天津市軟土地區樁端土層情況對樁側阻力影響的探討

崔維燦

上海廣聯環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，在經歷了海陸變遷后，形成了巨厚的沉積物，其樁基承載力的實現主要是通過樁與土的摩擦力，因此樁側摩阻力的重要性不言而喻。但無論是在現有的規范中，還是實際的應用中，樁側摩阻力的大小往往被認為是一個常數，同時樁的承載力也只是樁端阻力和樁側阻力的簡單相加，并將樁側摩阻力的大小簡單地認為只取決于地層情況，但自20世紀70年代以來，一些試驗數據表明，樁端情況影響著樁側摩阻力的大小。一般的規律是樁端土的強度越大，那么樁側摩阻力也會隨之增大，而樁端土強度較低時，樁側摩阻力會隨之變小。對此，席寧中[1]、劉利民等[2]、張忠苗等[3]、張建新等[4]針對樁端強度對樁側阻力的強化效應也進行了闡述。

上述的情況說明，樁端持力層的情況是影響樁側摩阻力發揮的一個因素，對于以摩擦樁為主的天津軟土地區則顯得尤為重要。

因此，深入探討這個問題，對于優化今后的樁基設計、改進傳統意義上的樁基承載力計算方法等都有著非常積極的意義。

2 樁端土層強度情況對樁側阻力影響的分析

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

文獻[2]中提供了焦—枝復線某工程鉆孔灌注樁在不同加載條件下樁側阻力的實測結果（圖1），通過結果分析就反映了以上事實。

圖1 焦—枝復線樁側阻力實測曲線

由圖1看到，一開始軸力較小，樁-土的相對位移量有限，因此側摩阻力較小。當軸力逐漸增大，位移隨之增大，此時樁土相互作用逐漸明顯，側阻力有了明顯增大，產生了側阻力強化現象。

這種現象可以解釋為在軸力逐漸變大的過程中，樁端土的強度逐漸發揮作用，而此時樁端附近的側摩阻力也會逐漸增大。

3 天津軟土地區樁端土層強度情況對單樁承載力的影響分析

對于天津軟土地區，文獻[5]中提供了天津地區15個典型工程的載荷試樁資料，通過對比不同樁端條件情況下單樁承載力計算值和實測值的關系，來分析樁端土層強度不同對樁側阻力的影響。因此將上述15個工程分為2大類進行統計（表1、表2），得到了如下結果：

表1 試樁結果與計算結果的比較（一）

表2 試樁結果與計算結果的比較（二）

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

2）由表2我們發現，當樁端土是粉質黏土時，通過計算得到的單樁承載力計算值和試樁值基本一致，試樁值與計算值的比值在1.03附近。

由以上2組數據我們可以發現，當樁端土層為粉質黏土時，計算值和實測值相比出入不大，但是當樁端土強度較大，為粉砂或粉土時，按照規范計算得到的計算值卻與實測值有較大差別，這也說明了在天津地區，對于單樁承載力的計算，按照規范計算的承載力在樁端土層強度較高的時候顯得有些保守。

4 樁端土層情況對樁側阻力影響作用的機理

4.1 樁端土層情況對樁側阻力影響的幾種原因

對于樁側阻力強化效應的解釋有以下幾種：

1）徑向壓力增強的原因。由于樁端土體密實度不盡相同，在樁端土密實的情況下，破壞時，其剪切面可連續開展達到樁身側面，這相當于對樁身施加了一個附加徑向壓力，因而增加了極限側阻力。

2）樁下部土體的擠密原因。當樁受到較大荷載破壞時，在樁端附近的土體由于受到土壓力的作用，其滑動面不能達到地面，只是在樁端附近形成了一個封閉的塑性區，而在這個塑性區內，土體逐漸被擠密，從而導致樁側阻力變大。

3）Meyerhof提出的樁基礎破壞模式（圖2）。在樁端荷載P的作用下，Ⅰ區土體向下移動，并且作用到Ⅱ區和Ⅲ區的土體，而Ⅱ區和Ⅲ區的土體又作用到了Ⅳ區。通過以上的運動，會使樁端土體密實度增加，樁身下部的法向應力增加，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）運用莫爾-庫侖理論分析樁端土強度對樁側阻力影響的作用機制。

