李雨軍, 馬云長(zhǎng), 郭 霞

(核工業(yè)湖州勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院股份有限公司, 浙江湖州 313000)

0 引言

為加快打造環(huán)太湖新經(jīng)濟(jì)生態(tài)圈,積極融入長(zhǎng)三角區(qū)域一體化,湖州市政府積極推進(jìn)長(zhǎng)東片區(qū)的開(kāi)發(fā)建設(shè),目前在建的太湖灣單元開(kāi)發(fā)建設(shè)項(xiàng)目,地處太湖南岸,該地區(qū)地質(zhì)條件較為復(fù)雜,多為淤泥或淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土,因此,部分高大建筑物選用大直徑超長(zhǎng)鉆孔灌注作為建筑物的基礎(chǔ)。

大直徑超長(zhǎng)鉆孔灌注樁通常指的是樁徑大于φ800 mm,樁長(zhǎng)大于60 m的鉆孔灌注樁,普通的中短樁已不能滿足高荷載下的承載力要求,大直徑超長(zhǎng)鉆孔灌注樁由于其較高的承載力和便于施工的特點(diǎn)廣泛應(yīng)用于大型基礎(chǔ)工程中[1]。

目前關(guān)于大直徑超長(zhǎng)灌注樁側(cè)摩阻力的研究較為松散、零碎,難以形成系統(tǒng)性,多數(shù)學(xué)者從不同的角度研究了樁側(cè)摩阻力的影響,馬文杰、蔡雪霽等[2-3]分別采用室內(nèi)試驗(yàn)和有限元模擬技術(shù),說(shuō)明了長(zhǎng)徑比對(duì)樁側(cè)摩阻力的影響;汪鵬程等[4]利用靜載試驗(yàn)和有限元技術(shù),研究了深度對(duì)樁側(cè)摩阻力的影響;葉建忠等[5]通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的分析,說(shuō)明了荷載大小對(duì)樁側(cè)摩阻力的影響?？偨Y(jié)以上可知,前人多是從單方面對(duì)樁側(cè)摩阻力的發(fā)揮進(jìn)行論述,缺少綜合性的分析。

因此,本文一方面為保證太湖灣單元的開(kāi)發(fā)順利完成,另一方面作為科學(xué)研究對(duì)該問(wèn)題進(jìn)行探討,針對(duì)近年來(lái)有關(guān)大直徑超長(zhǎng)灌注樁樁側(cè)摩阻力的研究因素進(jìn)行總結(jié)、歸納和分析,并指出當(dāng)前關(guān)于樁側(cè)摩阻力研究的主要問(wèn)題,以期為今后該方向的研究提供一個(gè)思路,并為該地區(qū)的工程開(kāi)發(fā)和項(xiàng)目建設(shè)提供參考。

1 樁側(cè)摩阻力影響因素

樁側(cè)摩阻力的產(chǎn)生是因?yàn)闃杜c土接觸時(shí),在樁頂上部荷載的壓力下,樁與土發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)而產(chǎn)生的[6],也就是說(shuō),樁側(cè)摩阻力是組成樁基承載力的重要部分。影響樁側(cè)摩阻力發(fā)揮的因素很多,只有深入理解樁側(cè)摩阻力發(fā)揮的因素,才能有效地進(jìn)行地質(zhì)勘察和樁基設(shè)計(jì)等方面的工作。

1.1 樁體剛度的影響

通常來(lái)說(shuō),荷載與變形是影響樁基穩(wěn)定性的2個(gè)重要方面。某種情況下,樁基礎(chǔ)的承載力可以不斷增加,但如果樁基變形過(guò)大,此時(shí),樁基是不能滿足使用要求的,因此,在各種規(guī)范中均對(duì)樁的變形范圍做了規(guī)定。目前多數(shù)研究者都是對(duì)不同長(zhǎng)徑比的樁進(jìn)行研究,以此來(lái)分析樁體剛度對(duì)側(cè)摩阻力的影響。

付裕[7]、史日磊等[8]分別采用光纖監(jiān)測(cè)技術(shù)與有限元數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)樁側(cè)摩阻力進(jìn)行研究,說(shuō)明了剛施加荷載時(shí),樁體上部側(cè)摩阻力最先發(fā)揮作用,當(dāng)施加的荷載不斷增大時(shí),上部土層的側(cè)阻力也不斷增大,并以一定的曲線形式逐漸逼近極限狀態(tài),同時(shí)樁體下部側(cè)摩阻力也逐漸增大。隨著施加荷載的不斷增加,當(dāng)樁體長(zhǎng)徑比較小時(shí),側(cè)摩阻力幾乎是沿樁身接近線性分布;而對(duì)于長(zhǎng)徑比較大的樁基而言,樁側(cè)摩阻力呈曲線傾斜彎曲,當(dāng)施加的荷載接近樁的極限時(shí),樁側(cè)摩阻力也幾乎是直線分布。此外,樁的長(zhǎng)徑比越大,樁身側(cè)摩阻力達(dá)到極限時(shí)所需要施加的樁頂荷載也越大。

