樁側(cè)阻力作用下的壓縮。

圖1中的曲線直接反映出單樁極限承載力和樁長(zhǎng)之間的關(guān)系，可知樁長(zhǎng)越長(zhǎng)，單樁極限承載力越大。當(dāng)其樁長(zhǎng)從25 m增加到35 m時(shí)，即樁長(zhǎng)的增長(zhǎng)率為43%，單樁極限承載力分別有32%以及21%的增長(zhǎng)率。樁側(cè)阻力是摩擦樁承載力的主要來(lái)源，并且與樁側(cè)土的相對(duì)位移有較大的關(guān)聯(lián)。因荷載在向下傳遞時(shí)會(huì)分散到樁周土中一部分，使樁底處承受的荷載小于實(shí)際荷載，故樁長(zhǎng)較長(zhǎng)時(shí)，樁底的樁側(cè)阻力基本可以忽略不計(jì)。但當(dāng)前的多數(shù)工程中，設(shè)計(jì)時(shí)均考慮了樁端持力層的樁側(cè)阻力，往往會(huì)導(dǎo)致其出現(xiàn)過(guò)大的樁長(zhǎng)。

4.2 樁身軸力及樁端阻力發(fā)揮

限于篇幅，本文僅給出部分?jǐn)?shù)據(jù)。樁端阻力占樁頂荷載比例見(jiàn)表3。

表3 樁端阻力占樁頂荷載比例%

在尺寸不同的兩組試樁中有著相似的軸力分布，即其軸力隨著不斷增大的入土深度呈線形遞減。在較低的豎向荷載下，樁周土體逐漸分擔(dān)上部傳遞的荷載，而在樁端處則有著近為0的軸力。此時(shí)的樁身和樁周土均處在彈性狀態(tài)，故樁身軸力表現(xiàn)為線性遞減。

隨著不斷增加的樁頂荷載，樁端阻力也不斷加大，并且相比于樁側(cè)阻力具有一定的滯后性。Sb1樁的樁端阻力占比較大，原因在于成孔過(guò)程中泥漿護(hù)壁產(chǎn)生的泥皮較厚，導(dǎo)致孔壁有不利于滑動(dòng)的介質(zhì)存在，增加了樁端阻力及其占比，并且泥皮厚度越大軸力遞減速度越慢，從表3可知，Sb1樁身軸力相比于Sb2的樁身軸力而言，具有更慢的荷載傳遞遞減效應(yīng)，說(shuō)明泥皮過(guò)厚的假設(shè)是正確的。

4.3 有效樁長(zhǎng)的確定

從上述分析可知，因存在逐漸減小的樁土相對(duì)位移，因此，在荷載傳遞過(guò)程中，樁側(cè)阻力的增長(zhǎng)表現(xiàn)為顯著的深度效應(yīng)。對(duì)于鉆孔灌注樁的承載力，樁基尺寸對(duì)其有著較大的影響，僅提高樁長(zhǎng)并非單樁極限承載力提高的有效方法。故必定存在較為合理的樁長(zhǎng)能夠充分發(fā)揮樁側(cè)以及樁端阻力，以使其承載力以及經(jīng)濟(jì)性都能兼顧。

豎向荷載作用下，樁基礎(chǔ)產(chǎn)生樁土壓縮和相對(duì)位移2種沉降。荷載向下傳遞時(shí)，單樁極限承載力到某一個(gè)固定值后，就不再提升，該樁身的長(zhǎng)度即為有效樁長(zhǎng)。當(dāng)灌注樁的樁長(zhǎng)再到達(dá)某一深度以上時(shí)，樁長(zhǎng)不斷增加，但是樁基承載力不會(huì)有較大的提升，而是隨著樁長(zhǎng)的增加樁側(cè)摩阻力不斷遞減，并且樁側(cè)摩阻力在某一深度可近似看為0。在樁基滿足有效樁長(zhǎng)的要求后，其樁身變形不會(huì)再因樁長(zhǎng)的增加而降低。

在公路橋梁的樁基設(shè)計(jì)中，為確保樁身具備一定的剛度，應(yīng)有足夠長(zhǎng)的樁長(zhǎng)。樁側(cè)以及樁端阻力是影響樁長(zhǎng)的重要因素。樁側(cè)阻力隨著不斷提高的樁長(zhǎng)表現(xiàn)出占比不斷提高，對(duì)于單樁承載力，樁端阻力所產(chǎn)生的作用較小，主要由樁側(cè)阻力提供。曲線趨于平緩時(shí)代表極限承載力保持一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)，此時(shí)的曲線上某一點(diǎn)處的樁長(zhǎng)即為有效樁長(zhǎng)。

有效樁長(zhǎng)有多種計(jì)算方法，多種方法計(jì)算出來(lái)的值存在較大的差異。多數(shù)情況下，在對(duì)有效樁長(zhǎng)進(jìn)行計(jì)算時(shí)均先假定其樁側(cè)阻力以三角形或矩形形式進(jìn)行分布，再通過(guò)沉降和承載力計(jì)算有效樁長(zhǎng)。但基于現(xiàn)場(chǎng)靜載試驗(yàn)可知，單樁側(cè)摩阻力和樁長(zhǎng)表現(xiàn)為二次曲線關(guān)系。不同的樁側(cè)阻力分布影響著最終的計(jì)算結(jié)果。

