蓋挖法施工中抗拔樁承載力特性分析

胡奇凡

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津 300251)

城市建設的大力發展使越來越多的地下空間被開發利用，地鐵車站、大型地下室、人防工程等地下工程建設如雨后春筍紛紛涌起。蓋挖法作為地下工程修建的主要工法，能有效控制基坑周圍土體變形和地表沉降，有利于保護臨近建筑物和構筑物，尤其是在城市繁華街區和就交通復雜的車站鬧市區施工時，可盡快恢復路面，對道路交通影響較小。因此，暗挖法在城市地下工程施工中得到了廣泛的應用。

在蓋挖法施工中，作為結構頂板或臨時蓋板的支撐，中間樁柱和圍護結構先行施工。在地下水位埋深較淺的地區，施工期間工程樁承受上部結構的壓力荷載，發揮抗壓樁作用;工程完工后，隨著地下水位逐漸恢復，當結構所受浮力大于結構自重時，工程樁又充當抗拔樁作用。因此，在地下水埋深淺的區域，蓋挖法施工地下工程中，工程樁受力往往要經一次轉換，為確保工程樁全程滿足承載力要求，對工程樁的受力過程和承載力特性進行探討，以期為設計和施工提供參考。

1 荷載傳遞機理分析

1.1 抗壓階段荷載傳遞機理

在抗壓階段，工程樁主要依靠樁周土提供的側摩阻力和樁端土反力提供支撐，可用下式表示:

式中，P為樁頂承受荷載;G為樁身自重;p為樁尖土反力;T為樁側土摩阻力。

大量研究資料表明，樁從開始受力到最終破壞的完整受力過程，根據樁側摩阻力T和樁尖土反力p的變化可以分為以下3個階段。

(1)第一階段為樁頂荷載較小階段，此時樁周土體的剪切變形很小，根據羅維德提出的全深度-變深度剪切彈簧模型［1］，此時樁側土屬于彈性階段，對于中長樁，樁端反力很小或為零［2］，可不考慮樁端土的壓縮，采用經典的荷載傳遞法對樁體荷載-位移關系(p-s曲線)進行研究，該階段內荷載-位移曲線關系成比例增長，荷載傳遞函數可取為線性傳遞函數

式中，z為樁截面自地面向下的深度;q(z)為樁在z處截面的應力;u(z)為z處截面的位移;λ1為側摩阻力剛度。

由式(1)可得樁滿足的微分方程和邊界條件為

解方程(3)得:

因此，樁頂位移為

式(5)表明，樁頂位移大小取決于荷載、樁身剛度以及樁周土體的側摩阻剛度，符合一般試樁資料結果。

(2)第二階段為隨著樁頂荷載加大，樁土間相對位移逐漸增加，樁側土從樁頂至樁尖漸漸由彈性過渡至屈服狀態，樁尖土反力逐漸發揮階段。樁側土進入屈服階段后，側摩阻力不會隨著樁土相對位移的增加而增加，此時側摩阻力可采用庫倫摩擦模型求解

式中，τ為樁土間摩擦應力;σ為樁土界面上法向應力;φ為樁土外摩擦角。

根據式(6)可得樁側土全屈服后提供的側摩阻力為

式中，d為樁直徑，Kz樁側土側壓力系數，γz為土體有效重度;其中Kz、γz、φz均為在土層分界面處分段的分段函數。對于鉆孔灌注樁來說，成孔過程中土體存在卸荷過程，樁周土體水平應力比原位應力小，因此，側壓力系數較原位狀態為小，介于原位于靜止土壓力系數K0和主動土壓力系數Ka之間。

對于打入樁來說，在沉樁過程中，樁周土存在被擠密過程，引起土體水平有效應力σh顯著增加，而對豎向有效應力σv的影響相對要小，因此，側壓力系數介于原位靜止土壓力系數K0和被動土壓力系數Kp之間［3］。樁側土荷載位移曲線見圖1。

圖1 樁側土荷載位移曲線

(3)第三階段樁側土全部進入屈服狀態，樁尖土承載力逐漸發揮，隨著樁端荷載增加最終進入屈服狀態。對于正常使用工程樁一般樁尖土均為進入屈服狀態，學者們對樁尖土的荷載-位移曲線進行研究，有多種不同的意見:王伯惠，上官興［4］認為P-u呈線彈性關系;楊從軍，單華剛［5］認為樁尖荷載趨于極限荷載時，土體變形將趨于無窮大，建議采用雙曲線模型對荷載-位移曲線進行模擬;張明華等［6］研究認為P-u之間的關系可用拋物線描述;蔣益平等［7］在拋物線關系假設基礎上，為求解方便，同時考慮沉渣對樁尖受力的影響，采用三折線模型模擬傳遞函數，增加對沉渣的厚度和性質的反應，取得了良好的效果。各種樁尖土的荷載-位移曲線詳見圖2。