一方面,在一定樁長(zhǎng)范圍內(nèi),樁土共同體的剛度會(huì)隨著樁長(zhǎng)而增大,但當(dāng)樁長(zhǎng)超過(guò)一定數(shù)值后,共同的剛度不再增大。另一方面,通過(guò)增加樁長(zhǎng)可以讓樁的承載力變大,但可能因樁的變形不滿足使用要求,導(dǎo)致過(guò)長(zhǎng)的樁不能在實(shí)際工程中使用。樁土共同體的剛度隨樁長(zhǎng)變化開(kāi)始趨于穩(wěn)定的樁長(zhǎng)稱為“有效樁長(zhǎng)”也就是說(shuō),在一定樁長(zhǎng)范圍內(nèi),增大樁徑可以提高單樁的承載力,存在一個(gè)“最優(yōu)樁徑”,當(dāng)樁徑大于“最優(yōu)樁徑”時(shí),單樁的極限承載力增長(zhǎng)變化就會(huì)不明顯。

總之,單樁側(cè)摩阻力受樁體剛度的影響較大,主要有樁長(zhǎng)、樁徑、樁身材料彈性模量、樁周土等效剛度等因素影響[9]。

1.2 樁土界面強(qiáng)度的影響

一般樁與土之間發(fā)生強(qiáng)度破壞最可能出現(xiàn)3種情況[10]。

(1)樁土界面處發(fā)生相對(duì)滑移見(jiàn)圖1(a),當(dāng)樁與土之間粘著力和摩擦力都很小時(shí),樁土幾乎不發(fā)生力的傳遞,此時(shí)側(cè)摩阻力主要是由樁與土之間的接觸強(qiáng)度決定。

圖1 樁-土破壞常見(jiàn)的3種模式

(2)靠近樁身的土體處發(fā)生剪切破壞見(jiàn)圖1(b),在上部荷載的作用下,土體越靠近樁身,所受的剪應(yīng)力也越大,當(dāng)土體所受的剪應(yīng)力遠(yuǎn)大于其他應(yīng)力時(shí),此時(shí),土體的強(qiáng)度主要由剪應(yīng)力決定。

(3)離樁身一定距離處見(jiàn)圖1(c),當(dāng)樁與土接觸的面強(qiáng)度和土體的抗剪強(qiáng)度都比較大時(shí),樁很短或土體有軟弱夾層時(shí),在上部荷載的作用下,樁周局部土體會(huì)受到懸臂梁式的力,在距離樁身一定長(zhǎng)度范圍內(nèi)的土體首先發(fā)生破壞,如樁受到抗拔荷載時(shí)發(fā)生的倒錐型破壞就是常見(jiàn)的破壞形式。

根據(jù)基礎(chǔ)物理學(xué)知識(shí)可知,摩擦力的表達(dá)式式(1)。

Q=a+μP

(1)

式中:a為樁土界面的粘著力;μ為界面的摩擦系數(shù);P為側(cè)壓力。

由式(1)可知,樁土界面的摩擦力受樁側(cè)土壓力的影響,由于樁側(cè)土壓力會(huì)隨著土層的深度增大而增大,當(dāng)樁受到上部荷載時(shí),由于樁土之間發(fā)生力的作用,導(dǎo)致樁側(cè)土壓力也會(huì)隨之改變。從這個(gè)角度來(lái)說(shuō),樁土界面強(qiáng)度所影響的側(cè)摩阻力變化的主要是因?yàn)闃锻林g側(cè)向壓力的變化而引起的。

