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(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津 300251)

城市建設(shè)的大力發(fā)展使越來(lái)越多的地下空間被開(kāi)發(fā)利用，地鐵車(chē)站、大型地下室、人防工程等地下工程建設(shè)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?chē)馏w變形和地表沉降，有利于保護(hù)臨近建筑物和構(gòu)筑物，尤其是在城市繁華街區(qū)和就交通復(fù)雜的車(chē)站鬧市區(qū)施工時(shí)，可盡快恢復(fù)路面，對(duì)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(yīng)用。

在蓋挖法施工中，作為結(jié)構(gòu)頂板或臨時(shí)蓋板的支撐，中間樁柱和圍護(hù)結(jié)構(gòu)先行施工。在地下水位埋深較淺的地區(qū)，施工期間工程樁承受上部結(jié)構(gòu)的壓力荷載，發(fā)揮抗壓樁作用;工程完工后，隨著地下水位逐漸恢復(fù)，當(dāng)結(jié)構(gòu)所受浮力大于結(jié)構(gòu)自重時(shí)，工程樁又充當(dāng)抗拔樁作用。因此，在地下水埋深淺的區(qū)域，蓋挖法施工地下工程中，工程樁受力往往要經(jīng)一次轉(zhuǎn)換，為確保工程樁全程滿足承載力要求，對(duì)工程樁的受力過(guò)程和承載力特性進(jìn)行探討，以期為設(shè)計(jì)和施工提供參考。

1 荷載傳遞機(jī)理分析

1.1 抗壓階段荷載傳遞機(jī)理

在抗壓階段，工程樁主要依靠樁周土提供的側(cè)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(cè)土摩阻力。

大量研究資料表明，樁從開(kāi)始受力到最終破壞的完整受力過(guò)程，根據(jù)樁側(cè)摩阻力T和樁尖土反力p的變化可以分為以下3個(gè)階段。

(1)第一階段為樁頂荷載較小階段，此時(shí)樁周土體的剪切變形很小，根據(jù)羅維德提出的全深度-變深度剪切彈簧模型［1］，此時(shí)樁側(cè)土屬于彈性階段，對(duì)于中長(zhǎng)樁，樁端反力很小或?yàn)榱悖?］，可不考慮樁端土的壓縮，采用經(jīng)典的荷載傳遞法對(duì)樁體荷載-位移關(guān)系(p-s曲線)進(jìn)行研究，該階段內(nèi)荷載-位移曲線關(guān)系成比例增長(zhǎng)，荷載傳遞函數(shù)可取為線性傳遞函數(shù)

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(yīng)力;u(z)為z處截面的位移;λ1為側(cè)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(cè)摩阻剛度，符合一般試樁資料結(jié)果。

(2)第二階段為隨著樁頂荷載加大，樁土間相對(duì)位移逐漸增加，樁側(cè)土從樁頂至樁尖漸漸由彈性過(guò)渡至屈服狀態(tài)，樁尖土反力逐漸發(fā)揮階段。樁側(cè)土進(jìn)入屈服階段后，側(cè)摩阻力不會(huì)隨著樁土相對(duì)位移的增加而增加，此時(shí)側(cè)摩阻力可采用庫(kù)倫摩擦模型求解

式中，τ為樁土間摩擦應(yīng)力;σ為樁土界面上法向應(yīng)力;φ為樁土外摩擦角。

根據(jù)式(6)可得樁側(cè)土全屈服后提供的側(cè)摩阻力為

式中，d為樁直徑，Kz樁側(cè)土側(cè)壓力系數(shù)，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(shù)。對(duì)于鉆孔灌注樁來(lái)說(shuō)，成孔過(guò)程中土體存在卸荷過(guò)程，樁周土體水平應(yīng)力比原位應(yīng)力小，因此，側(cè)壓力系數(shù)較原位狀態(tài)為小，介于原位于靜止土壓力系數(shù)K0和主動(dòng)土壓力系數(shù)Ka之間。