圖2 樁尖土荷載位移曲線

1.2 抗拔階段荷載傳遞機理

抗拔階段，樁尖土對于樁的抗拔貢獻幾乎為零，可以不予考慮，樁側土摩阻力是抗拔力的主要來源。根據樁側土最終破裂面的形態，可將抗拔樁的破壞分為3種基本形式［8］，如圖3所示。不同的破裂面形式對應不同的荷載傳遞機理，一旦破裂面形式確定，相應的樁的承載能力也即確定。目前對于抗拔樁的承載能力特性研究中，大多采用了沿樁土接觸面剪切破壞的假設，諸如經典的荷載傳遞法;朱碧堂、楊敏［9］基于統一極限摩阻力分布推導彈塑性差分求解方法;黃鋒等［10］利用剪切位移原理預測得到抗拔樁的彈性變形，有限元模擬中接觸單元的設置等，并且研究結果得到了大量試樁資料的驗證，充分說明了該假設在樁實際工作中的普遍性，為此本文對樁的抗拔特性探討也主要針對破裂面沿樁土接觸面的情況展開。

圖3 抗拔樁破壞面形式

根據破裂面沿樁土接觸面展開的假設，樁側土摩阻力的發展大致可分為兩階段，第一階段為完全彈性階段，第二階段為樁側土從樁頂逐漸向樁尖進入屈服狀態，根據荷載傳遞模型，在第一階段，抗拔樁模型滿足方程和邊界條件為

解方程(8)得

因此，樁頂位移為

在第二階段，隨著樁頂荷載增加，樁土間相對位移不斷加大，樁側土逐漸由樁頂至樁尖進入屈服狀態，對應屈服范圍的側摩阻力不再隨樁土相對位移的增加而增加，基本保持為定值，因此，根據庫倫摩擦模型，當樁側土全部進入屈服狀態時可根據式(7)求得最大側摩阻力值Tm，樁的最大抗拔力為

2 土方開挖對樁承載力影響

根據式(6)可知，樁側土提供的極限摩阻力與樁土接觸面上的法向應力成線性關系，法向應力的大小取決于土的側壓力系數和土體在豎直方向的應力水平，即

在蓋挖法施工中，隨著土方被挖出，樁側各層土的豎向應力σv均相應減小，對于第二階段，根據式(6)和式(12)，不難得出，樁側土提供摩阻力亦有減小趨勢;對于第一階段，此時樁側土尚未到達屈服狀態，隨著土體開挖，樁側土被不斷卸荷，存在一定的向上反彈，這種趨勢導致樁土間相對位移加大，先期會增加樁側摩阻力，如圖4所示。

圖4 回彈引起摩阻力示意

因此，處在第一階段的抗壓樁，土方開挖深度不大的情況下對其承載能力影響不大;胡琦等［11］研究表明，隨著開挖深度加大，受土體回彈影響而進入塑性狀態的樁側土范圍逐漸增大，而這部分樁土界面在后期加載過程中側摩阻力將不再增長，直接導致樁基剛度減小，影響其承載力。徐楓等［12］對土方開挖時不同位置的樁進行了研究，結果表明，靠近基坑中心處的工程樁受基坑開挖的影響較坑邊的樁大，這與基坑開挖時靠近基坑中心處的土體回彈量較周邊的大相一致。

對于抗拔階段，根據式(6)和式(12)可知，工作于第二階段時，基坑開挖期間減少的覆土壓力直接導致最大側摩阻力的減小，降低其抗拔承載能力。黃茂松等［13］研究表明開挖條件下，抗拔樁的極限承載力最大損失將達40%～50%。對于工作在第一階段的抗拔樁，開挖導致土體回彈會給樁附加拉應力，同時延緩樁頂附近土層側摩阻力極限值的發揮，導致樁端位移的加大。徐楓等［12］的模擬研究表明:基坑開挖深度越大，附加樁身的拉力越大，并且隨著開挖深度增加，附加拉應力的范圍將逐漸向下延伸，這對抗拔樁極其不利，附加應力過大甚至可能導致樁身斷裂。

3 抗壓-抗拔轉換對側摩阻剛度的影響

工程樁在抗壓和抗拔轉換中，樁土相對運動趨勢發生反向，這將導致樁土間相對位移的反向調整，引起樁側土內部結構的調整以及樁土接觸面咬合狀態的改變，導致接觸面的承載能力的改變。

