大面積回填土及深厚軟土樁基負摩阻力試驗研究★

張 凱，武金鵬，薛凱仁，史義文，李 翔

(1.中國電建集團華東勘測設(shè)計研究院有限公司，浙江 杭州 310014； 2.浙江理工大學(xué)建工學(xué)院，浙江 杭州 310018)

1 概述

樁基礎(chǔ)因其承載力大、施工方便等優(yōu)點已成為工程建設(shè)當(dāng)中應(yīng)用最為廣泛的基礎(chǔ)，尤其是鉆孔灌注樁因其適用于各種土層而被越來越多地應(yīng)用于工程中。在大面積填土及深厚軟土地基中的樁基因填土堆載及固結(jié)等的作用下易產(chǎn)生樁側(cè)負摩阻力[1-3]。

自1948年Terzaghi和Peck提出樁負摩阻力問題以來，很多學(xué)者進行了該方面的研究。如李玲玲等[4]基于原位試驗探討了樁周土體固結(jié)沉降對樁身所受下拉荷載和中性點位置的影響；朱彥鵬等[5]研究發(fā)現(xiàn)特殊浸水條件下黃土地基中樁的負摩阻力沿樁身出現(xiàn)多個峰值，并且正、負摩阻力出現(xiàn)交錯分布的現(xiàn)象；王宗琴等[6]基于連續(xù)排水邊界條件和理想彈塑性荷載傳遞模型，建立考慮土體固結(jié)效應(yīng)的新近吹填場地樁基礎(chǔ)變形分析理論模型，研究了新近吹填場地中軟土地基固結(jié)沉降所引起的樁基側(cè)摩阻力的分布規(guī)律；張靜等[7]研究發(fā)現(xiàn)填海造地工程中樁基的負摩阻力大小與瞬時加載時樁周正摩阻力大小相關(guān)。胡瑞庚等[8]通過在樁身安裝應(yīng)力計以及樁周土埋設(shè)分層沉降儀測試樁身軸力、樁身及樁周土層沉降變化情況，得到了高填方夯實地基未處理填土層樁側(cè)負摩阻力變化規(guī)律；魏綱等[9]分析了濕陷性黃土地區(qū)樁基負摩阻力的產(chǎn)生機理及變化規(guī)律，并提出了一種適用于濕陷性黃土地區(qū)的雙折線形樁側(cè)負摩阻力分布模式；楊逾等[10]研究發(fā)現(xiàn)樁側(cè)負摩阻力具有明顯的時效性；黃挺等[11]則通過試驗研究了不同堆載分布形式對樁基負摩阻力的影響。

樁側(cè)負摩阻力降低了樁的承載能力，并可能對結(jié)構(gòu)安全構(gòu)成威脅。因此，樁基的負摩阻力的大小及其分布規(guī)律在樁基設(shè)計中具有重要的意義。本文結(jié)合工程實踐，對大面積回填土及深厚軟土地基中樁基的負摩阻力進行了研究，以便為樁基設(shè)計施工提供必要的依據(jù)。

2 工程概述

工程所在區(qū)域位于杭州市，由多個框架結(jié)構(gòu)單體組成的建筑群，其最大結(jié)構(gòu)荷載約為10 000 kN。本項目的測試樁所處地基淺部為新近堆積的填土，上部為濱海相粉土、中部為陸相沉積的黏土層夾部分海相沉積的淤泥質(zhì)軟土，下部為湖相黏性土，深部為河流相含砂粉質(zhì)黏土、粉細砂、礫砂層，底部為風(fēng)化基巖。測試樁的工程地質(zhì)剖面圖如圖1所示，各土層的物理性質(zhì)如表1所示。

3 試驗設(shè)計及方案

本次現(xiàn)場試驗所采用振弦式鋼筋應(yīng)力計對兩根測試樁進行樁身應(yīng)力應(yīng)變測試，在測試樁進行鋼筋籠制作時，將鋼筋焊接在鋼筋籠主筋上，每個鋼筋計安裝前標(biāo)定并做好標(biāo)號標(biāo)記，鋼筋計的布置詳圖如圖2所示。測試開始前所測試的數(shù)據(jù)記錄為鋼筋計的初始頻率，之后每間隔一周進行定期測試，共進行八周的樁身應(yīng)力應(yīng)變測試。本文通過測得不同位置處隨施工時間變化的樁身應(yīng)變，從而計算得到樁身各部位軸力及樁側(cè)摩阻力。其中軸力表達式為[12]：