對(duì)于打入樁來(lái)說(shuō)，在沉樁過(guò)程中，樁周土存在被擠密過(guò)程，引起土體水平有效應(yīng)力σh顯著增加，而對(duì)豎向有效應(yīng)力σv的影響相對(duì)要小，因此，側(cè)壓力系數(shù)介于原位靜止土壓力系數(shù)K0和被動(dòng)土壓力系數(shù)Kp之間［3］。樁側(cè)土荷載位移曲線見(jiàn)圖1。

圖1 樁側(cè)土荷載位移曲線

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

圖2 樁尖土荷載位移曲線

1.2 抗拔階段荷載傳遞機(jī)理

抗拔階段，樁尖土對(duì)于樁的抗拔貢獻(xiàn)幾乎為零，可以不予考慮，樁側(cè)土摩阻力是抗拔力的主要來(lái)源。根據(jù)樁側(cè)土最終破裂面的形態(tài)，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(duì)應(yīng)不同的荷載傳遞機(jī)理，一旦破裂面形式確定，相應(yīng)的樁的承載能力也即確定。目前對(duì)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(shè)，諸如經(jīng)典的荷載傳遞法;朱碧堂、楊敏［9］基于統(tǒng)一極限摩阻力分布推導(dǎo)彈塑性差分求解方法;黃鋒等［10］利用剪切位移原理預(yù)測(cè)得到抗拔樁的彈性變形，有限元模擬中接觸單元的設(shè)置等，并且研究結(jié)果得到了大量試樁資料的驗(yàn)證，充分說(shuō)明了該假設(shè)在樁實(shí)際工作中的普遍性，為此本文對(duì)樁的抗拔特性探討也主要針對(duì)破裂面沿樁土接觸面的情況展開(kāi)。

圖3 抗拔樁破壞面形式

根據(jù)破裂面沿樁土接觸面展開(kāi)的假設(shè)，樁側(cè)土摩阻力的發(fā)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(cè)土從樁頂逐漸向樁尖進(jìn)入屈服狀態(tài)，根據(jù)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(duì)位移不斷加大，樁側(cè)土逐漸由樁頂至樁尖進(jìn)入屈服狀態(tài)，對(duì)應(yīng)屈服范圍的側(cè)摩阻力不再隨樁土相對(duì)位移的增加而增加，基本保持為定值，因此，根據(jù)庫(kù)倫摩擦模型，當(dāng)樁側(cè)土全部進(jìn)入屈服狀態(tài)時(shí)可根據(jù)式(7)求得最大側(cè)摩阻力值Tm，樁的最大抗拔力為

2 土方開(kāi)挖對(duì)樁承載力影響

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

在蓋挖法施工中，隨著土方被挖出，樁側(cè)各層土的豎向應(yīng)力σv均相應(yīng)減小，對(duì)于第二階段，根據(jù)式(6)和式(12)，不難得出，樁側(cè)土提供摩阻力亦有減小趨勢(shì);對(duì)于第一階段，此時(shí)樁側(cè)土尚未到達(dá)屈服狀態(tài)，隨著土體開(kāi)挖，樁側(cè)土被不斷卸荷，存在一定的向上反彈，這種趨勢(shì)導(dǎo)致樁土間相對(duì)位移加大，先期會(huì)增加樁側(cè)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(kāi)挖深度不大的情況下對(duì)其承載能力影響不大;胡琦等［11］研究表明，隨著開(kāi)挖深度加大，受土體回彈影響而進(jìn)入塑性狀態(tài)的樁側(cè)土范圍逐漸增大，而這部分樁土界面在后期加載過(guò)程中側(cè)摩阻力將不再增長(zhǎng)，直接導(dǎo)致樁基剛度減小，影響其承載力。徐楓等［12］對(duì)土方開(kāi)挖時(shí)不同位置的樁進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，靠近基坑中心處的工程樁受基坑開(kāi)挖的影響較坑邊的樁大，這與基坑開(kāi)挖時(shí)靠近基坑中心處的土體回彈量較周邊的大相一致。