對于粗粒土，如粗砂、中砂、碎石土等，在低圍壓狀態下，土顆粒的移動受圍壓的約束小，容易發生剪脹現象，剪脹將導致樁側土對樁的擠壓力增加，提高了樁側土的極限摩阻力［14］。然而處于剪脹狀態的粗粒土其內部結構較簡剪脹前松散，當荷載變向時，土顆粒將沿著剪脹的逆過程返回原來的位置，此時，由于剪脹增加的側向壓力導致土層沿樁徑向往外壓縮并形成一定的塑性變形，因此，當該部分顆粒返回時，原本緊密的空間變大，使得樁土接觸面范圍內土體較原來松散，導致側壓力降低，減小樁側土極限摩阻力值，表現為樁土接觸面抗剪強度的降低。剪脹致應力松弛示意見圖5。

圖5 剪脹致應力松弛示意

對細粒土，如黏土，粉質黏土，淤泥質土等，由于其抗剪過程不存在剪脹現象，因此荷載變向主要影響樁土接觸面的咬合和粘結強度。丁佩民等［15］對抗拔樁側摩阻力發揮規律進行研究，結果表明荷載反向將引起樁周土顆粒重新排列，導致樁土界面摩擦角減小，對砂土特別顯著，強度甚至會降低到原來的60%;對黏性土，荷載方向的改變也可能使界面摩擦角下降至接近殘余摩擦角。這些結果與上述原理都有較好的符合，因此，荷載在樁土接觸面的反向對樁抗拔承載力的影響必須引起足夠的重視。

4 樁的優化設計

通過上文分析，在蓋挖法施工中，工程樁成樁后要經過抗壓和抗拔2種受力模式，同時在基坑土方開挖過程中，樁側土的豎向應力、樁側土的承載能力特性發生變化，工程樁由受抗壓樁轉變為抗拔樁過程中，樁側土的承載能力特性同樣發生變化，這些變化都將使得工程樁的承載力較成樁時有所減小，使得常規設計結果偏于不保守。為此，針對蓋挖法中工程樁的受力特點提出如下優化設計。

4.1 樁側注漿及坑底加固

在土方開挖過程中，覆土減少直接導致坑底土的卸荷回彈，在基坑底適當深度進行注漿加固，以及對樁側適當位置進行注漿能有效減小樁側土卸荷回彈工程樁受力的影響。潘林有，胡中雄［16］通過室內土工試驗對深基坑卸荷回彈問題進行深入研究，建議回彈區下邊界定義在卸荷比R≤0.2處，強回彈區下邊界定義在卸荷比R≤0.8處;李建明，藤延京［17］通過實驗研究認為，在不考慮基坑邊界條件及地下水等影響下，回彈變形有效影響深度為如下式所述

式中，H為基坑開挖深度;R為卸荷比均值，取值詳見表1。

表1 不同土樣臨界卸荷比均值

通過計算，不同土樣的回彈變形深度見表2。

表2 不同土樣回彈變形深度值

根據文獻［16］計算可得強回彈臨界深度為

回彈變形影響深度為:

文獻［16］研究結果還表明，強回彈區的回彈量占總回彈量一半以上，并且隨著深度繼續增加，回彈量變化率逐漸減小，因此本文建議對坑底0.25H深度，樁周2.5倍樁徑范圍內進行注漿加固，同時在樁頂以下1.5H范圍內進行樁側注漿。

針對蓋挖法中工程樁在受力方向轉化中，樁周土顆粒重新排列導致承載力下降，樁側注漿可有效穩定樁周土的結構組成，改善樁土接觸面的咬合狀態，使得荷載變向的影響有效減小，甚至不受影響。

4.2 試樁資料的修正

現場試樁是確保工程滿足承載能力要求的有效保障，也是樁基設計參數可靠的來源，隨著高大建筑的日益增多，單樁承載力也越來越大，傳統的試樁方式中需要提供更大的反力裝置，致其應用受到限制，尤其在空間狹窄地段，龐大的堆載物體或反錨裝置根本沒有足夠空間。自平衡試樁是一種新的靜荷載試樁方法，由于其不需外部提供反力，在高承載力樁基測試中具有明顯的優點，在實際工程中得到而來越來越廣的應用。