(1)

Ni=σi·Ap

(2)

表1 測試場地各土層的物理性質(zhì)指標(biāo)

樁側(cè)摩阻力的計算為：

(3)

其中，qsi為每段樁Hi的平均側(cè)摩阻力；ΔNi為試樁上下測點的軸力差；D為樁直徑。

4 試驗結(jié)果分析

4.1 樁身軸力分析

樁身軸力傳遞特性是單樁承載性能的綜合表現(xiàn)，既能反映出樁側(cè)摩阻力的發(fā)揮模式，也能表現(xiàn)樁端阻力的發(fā)揮特性，本文中不同的施工時間對應(yīng)不同的施工層數(shù)及施工后的固結(jié)時間。測試樁1與測試樁2的施工層數(shù)與施工時間的關(guān)系曲線如圖3所示。

圖4為測試樁在不同施工時間時的樁身軸力隨深度變化規(guī)律。由圖4可知，在同一施工周期下的樁身軸力隨著樁身深度的增大先有一定程度的增加，隨后逐漸減小。如圖4(a)所示測試樁1施工一周時，樁頂處軸力為521.3 kN，隨著深度的增加，樁身軸力增加至741 kN，隨后減小至140.6 kN(樁底軸力)，這可能是因為樁基上部土層填筑堆載造成樁側(cè)土體沉降大于樁的沉降，從而引起樁身上部出現(xiàn)負摩阻力。在圖4(b)測試樁2中也能發(fā)現(xiàn)相似的規(guī)律，但樁身軸力沿深度的變化要小于測試樁1。隨著后續(xù)結(jié)構(gòu)的繼續(xù)施工，樁身上部荷載逐漸增大，樁身軸力也隨之增大，樁側(cè)摩阻力逐漸發(fā)揮，軸力沿深度衰減速度逐漸加快。從圖4(a)中可以看出當(dāng)施工至第四周穩(wěn)定時，樁頂軸力增加了1 030 kN，而樁底軸力僅增加了20 kN，直至測試結(jié)束，樁側(cè)負摩阻力在樁身上部區(qū)域仍然存在，但其值隨著施工時間的增加而減小。而在圖4(b)測試樁2中則發(fā)現(xiàn)了不同的規(guī)律，測試樁2中樁身軸力沿深度衰減的速度要慢于測試樁1。這是由于測試樁2上部結(jié)構(gòu)工期較測試樁1更長，因此樁身軸力在施工到第五周后才基本保持穩(wěn)定，其最大值達到1 402.1 kN。在施工前兩周時樁身上部軸力出現(xiàn)了明顯的增加，但在施工第五周后，樁身上部軸力隨深度變化的增量明顯減少。

4.2 樁側(cè)摩阻力分析

樁受到軸向荷載作用后產(chǎn)生相對于樁側(cè)土體向下位移，因此土對樁產(chǎn)生向上的正摩阻力；而當(dāng)樁周土體因某種原因發(fā)生下沉，其沉降速率大于樁的下沉速率時，則樁側(cè)土就相對于樁做向下的位移，從而使土對樁產(chǎn)生向下的負摩阻力。