對(duì)于抗拔階段，根據(jù)式(6)和式(12)可知，工作于第二階段時(shí)，基坑開(kāi)挖期間減少的覆土壓力直接導(dǎo)致最大側(cè)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(kāi)挖條件下，抗拔樁的極限承載力最大損失將達(dá)40%～50%。對(duì)于工作在第一階段的抗拔樁，開(kāi)挖導(dǎo)致土體回彈會(huì)給樁附加拉應(yīng)力，同時(shí)延緩樁頂附近土層側(cè)摩阻力極限值的發(fā)揮，導(dǎo)致樁端位移的加大。徐楓等［12］的模擬研究表明:基坑開(kāi)挖深度越大，附加樁身的拉力越大，并且隨著開(kāi)挖深度增加，附加拉應(yīng)力的范圍將逐漸向下延伸，這對(duì)抗拔樁極其不利，附加應(yīng)力過(guò)大甚至可能導(dǎo)致樁身斷裂。

3 抗壓-抗拔轉(zhuǎn)換對(duì)側(cè)摩阻剛度的影響

工程樁在抗壓和抗拔轉(zhuǎn)換中，樁土相對(duì)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)發(fā)生反向，這將導(dǎo)致樁土間相對(duì)位移的反向調(diào)整，引起樁側(cè)土內(nèi)部結(jié)構(gòu)的調(diào)整以及樁土接觸面咬合狀態(tài)的改變，導(dǎo)致接觸面的承載能力的改變。

對(duì)于粗粒土，如粗砂、中砂、碎石土等，在低圍壓狀態(tài)下，土顆粒的移動(dòng)受?chē)鷫旱募s束小，容易發(fā)生剪脹現(xiàn)象，剪脹將導(dǎo)致樁側(cè)土對(duì)樁的擠壓力增加，提高了樁側(cè)土的極限摩阻力［14］。然而處于剪脹狀態(tài)的粗粒土其內(nèi)部結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)剪脹前松散，當(dāng)荷載變向時(shí)，土顆粒將沿著剪脹的逆過(guò)程返回原來(lái)的位置，此時(shí)，由于剪脹增加的側(cè)向壓力導(dǎo)致土層沿樁徑向往外壓縮并形成一定的塑性變形，因此，當(dāng)該部分顆粒返回時(shí)，原本緊密的空間變大，使得樁土接觸面范圍內(nèi)土體較原來(lái)松散，導(dǎo)致側(cè)壓力降低，減小樁側(cè)土極限摩阻力值，表現(xiàn)為樁土接觸面抗剪強(qiáng)度的降低。剪脹致應(yīng)力松弛示意見(jiàn)圖5。

圖5 剪脹致應(yīng)力松弛示意

對(duì)細(xì)粒土，如黏土，粉質(zhì)黏土，淤泥質(zhì)土等，由于其抗剪過(guò)程不存在剪脹現(xiàn)象，因此荷載變向主要影響樁土接觸面的咬合和粘結(jié)強(qiáng)度。丁佩民等［15］對(duì)抗拔樁側(cè)摩阻力發(fā)揮規(guī)律進(jìn)行研究，結(jié)果表明荷載反向?qū)⒁饦吨芡令w粒重新排列，導(dǎo)致樁土界面摩擦角減小，對(duì)砂土特別顯著，強(qiáng)度甚至?xí)档偷皆瓉?lái)的60%;對(duì)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(jié)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?qū)犊拱纬休d力的影響必須引起足夠的重視。

4 樁的優(yōu)化設(shè)計(jì)

通過(guò)上文分析，在蓋挖法施工中，工程樁成樁后要經(jīng)過(guò)抗壓和抗拔2種受力模式，同時(shí)在基坑土方開(kāi)挖過(guò)程中，樁側(cè)土的豎向應(yīng)力、樁側(cè)土的承載能力特性發(fā)生變化，工程樁由受抗壓樁轉(zhuǎn)變?yōu)榭拱螛哆^(guò)程中，樁側(cè)土的承載能力特性同樣發(fā)生變化，這些變化都將使得工程樁的承載力較成樁時(shí)有所減小，使得常規(guī)設(shè)計(jì)結(jié)果偏于不保守。為此，針對(duì)蓋挖法中工程樁的受力特點(diǎn)提出如下優(yōu)化設(shè)計(jì)。