1.3 土體性質(zhì)的影響

陳立[6]采用數(shù)值模擬手段對(duì)樁在均質(zhì)土體中的側(cè)摩阻力的影響因素進(jìn)行研究,對(duì)比了不同的計(jì)算模型,說(shuō)明了樁周土體的土力學(xué)性質(zhì)是影響樁的樁側(cè)摩阻力的主要因素。當(dāng)土體彈性模量越大,樁周土的強(qiáng)度越高,在上部荷載下,樁側(cè)摩阻力就越大。也就是說(shuō),樁周土體強(qiáng)度越大,側(cè)摩阻力越大。陳立[6]、李前[11]通過(guò)有限元技術(shù),研究了土體的內(nèi)摩擦角對(duì)樁側(cè)阻力的影響,研究表明樁側(cè)土內(nèi)摩擦角對(duì)樁的承載力影響較大,在一定情況下,當(dāng)樁周土摩擦角的不斷增大時(shí),隨著上部荷載的不斷變大,樁側(cè)摩阻力與樁的總阻力比值隨著土體摩擦角的增加而減小。當(dāng)樁的上部荷載達(dá)到某一數(shù)值,隨著樁周土摩擦角不斷增大,樁側(cè)摩阻力所占總荷載的比例逐漸減小。 李前[11]采用有限元技術(shù)研究了樁側(cè)土體的剛度大小對(duì)側(cè)摩阻力的影響,研究表明當(dāng)樁側(cè)土的剛度較小時(shí),想要充分發(fā)揮樁側(cè)阻力,樁需要很大的變形、沉降;樁側(cè)摩阻力的大小隨著樁側(cè)土剛度的增大而增大。

總之,在常見(jiàn)的黏性土中,樁側(cè)摩阻力的大小幾乎等同于樁周土的不排水抗剪強(qiáng)度;相對(duì)而言在砂性土中,樁側(cè)摩阻力系數(shù)幾乎約等于主動(dòng)土壓力系數(shù)[6]。

1.4 土層深度

一般情況下砂質(zhì)土層的側(cè)摩阻力與側(cè)壓力是正相關(guān)的,也就是說(shuō)土層的側(cè)摩阻力一般為三角形形態(tài)分布。然而試驗(yàn)表明,即使在樁長(zhǎng)不長(zhǎng)時(shí),土層的側(cè)摩阻力發(fā)揮也不僅僅是簡(jiǎn)單地呈三角形分布的。

劉利民等[12]對(duì)黏性土和砂土的樁側(cè)摩阻力進(jìn)行研究,當(dāng)樁長(zhǎng)較短時(shí),側(cè)摩阻力接近呈三角形,然而當(dāng)樁長(zhǎng)較長(zhǎng)時(shí),側(cè)摩阻力分布接近呈拋物線形,但是隨著樁頂上部荷載的不斷變大,拋物線的重心開(kāi)始向下移動(dòng)。由上述可知,在理想的條件下,隨著拋物線重心的不斷向下移動(dòng),最終側(cè)摩阻力肯定會(huì)接近三角形分布,可總結(jié)為如圖2所示的3個(gè)階段。

圖2 砂土的側(cè)摩阻力隨深度在不同荷載下的分布

第一個(gè)階段,樁頂上部荷載較小時(shí),土的側(cè)摩阻力隨深度呈拋物線形分布,說(shuō)明側(cè)摩阻力先隨土層深度增大而逐漸增大,達(dá)到峰值之后,再隨土層深度的增大而逐漸減小。

第二個(gè)階段,樁底下部側(cè)阻力逐漸增大,而淺部的側(cè)阻力曲線幾乎保持不變,淺部側(cè)阻力不變是由于其值已達(dá)到峰值,峰值以后,樁底各深度土層的側(cè)摩阻力基本保持不變。

第三個(gè)階段,上部側(cè)阻力由于樁與土發(fā)生了相對(duì)滑移而減小,樁底下部土層側(cè)摩阻力繼續(xù)增大,逐漸變成理想的三角形形態(tài),但該階段在靜載荷試驗(yàn)中很難被觀測(cè)到。

2 展望

(1)土體性質(zhì)是復(fù)雜多樣的,前人在土體性質(zhì)對(duì)樁側(cè)摩阻力研究時(shí)多采用均質(zhì)土體,而在實(shí)際工程中卻很少存在,針對(duì)不同土體下樁側(cè)摩阻力的影響因素可進(jìn)一步研究。

(2)樁土界面強(qiáng)度影響所采用的學(xué)說(shuō)依然是經(jīng)典的物理學(xué)問(wèn)題,應(yīng)通過(guò)對(duì)樁土的破壞規(guī)律和破壞機(jī)理深入研究,從而完善更多的樁土破壞理論,進(jìn)而完善樁側(cè)摩阻力影響因素。

(3)對(duì)土體性質(zhì)的影響前人多采用數(shù)值模擬技術(shù),缺少相應(yīng)理論分析與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),今后可在該方面進(jìn)一步的完善。