當樁端土強度較低而上部荷載較大時，樁端處會出現刺入變形情況。因此位于樁端處的土會往樁端方向移動，這就會減小樁端附近土與樁的相對位移，相對位移的減少直接影響到了樁側摩阻力的發揮，導致側阻力降低。

對于樁端土強度比較大的情況，上部荷載導致樁向下移動，在樁端荷載作用下，形成如圖3所示的變形。這一成拱作用的發生，使樁端及以上樁土相對位移增大，在沒有塑性變形范圍內的土的應力加大，在樁端發生塑性變形范圍的土體應力降低。在塑性變形區域，土向樁端附近發展，而樁端位置的土向下移動。同時對于樁端上部的塑性變形區也會如此。由于上部有覆土以及成拱作用的存在，在成拱范圍內樁側壁上的水平應力增大，在上部覆土與成拱的共同作用下，最后會在某個區域范圍內穩定下來，形成類似于梨形的塑性破壞圈。

當土層強度較低時，樁端阻力較小，樁端的范圍同樣較小，其壓縮性也就會比較小，這也造成了樁端上部塑性區對樁側壁影響的降低。

但當樁端土層強度較大時，在壓力的作用下，樁端下部的土體會發生明顯壓縮，會把成拱作用的范圍和塑性變形的范圍擴大到上部更大的范圍，從而使樁端附近土相對位移變大，而且樁端附近土體的應力相應地也會變大。綜合上述種種原因，在樁端強度不同的情況下，樁端附近的側阻力并不是一個固定值，而是受樁端土層情況影響的，樁端土強度較大時，更有利于樁端側阻力的發揮。

圖3 成拱作用模式示意

4.2 成孔后的應力釋放以及施工情況對樁端處樁側阻力的影響

上述觀點都能部分說明在樁端土層不同的情況下，其對樁側壁摩阻力的作用機理，但是這種作用的機制并不是單一的。

通過研究，認為樁端條件對樁端處樁側阻力的影響原因可能有以下幾方面：

1）成孔后的應力釋放。單樁承載力的發揮依賴的是樁和土的相互作用，對于側阻力，受樁-土之間的相對位移、變形以及周圍土體性質的影響，當樁基礎采用鉆孔灌注樁時，樁端土層強度越低，那么在成孔后的應力釋放就會越明顯，此時土體受到擾動后，抗剪強度因此降低，這也會導致樁側摩阻力發揮受限，但當樁端土層強度較大時，成孔后土的軟化作用影響較小，這對樁側摩阻力的發揮是有利的。

2）施工情況的影響。在鉆孔灌注樁施工時，受成孔時間等因素的影響，成孔后的泥皮有時會形成困難，在混凝土灌注時，在孔壁會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，而滑移的位置發生在該硬層的外部，該硬層在樁發生位移時，樁的有效樁徑以及側面積都會加大，樁的總側阻力也會相應加大[6]。對于樁底，由于成孔時間最短，其泥皮形成的效果也是最差的，因此樁身側壁水泥土硬層的影響也將加大，直接導致了在樁端位置的側壁摩阻力增大。

3）沉樁時的影響。沉樁時，樁端向下的位移會直接造成樁端下部土體的位移，在樁端土強度不同的情況下，樁端移動對下部土體發生位移的影響范圍不盡相同，而影響范圍的不同也會使土體側阻力的發揮不盡相同，因此對于不同的樁端土層情況，樁側阻力的發揮也受到了不同的影響[7-9]。

5 結語

根據如上探討，樁端持力層土層情況的不同會影響到樁端附近樁側阻力的發揮，而這種影響是十分普遍的。天津軟土地區同樣存在這種現象，即樁端土層強度較大會使得樁端附近樁的側阻力值得到提高，樁端土層強度較低會使得相應的樁端附近樁的側阻力值變小。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，都會對樁端側阻力的發揮產生影響。因此，在天津軟土地區，針對不同樁端土層情況與樁側阻力影響進行更近一步的研究十分有必要，這對于傳統的樁基承載力的計算也有著參考、改進意義，尤其對于勘察工作，在與設計提供相應樁基的設計參數時，適當地考慮樁端土層條件不同對樁側阻力的影響是有一定意義的，這樣既能滿足設計要求，又能產生更好的經濟效益。