4.1 樁側(cè)注漿及坑底加固

在土方開(kāi)挖過(guò)程中，覆土減少直接導(dǎo)致坑底土的卸荷回彈，在基坑底適當(dāng)深度進(jìn)行注漿加固，以及對(duì)樁側(cè)適當(dāng)位置進(jìn)行注漿能有效減小樁側(cè)土卸荷回彈工程樁受力的影響。潘林有，胡中雄［16］通過(guò)室內(nèi)土工試驗(yàn)對(duì)深基坑卸荷回彈問(wèn)題進(jìn)行深入研究，建議回彈區(qū)下邊界定義在卸荷比R≤0.2處，強(qiáng)回彈區(qū)下邊界定義在卸荷比R≤0.8處;李建明，藤延京［17］通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究認(rèn)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(kāi)挖深度;R為卸荷比均值，取值詳見(jiàn)表1。

表1 不同土樣臨界卸荷比均值

通過(guò)計(jì)算，不同土樣的回彈變形深度見(jiàn)表2。

表2 不同土樣回彈變形深度值

根據(jù)文獻(xiàn)［16］計(jì)算可得強(qiáng)回彈臨界深度為

回彈變形影響深度為:

文獻(xiàn)［16］研究結(jié)果還表明，強(qiáng)回彈區(qū)的回彈量占總回彈量一半以上，并且隨著深度繼續(xù)增加，回彈量變化率逐漸減小，因此本文建議對(duì)坑底0.25H深度，樁周2.5倍樁徑范圍內(nèi)進(jìn)行注漿加固，同時(shí)在樁頂以下1.5H范圍內(nèi)進(jìn)行樁側(cè)注漿。

針對(duì)蓋挖法中工程樁在受力方向轉(zhuǎn)化中，樁周土顆粒重新排列導(dǎo)致承載力下降，樁側(cè)注漿可有效穩(wěn)定樁周土的結(jié)構(gòu)組成，改善樁土接觸面的咬合狀態(tài)，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(xiàn)場(chǎng)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(shè)計(jì)參數(shù)可靠的來(lái)源，隨著高大建筑的日益增多，單樁承載力也越來(lái)越大，傳統(tǒng)的試樁方式中需要提供更大的反力裝置，致其應(yīng)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(méi)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(cè)試中具有明顯的優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)際工程中得到而來(lái)越來(lái)越廣的應(yīng)用。

在抗壓樁的自平衡法試樁中，通過(guò)在樁身適當(dāng)位置埋設(shè)荷載箱，使得荷載箱以上樁身側(cè)摩阻力極限值近似等于荷載箱以下下部樁身側(cè)阻極限值及端阻極限值之和，使上、下二段樁均能達(dá)到極限狀態(tài)。根據(jù)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(jīng)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(guò)程中，荷載箱下部樁側(cè)及樁端土的受力情況與正常工作中一致，荷載箱上部樁側(cè)的受力情況與工作狀態(tài)相反而類(lèi)似于抗拔樁受力屈服狀態(tài)，根據(jù)大量抗拔樁承載力的研究資料顯示，樁側(cè)土的極限抗拔摩阻力約為極限抗壓時(shí)摩阻力的0.6～0.8倍［15］，因此自平衡試樁結(jié)果對(duì)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(guò)程中，荷載箱置于工程樁實(shí)際工作時(shí)的樁尖部位，通過(guò)荷載箱下部預(yù)先加固基礎(chǔ)提供反力，加載使樁體壓縮向上，樁側(cè)土摩阻力逐漸由下向上開(kāi)始發(fā)揮，這與抗拔樁在工作時(shí)樁身受拉，樁側(cè)土摩阻力由上向下逐漸發(fā)揮的情況不盡一致。王向軍，吳江斌等［18］研究認(rèn)為泊松比效應(yīng)是抗拔樁極限側(cè)摩阻力較相同條件下抗拔樁極限側(cè)摩阻力小的重要原因，聶如松，冷伍明等［19］通過(guò)模擬相同條件下抗拔樁和抗壓樁的承載能力，結(jié)果表明，由于泊松比效應(yīng)導(dǎo)致抗拔樁側(cè)摩阻力降低為抗壓樁極限側(cè)摩阻力的76.81%，這與文獻(xiàn)［15］結(jié)果較為吻合。因此，試樁中樁身受壓，實(shí)際工作中樁身受拉的差異需引起重視，有必要對(duì)抗拔樁自平衡試樁結(jié)果進(jìn)行折減使用，本文建議側(cè)摩阻力折減系數(shù)取0.75為宜。