基于試樁側(cè)向阻力的分布情況，假定樁頂和有效樁長(zhǎng)處不存在樁側(cè)摩阻力，隨著樁長(zhǎng)的不斷增加，樁側(cè)摩阻力會(huì)逐漸減小，并在距離樁頂2/3樁長(zhǎng)位置處保持在最大值，此時(shí)有效樁長(zhǎng)位移則為0。樁側(cè)摩阻力沿樁身的分布如圖2所示（l為樁長(zhǎng)）。

圖2 樁側(cè)摩阻力沿樁身的分布形式

在該模型下計(jì)算某一深度下樁側(cè)摩阻力，有：

式中，Qs為樁側(cè)摩阻力；P為樁頂荷載；d為樁徑；le為有效樁長(zhǎng)；z為樁埋置深度；τ為樁側(cè)阻力。

圖3所示為樁-土的力學(xué)單元，以靜力平衡條件分析樁身中的微小單元，即可取得荷載作用下樁身的彈性壓縮。對(duì)于鉆孔灌注樁而言，其樁頂沉降共包括兩部分內(nèi)容，分別是樁身壓縮以及樁端沉降。

圖3 樁-土力學(xué)單元

樁頂位移可表示為：

式中，E為樁身彈性模量；A為樁身截面面積。

在z′深度處取一微小單元（弧長(zhǎng)為s，高z′）進(jìn)行分析，具體如圖4所示，對(duì)于彈性空間中的任意點(diǎn)K，可通過(guò)單元積分的方式計(jì)算某單元體的側(cè)摩阻力，將其換算在從而換算為豎向位移，為簡(jiǎn)便計(jì)算，具體可將其按照角度換算到極坐標(biāo)內(nèi)進(jìn)行表示。限于篇幅，本文不在此進(jìn)行推導(dǎo)。此外，需注意的是，在考慮樁身剛度時(shí)，直徑較大的鉆孔灌注樁具有較大的長(zhǎng)徑比?；谖灰茀f(xié)調(diào)方程，可以得到：

圖4 樁側(cè)阻力積分示意圖

式中，μ為泊松比；Es為土體壓縮模量。

當(dāng)前，在對(duì)有效樁長(zhǎng)進(jìn)行計(jì)算時(shí)，不同的學(xué)者觀點(diǎn)不同，具有一定的爭(zhēng)議，往往會(huì)混淆有效樁長(zhǎng)和臨界樁長(zhǎng)2個(gè)概念。當(dāng)樁長(zhǎng)達(dá)到某一值時(shí)，樁基在設(shè)計(jì)樁頂荷載的作用下或者在樁頂產(chǎn)生沉降量時(shí)，因荷載傳遞性能的約束而無(wú)法再在該長(zhǎng)度下出現(xiàn)壓縮變形時(shí)，即樁身軸力在某一深度下為0，樁頂荷載以及沉降在該樁基長(zhǎng)度下不會(huì)再產(chǎn)生影響時(shí)的樁長(zhǎng)即為臨界樁長(zhǎng)。而對(duì)于有效樁長(zhǎng)，其主要是在樁頂荷載以及沉降量貢獻(xiàn)率的方面進(jìn)行考慮的，因此，對(duì)于有效樁長(zhǎng)以外的樁基部分，并非不存在軸力，而是對(duì)于樁頂沉降以及樁基承載力而言并無(wú)貢獻(xiàn)。從上述分析可知，二者具有較大的區(qū)別。

5 結(jié)語(yǔ)

基于上文分析，本文主要得出如下結(jié)論：

1）對(duì)于A組和B組試樁，具有21 000 kN和23 000 kN的極限承載力，并且二者的Q-s曲線均表現(xiàn)出緩慢變化趨勢(shì)，滿足該直徑下鉆孔灌注樁的承載力特點(diǎn)。在結(jié)束試驗(yàn)后，2組試樁均沒(méi)有破壞產(chǎn)生，主要通過(guò)沉降量控制其極限承載力。

2）樁端阻力在較小的上部荷載作用下幾乎為零，樁側(cè)摩阻力是樁基承載力的主要來(lái)源；不斷增加上部荷載時(shí)，樁端阻力也表現(xiàn)為逐漸上升，并且逐漸增大承擔(dān)的樁頂荷載的占比，但是對(duì)比樁側(cè)阻力的比例仍然較小，因此，未表現(xiàn)出摩擦樁特性。

3）通過(guò)對(duì)Sb1樁側(cè)阻力占比較大的原因進(jìn)行分析可知，樁側(cè)過(guò)厚的泥皮是主要影響因素，其使樁側(cè)土體性質(zhì)有所改變，從而使其極限摩阻力有所降低。

4）基于單樁承載力和樁長(zhǎng)的關(guān)系，引入有效樁長(zhǎng)的概念，并對(duì)有效樁長(zhǎng)進(jìn)行了解析，可為樁基設(shè)計(jì)提供參考。