圖5為測試樁1與測試樁2在不同施工期時樁側(cè)摩阻力隨樁深變化的規(guī)律曲線圖。由圖5可知，上部結(jié)構(gòu)開始施工后，樁土之間產(chǎn)生相對位移，樁身上部產(chǎn)生了負摩阻力。測試樁1與測試樁2二者樁側(cè)摩阻力發(fā)展規(guī)律基本一致，即隨著樁身深度的增加，樁側(cè)負摩阻力呈現(xiàn)出先增大再減小的變化規(guī)律，樁身中段至樁身下段的摩阻力為正值，并隨著施工時間的增加而逐漸增大。由圖5(a)可知，施工一周時試樁1的負摩阻力從-5.31 kPa增大至-16.21 kPa并隨后減小至-1.15 kPa，測試樁1的樁側(cè)最大負摩阻力出現(xiàn)在樁身上部；隨著施工周期的增加，樁身上部的樁側(cè)負摩阻力逐漸減小，而樁身中下部的正摩阻力不斷增大，當(dāng)施工八周時，樁底部最大正摩阻力為50.85 kPa，而此時樁側(cè)負摩阻力最大僅有-6.01 kPa。從圖5(b)中可看出，試樁2的最大樁側(cè)負摩阻力同樣出現(xiàn)在施工1周后，樁側(cè)最大負摩阻力達到-21.24 kPa，隨著深度的增加，負摩阻力開始逐漸減小至-6.68 kPa，直至轉(zhuǎn)變?yōu)檎ψ枇Σ⒊掷m(xù)增加。當(dāng)樁身深度一致時，樁側(cè)最大負摩阻力隨著施工時間的增加出現(xiàn)先減小后增大的振蕩趨勢。

通過對樁側(cè)摩阻力的分析發(fā)現(xiàn)樁身上部的不同土層中出現(xiàn)了負摩阻力，因此有必要對不同土層中的樁側(cè)負摩阻力進行進一步分析。圖6為在不同土層中測試樁側(cè)負摩阻力隨施工時間的變化曲線。從圖6(a)中可看出，試樁1各土層中樁側(cè)負摩阻力隨時間的變化規(guī)律較為相似，負摩阻力隨時間的增加先增大后減小，但由于土層深度及性質(zhì)的不同，各土層中樁側(cè)負摩阻力隨施工時間變化規(guī)律同樣存在著差異，①2耕土層、②粉質(zhì)黏土層和④2黏質(zhì)粉土夾粉質(zhì)黏土層中負摩阻力在第三周后開始逐漸減小；④1粉質(zhì)黏土層和④3粉質(zhì)黏土層則分別在第四周和第一周后開始減小，這是由于樁側(cè)土體沉降受到不同施工期及施工荷載的影響而變化，導(dǎo)致樁與樁側(cè)土體之間的相對沉降發(fā)生一定的差異而導(dǎo)致該現(xiàn)象的發(fā)生。從圖6(b)中可看出，試樁2各土層中的樁側(cè)負摩阻力隨施工時間變化的規(guī)律與測試樁1基本相同，由于土層分布深度的差異，其側(cè)摩阻力大小發(fā)生了較明顯的變化，①2耕土層、②粉質(zhì)黏土層、③淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層、④1粉質(zhì)黏土層和④2黏質(zhì)粉土夾粉質(zhì)黏土層中的最大負摩阻力分別為-8.06 kPa,-6.32 kPa,-3.98 kPa,-9.87 kPa和-17.63 kPa，與測試樁1不同的是在④2黏質(zhì)粉土夾粉質(zhì)黏土層中樁側(cè)負摩阻力出現(xiàn)了明顯的變化，在施工一周時達到最大，且遠遠大于其他土層。

5 結(jié)語

以某工程項目為依托，通過現(xiàn)場試驗研究了大面積回填土及深厚軟土地基中樁基的樁身軸力及樁側(cè)負摩阻力發(fā)展規(guī)律，得到如下結(jié)論：

1)大面積回填土及深厚軟土地基中的樁基在施工過程中的樁身軸力沿樁深先增大后減小，且在樁身上部產(chǎn)生了樁側(cè)負摩阻力。

2)不同土層中的樁側(cè)負摩阻力隨著施工時間呈現(xiàn)出先增加后減小。施工剛開始時，樁側(cè)負摩阻力較大，樁側(cè)負摩阻力影響區(qū)域也相對較深；隨著施工的繼續(xù)，樁側(cè)負摩阻力的大小和影響范圍會隨著施工時間增加而逐漸減小；當(dāng)施工結(jié)束后，樁側(cè)負摩阻力仍然存在，在樁基設(shè)計施工時應(yīng)充分考慮樁側(cè)負摩阻力的影響。