根據(jù)蓋挖施工的工序，試樁過(guò)程在坑內(nèi)土方未開(kāi)挖之前進(jìn)行，此時(shí)樁側(cè)土壓力較正常工作大，并且隨著開(kāi)挖深度加大，差異越明顯，由此導(dǎo)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(duì)該方面的詳盡研究目前尚缺乏，無(wú)具體參數(shù)可供設(shè)計(jì)參考，待后續(xù)研究的深入進(jìn)行。

4.3 設(shè)置擴(kuò)大頭

擴(kuò)孔樁在提高工程樁極限承載能力方面得到了廣泛的應(yīng)用，取得了可觀的經(jīng)濟(jì)效益，黃茂松等［13］研究結(jié)果表明在基坑開(kāi)挖條件下，等截面抗拔樁的極限承載力最大損失將達(dá)50%，而擴(kuò)孔抗拔樁的極限承載力最大損失不超過(guò)40%，其中承載力損失主要來(lái)自樁側(cè)摩阻力的減小，擴(kuò)大頭部位承載能力的降低很小，可忽略不計(jì)。同時(shí)，在本文討論的樁受力變向?qū)е驴拱螛冻休d力下降情況中，抗拔樁擴(kuò)頭所提供的豎向壓應(yīng)力將不受影響，并且隨著擴(kuò)頭直徑的加大，擴(kuò)頭對(duì)抗拔的貢獻(xiàn)將逐漸加大，這是設(shè)計(jì)中抗拔樁承載力的有力保障。為此，本文建議，針對(duì)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(kāi)挖和荷載變向降低樁基承載力的風(fēng)險(xiǎn)，可將樁尖處做成擴(kuò)頭，根據(jù)擴(kuò)頭尺寸對(duì)承載力增長(zhǎng)效率的研究［13］，擴(kuò)頭直徑D宜為樁身直徑d的1.5～2倍;同時(shí)，在有必要前提下，可在樁身增設(shè)擴(kuò)大頭，根據(jù)擴(kuò)頭的影響范圍，增設(shè)區(qū)應(yīng)置于強(qiáng)回彈區(qū)臨界深度以下(1～3)D，宜設(shè)置于相對(duì)較硬的土層中。

5 結(jié)論

針對(duì)地下水淺埋區(qū)，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(diǎn)以及承載力的組成和影響，主要結(jié)論如下。

(1)蓋挖法中，土方開(kāi)挖導(dǎo)致基坑底土體回彈，土體回彈將增加工程樁樁身應(yīng)力，降低樁側(cè)土的極限摩阻力，降低樁的抗拔承載力。對(duì)樁受力影響范圍內(nèi)強(qiáng)回彈區(qū)土體進(jìn)行加固，對(duì)土體回彈區(qū)內(nèi)樁側(cè)進(jìn)行后注漿處理能有效減小土體回彈對(duì)樁承載力的影響;樁側(cè)注漿加固還能增加樁的極限承載力，減小樁側(cè)荷載變向?qū)е碌臉兜某休d力損失。

(2)蓋挖法中，根據(jù)試樁時(shí)樁的受力特性與樁在正常工作時(shí)的差異，試樁結(jié)果用于設(shè)計(jì)參考時(shí)有必要進(jìn)行相應(yīng)處理，特別對(duì)于抗拔樁自平衡試樁結(jié)果偏于不保守，本文建議對(duì)樁側(cè)摩阻力進(jìn)行折減，折減系數(shù)為0.75;基坑內(nèi)土方開(kāi)挖導(dǎo)致樁側(cè)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(qiáng)。

(3)在樁尖和樁身適當(dāng)位置設(shè)置擴(kuò)頭將有助于提高樁的極限抗壓和抗拔承載力，同時(shí)，擴(kuò)頭對(duì)于減小坑內(nèi)土開(kāi)挖和樁側(cè)荷載變向?qū)е碌臉冻休d力下降有較好的效果。因此，在深基坑工程中，適當(dāng)設(shè)置擴(kuò)頭將對(duì)樁的承載力特性有大的幫助。

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