異型樁側摩阻力影響因素研究

傅洋燕 吳瑞潛 呂蓓鳳 李 妙 裘錦瑜 葛柃岑 沈佳怡

（紹興文理學院土木工程學院，浙江 紹興 312000）

0 引言

我國傳統樁基多由規則型樁（如圓樁、方樁等）組成，材料耗費大、經濟效益低?；诮ㄖ澞芎徒ㄔ炜沙掷m發展的綠色建造理念，近幾十年發展了異型樁，最大程度發揮樁本身優勢，合理利用樁側摩阻力特性、增強樁身承載能力，同時降低了工程造價，增加經濟效益。目前，一些大型工程都有異型樁的應用，如浙江杭浦、申嘉湖等高速公路、江蘇南京長江四橋連接線等。異型樁作為新式樁型，其樁側摩阻力影響因素眾多且異形結構受力復雜，僅套用一般類型樁樁側摩阻力均勻分布模型，未能綜合考慮工程實際側摩阻力異形效應，因此無法得出確切計算公式。筆者結合異型樁自身性狀及其他因素，通過樁側摩阻力經驗計算公式中各項影響系數，綜述不同影響條件下異型樁側摩阻力的分布特性。

1 異型樁及側摩阻力

異型樁，也稱為異形樁,是一種新型特殊種類樁，可分縱向截面異型樁和橫向截面異型樁?？v截面異型樁，即按照樁側土層的不同性質，沿深度方向改變樁徑或樁型，增加樁側截面不平直度與粗糙度，以獲得所能達到最大側摩阻力的異型樁。如：H型樁、楔型樁、釘型樁等。橫截面異型樁，即通過改變樁橫向截面的幾何參數，受“異形”影響，增加表面積和慣性矩[1]，以獲得所能達到最大樁側摩阻力和水平承載力的異型樁。如：Y型樁、X型樁等。

對于樁側摩阻力的計算，根據文獻[2]：Tomlinson 提出了α法，利用經驗粘性系數和樁側飽和粘性土的不排水抗剪強度，對粘性土的側摩阻力進行了定義計算；Chandler 提出了β法，利用有效應力理論，對粘性土和非粘性土的側摩阻力進行了定義計算；Vijayvergiya 等綜合α法和β法特點，提出了λ法，假定樁側土位移產生了水平被動土壓力,對于粘性土側摩阻力重新進行了定義計算。《建筑樁基技術規范》[3]通過靜載試驗并綜合測試結果，確定了極限側摩阻力標準值與土原位測試指標間的經驗關系，得出樁側摩阻力經驗參數公式。

2 異型樁側摩阻力影響因素

2.1 異形效應

異型樁通過改變截面幾何特性，在基礎樁側影響因素下產生“異形效應”，致使側摩阻力沿樁周不均勻分布，并且不同異形截面對樁側摩阻力影響也各不相同。

依據外包方形理論，將X 形截面假設成平行于軸的規則形狀。通過公式推導發現，外包方形的截面邊長、弧度數及開弧間距三個不同變量間相互影響、相互制約。X 形截面與相同截面面積規則截面的慣性矩之比隨外包方形截面邊長的增加而增加、隨弧度數的變大而變大、隨開弧間距的增加而減小，受樁側摩阻力影響，樁沉降降低，承載力提高。

將Y 形截面樁單位側摩阻力沿樁側周長積分，推導采用外包圓理論公式。對于在某一深度其他參數確定條件下，增加弧度數、外包圓半徑均能夠提高Y 形樁側摩阻力，其中，弧度數對樁側摩阻力的影響較小，因此外包圓半徑是影響Y 形樁側摩阻力的大小重要因素。

