大直徑超長灌注樁樁側摩阻力影響因素研究綜述

李雨軍, 馬云長, 郭 霞

(核工業湖州勘測規劃設計研究院股份有限公司, 浙江湖州 313000)

0 引言

為加快打造環太湖新經濟生態圈,積極融入長三角區域一體化,湖州市政府積極推進長東片區的開發建設,目前在建的太湖灣單元開發建設項目,地處太湖南岸,該地區地質條件較為復雜,多為淤泥或淤泥質粉質黏土,因此,部分高大建筑物選用大直徑超長鉆孔灌注作為建筑物的基礎。

大直徑超長鉆孔灌注樁通常指的是樁徑大于φ800 mm,樁長大于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,大直徑超長鉆孔灌注樁由于其較高的承載力和便于施工的特點廣泛應用于大型基礎工程中[1]。

目前關于大直徑超長灌注樁側摩阻力的研究較為松散、零碎,難以形成系統性,多數學者從不同的角度研究了樁側摩阻力的影響,馬文杰、蔡雪霽等[2-3]分別采用室內試驗和有限元模擬技術,說明了長徑比對樁側摩阻力的影響;汪鵬程等[4]利用靜載試驗和有限元技術,研究了深度對樁側摩阻力的影響;葉建忠等[5]通過對現場實測數據的分析,說明了荷載大小對樁側摩阻力的影響?？偨Y以上可知,前人多是從單方面對樁側摩阻力的發揮進行論述,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發順利完成,另一方面作為科學研究對該問題進行探討,針對近年來有關大直徑超長灌注樁樁側摩阻力的研究因素進行總結、歸納和分析,并指出當前關于樁側摩阻力研究的主要問題,以期為今后該方向的研究提供一個思路,并為該地區的工程開發和項目建設提供參考。

1 樁側摩阻力影響因素

樁側摩阻力的產生是因為樁與土接觸時,在樁頂上部荷載的壓力下,樁與土發生相對滑動而產生的[6],也就是說,樁側摩阻力是組成樁基承載力的重要部分。影響樁側摩阻力發揮的因素很多,只有深入理解樁側摩阻力發揮的因素,才能有效地進行地質勘察和樁基設計等方面的工作。

1.1 樁體剛度的影響

通常來說,荷載與變形是影響樁基穩定性的2個重要方面。某種情況下,樁基礎的承載力可以不斷增加,但如果樁基變形過大,此時,樁基是不能滿足使用要求的,因此,在各種規范中均對樁的變形范圍做了規定。目前多數研究者都是對不同長徑比的樁進行研究,以此來分析樁體剛度對側摩阻力的影響。

付裕[7]、史日磊等[8]分別采用光纖監測技術與有限元數值模擬技術對樁側摩阻力進行研究,說明了剛施加荷載時,樁體上部側摩阻力最先發揮作用,當施加的荷載不斷增大時,上部土層的側阻力也不斷增大,并以一定的曲線形式逐漸逼近極限狀態,同時樁體下部側摩阻力也逐漸增大。隨著施加荷載的不斷增加,當樁體長徑比較小時,側摩阻力幾乎是沿樁身接近線性分布;而對于長徑比較大的樁基而言,樁側摩阻力呈曲線傾斜彎曲,當施加的荷載接近樁的極限時,樁側摩阻力也幾乎是直線分布。此外,樁的長徑比越大,樁身側摩阻力達到極限時所需要施加的樁頂荷載也越大。

一方面,在一定樁長范圍內,樁土共同體的剛度會隨著樁長而增大,但當樁長超過一定數值后,共同的剛度不再增大。另一方面,通過增加樁長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,導致過長的樁不能在實際工程中使用。樁土共同體的剛度隨樁長變化開始趨于穩定的樁長稱為“有效樁長”也就是說,在一定樁長范圍內,增大樁徑可以提高單樁的承載力,存在一個“最優樁徑”,當樁徑大于“最優樁徑”時,單樁的極限承載力增長變化就會不明顯。

總之,單樁側摩阻力受樁體剛度的影響較大,主要有樁長、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 樁土界面強度的影響

一般樁與土之間發生強度破壞最可能出現3種情況[10]。

(1)樁土界面處發生相對滑移見圖1(a),當樁與土之間粘著力和摩擦力都很小時,樁土幾乎不發生力的傳遞,此時側摩阻力主要是由樁與土之間的接觸強度決定。

圖1 樁-土破壞常見的3種模式

(2)靠近樁身的土體處發生剪切破壞見圖1(b),在上部荷載的作用下,土體越靠近樁身,所受的剪應力也越大,當土體所受的剪應力遠大于其他應力時,此時,土體的強度主要由剪應力決定。

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

根據基礎物理學知識可知,摩擦力的表達式式(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;P為側壓力。

由式(1)可知,樁土界面的摩擦力受樁側土壓力的影響,由于樁側土壓力會隨著土層的深度增大而增大,當樁受到上部荷載時,由于樁土之間發生力的作用,導致樁側土壓力也會隨之改變。從這個角度來說,樁土界面強度所影響的側摩阻力變化的主要是因為樁土之間側向壓力的變化而引起的。

1.3 土體性質的影響

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

總之,在常見的黏性土中,樁側摩阻力的大小幾乎等同于樁周土的不排水抗剪強度;相對而言在砂性土中,樁側摩阻力系數幾乎約等于主動土壓力系數[6]。

1.4 土層深度

一般情況下砂質土層的側摩阻力與側壓力是正相關的,也就是說土層的側摩阻力一般為三角形形態分布。然而試驗表明,即使在樁長不長時,土層的側摩阻力發揮也不僅僅是簡單地呈三角形分布的。

劉利民等[12]對黏性土和砂土的樁側摩阻力進行研究,當樁長較短時,側摩阻力接近呈三角形,然而當樁長較長時,側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,拋物線的重心開始向下移動。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,最終側摩阻力肯定會接近三角形分布,可總結為如圖2所示的3個階段。

圖2 砂土的側摩阻力隨深度在不同荷載下的分布

第一個階段,樁頂上部荷載較小時,土的側摩阻力隨深度呈拋物線形分布,說明側摩阻力先隨土層深度增大而逐漸增大,達到峰值之后,再隨土層深度的增大而逐漸減小。

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

第三個階段,上部側阻力由于樁與土發生了相對滑移而減小,樁底下部土層側摩阻力繼續增大,逐漸變成理想的三角形形態,但該階段在靜載荷試驗中很難被觀測到。

2 展望

(1)土體性質是復雜多樣的,前人在土體性質對樁側摩阻力研究時多采用均質土體,而在實際工程中卻很少存在,針對不同土體下樁側摩阻力的影響因素可進一步研究。

(2)樁土界面強度影響所采用的學說依然是經典的物理學問題,應通過對樁土的破壞規律和破壞機理深入研究,從而完善更多的樁土破壞理論,進而完善樁側摩阻力影響因素。

(3)對土體性質的影響前人多采用數值模擬技術,缺少相應理論分析與現場試驗,今后可在該方面進一步的完善。