在抗壓樁的自平衡法試樁中，通過在樁身適當位置埋設荷載箱，使得荷載箱以上樁身側摩阻力極限值近似等于荷載箱以下下部樁身側阻極限值及端阻極限值之和，使上、下二段樁均能達到極限狀態。根據獲得的曲線，可分別求得荷載箱上段樁及下段樁的承載力，將上段樁極限承載力經一定處理后，與下段樁極限承載力相加處理，得到樁基極限抗壓承載力。試樁過程中，荷載箱下部樁側及樁端土的受力情況與正常工作中一致，荷載箱上部樁側的受力情況與工作狀態相反而類似于抗拔樁受力屈服狀態，根據大量抗拔樁承載力的研究資料顯示，樁側土的極限抗拔摩阻力約為極限抗壓時摩阻力的0.6～0.8倍［15］，因此自平衡試樁結果對于抗壓樁偏于保守。自平衡試樁示意如圖6所示。

圖6 自平衡試樁示意

在抗拔樁的自平衡試樁過程中，荷載箱置于工程樁實際工作時的樁尖部位，通過荷載箱下部預先加固基礎提供反力，加載使樁體壓縮向上，樁側土摩阻力逐漸由下向上開始發揮，這與抗拔樁在工作時樁身受拉，樁側土摩阻力由上向下逐漸發揮的情況不盡一致。王向軍，吳江斌等［18］研究認為泊松比效應是抗拔樁極限側摩阻力較相同條件下抗拔樁極限側摩阻力小的重要原因，聶如松，冷伍明等［19］通過模擬相同條件下抗拔樁和抗壓樁的承載能力，結果表明，由于泊松比效應導致抗拔樁側摩阻力降低為抗壓樁極限側摩阻力的76.81%，這與文獻［15］結果較為吻合。因此，試樁中樁身受壓，實際工作中樁身受拉的差異需引起重視，有必要對抗拔樁自平衡試樁結果進行折減使用，本文建議側摩阻力折減系數取0.75為宜。

根據蓋挖施工的工序，試樁過程在坑內土方未開挖之前進行，此時樁側土壓力較正常工作大，并且隨著開挖深度加大，差異越明顯，由此導致的樁正常使用階段承載力較試樁階段承載力下降越多，但是針對該方面的詳盡研究目前尚缺乏，無具體參數可供設計參考，待后續研究的深入進行。

4.3 設置擴大頭

擴孔樁在提高工程樁極限承載能力方面得到了廣泛的應用，取得了可觀的經濟效益，黃茂松等［13］研究結果表明在基坑開挖條件下，等截面抗拔樁的極限承載力最大損失將達50%，而擴孔抗拔樁的極限承載力最大損失不超過40%，其中承載力損失主要來自樁側摩阻力的減小，擴大頭部位承載能力的降低很小，可忽略不計。同時，在本文討論的樁受力變向導致抗拔樁承載力下降情況中，抗拔樁擴頭所提供的豎向壓應力將不受影響，并且隨著擴頭直徑的加大，擴頭對抗拔的貢獻將逐漸加大，這是設計中抗拔樁承載力的有力保障。為此，本文建議，針對施工期抗壓，使用期抗拔的工程樁，為盡量多避免基坑土體開挖和荷載變向降低樁基承載力的風險，可將樁尖處做成擴頭，根據擴頭尺寸對承載力增長效率的研究［13］，擴頭直徑D宜為樁身直徑d的1.5～2倍;同時，在有必要前提下，可在樁身增設擴大頭，根據擴頭的影響范圍，增設區應置于強回彈區臨界深度以下(1～3)D，宜設置于相對較硬的土層中。

5 結論

針對地下水淺埋區，在蓋挖法施工工程中，工程樁施工期受壓，正常使用期受拉的特征，深入分析樁的受力特點以及承載力的組成和影響，主要結論如下。

(1)蓋挖法中，土方開挖導致基坑底土體回彈，土體回彈將增加工程樁樁身應力，降低樁側土的極限摩阻力，降低樁的抗拔承載力。對樁受力影響范圍內強回彈區土體進行加固，對土體回彈區內樁側進行后注漿處理能有效減小土體回彈對樁承載力的影響;樁側注漿加固還能增加樁的極限承載力，減小樁側荷載變向導致的樁的承載力損失。

(2)蓋挖法中，根據試樁時樁的受力特性與樁在正常工作時的差異，試樁結果用于設計參考時有必要進行相應處理，特別對于抗拔樁自平衡試樁結果偏于不保守，本文建議對樁側摩阻力進行折減，折減系數為0.75;基坑內土方開挖導致樁側土壓力減小而引起樁承載力下降，目前該方面的深入研究尚缺，有待加強。

(3)在樁尖和樁身適當位置設置擴頭將有助于提高樁的極限抗壓和抗拔承載力，同時，擴頭對于減小坑內土開挖和樁側荷載變向導致的樁承載力下降有較好的效果。因此，在深基坑工程中，適當設置擴頭將對樁的承載力特性有大的幫助。

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