2.2 深度效應

通過砂層極限端阻穩值半經驗公式，假設確定材料本身的應力應變特性決定砂土 “深度效應”，且制約了樁側摩阻力在深層土體中發揮效應，阻礙其沿著縱

向深度增加而無限制地增加。因此，增加樁長雖然能在一定程度上增加樁側摩阻

力，但由于“深度效應”作用，超過臨界深度后，隨著入土樁長的增長，樁側摩阻力增大的幅度大大降低。

2.3 施工工藝及成樁效應

2.3.1 施工工藝

不同的施工工藝構造出不同的樁縱向截面形態，促使樁周土體應力發生變化，從而致使樁側摩阻力相應變化。樁按施工工藝可分為預制樁和灌注樁。對于各類型預制樁，制樁工藝決定了樁側表面粗糙度，一般較光滑，樁側摩阻力也較小。對各種類型的灌注樁，樁施工成孔時機、對孔壁擾動等因素決定了樁表面的粗糙程度，一般較粗糙且不規則。以泥漿護壁鉆孔灌注樁為例，施工時鉆進平穩，則鉆孔灌注樁孔壁平直，樁側摩阻力較??；施工時鉆進搖晃，則鉆孔灌注樁孔壁粗糙不平，樁側摩阻力較大。

2.3.2 成樁效應

不同成樁工藝使樁側土層的應力、應變場產生變化，從而致使樁側摩阻力相應改變。尤其是擠土樁，成樁過程中，受樁周擠土效應，樁側土體受到撓動而重塑，增加了樁側土壓應力，從而提高側摩阻力。

2.4 樁周土的性狀

2.2.1 土的種類

不同種類土中樁側摩阻力所受影響不同。普通粘性土中，樁側摩阻力大小可由樁周土體不排水抗剪強度反應，但當粘性土體產生固結硬化時，樁側摩阻力隨著樁頂加荷而以特定增長方式增大。在砂質土層中，增大土的初始應力，提高其抗剪強度，則由樁周土體強度所決定的樁側極限摩阻力也相應增大。

2.2.2 土體性質

影響樁側摩阻力最重要因素是樁側土體的性質。土的性質主要由密實度、液限指數、孔隙比等各類土狀物理參數來表示。對于一般土層，土體的密實度越大、含水量越少、孔隙比越小則其壓縮模量越大，提高了樁周土強度，進而影響樁側摩阻力增大。樁側摩阻力試驗結果表明，軟弱土層中樁的側摩阻力主要受土層自身影響，而硬土、堅硬土層中樁同時受其自身效應與土層性狀影響，阻礙了樁側摩阻力的傳遞，從而導致其分布異化。

2.5 樁端土的性狀

大量工程實踐表明，樁端持力層土的性狀對樁端附近樁側摩阻力有較大影響。通過現場靜載試驗，由不同樁端土下所產生的樁身沉降量反映樁側縱摩阻力變化。試驗得出，當樁端持力層有軟弱土層時，樁端附近樁側土產生水平應力，樁側摩阻力降低；當樁端持力層較強時，樁側摩阻力發生強化效應，樁側摩阻力整體提高。

2.6 其他因素

2.6.1 樁頂荷載

樁作為承擔并傳遞上部結構荷載的基礎形式，受不同樁頂荷載影響，樁側摩阻力必然發生變化。通過有限元計算分析，模擬發現隨著樁頂荷載增加，樁側摩阻力分布發生變化，負摩阻力段縮短，正摩阻力段擴大，且摩擦力數值也隨之減小。

2.6.2 時間效應

通過不同條件下樁承載力時間效應試驗提出，摩擦型樁入土后的一段時間內其承載能力持續增大，樁側摩阻力隨之變化，極限承載力提高了40%—400%，且其在幾十或幾百天內達到穩定，與實際工程施工年限相差較大。

3 結論

異型樁樁側摩阻力影響因素眾多。樁受不同異形截面參數影響產生“異形效應”和“深度效應”，致使樁側摩阻力不均勻分布。樁周土及樁端土的土質強度，對樁側摩阻力大小產生直接影響，土強度越高樁側摩阻力越大。另外時間效應、樁頂荷載等其他因素也對樁側阻力產生了一定影響。由于各因素間相互聯系，不能確切得出異型樁樁側摩阻力計算公式，無法經濟安全運用于工程實踐。因此，對于異型樁側摩阻力影響因素的深入分析，來優化樁身設計提高經濟效益，具有非常重要的理論和工程實際意義。