黃土地基濕陷引發(fā)樁基負(fù)摩阻力的估算方法研究

梅 源，胡長(zhǎng)明，李修波，袁一力，趙 楠，劉大江,3

( 1. 西安建筑科技大學(xué)土木工程學(xué)院，陜西 西安 710055；2. 華夏幸?；鶚I(yè)股份有限公司，北京 100027;3. 唐山學(xué)院土木工程系，河北 唐山 063000 )

黃土濕陷引發(fā)的樁基負(fù)摩阻力大且往往具有突發(fā)性，由此帶來(lái)的工程問(wèn)題在我國(guó)西部黃土地區(qū)建設(shè)中尤為突出，因此，黃土濕陷引發(fā)的樁基負(fù)摩阻力的計(jì)算是黃土地區(qū)樁基設(shè)計(jì)過(guò)程中需要解決的重要問(wèn)題[1]．

目前，針對(duì)黃土濕陷引起的樁基負(fù)摩阻力的研究已經(jīng)積累了一些重要成果．劉明振[2]提出了含有自重濕陷性黃土夾層的場(chǎng)地上群樁負(fù)摩阻力的計(jì)算方法；黃雪峰[3]針對(duì)大厚度自重濕陷性黃土中灌注樁承載性狀與負(fù)摩阻力開展了大型試驗(yàn)研究；曹衛(wèi)平[4]研究了濕陷性黃土地基中人工挖孔擴(kuò)底灌注樁在預(yù)浸水過(guò)程及其之后的加載過(guò)程中樁身摩阻力、樁端反力及樁身中性點(diǎn)深度的發(fā)展變化規(guī)律；齊靜靜[5]對(duì)自重濕陷性黃土浸水過(guò)程中樁側(cè)負(fù)摩阻力的變化規(guī)律及濕陷變形對(duì)基樁豎向承載力性能的影響進(jìn)行了分析；李大展[6]提出了浸水濕陷全過(guò)程中大直徑樁荷載傳遞機(jī)理的三階段分析法；王長(zhǎng)丹[7]研究和分析黃土的濕陷變形性質(zhì)與樁基的負(fù)摩阻力；張獻(xiàn)輝[8]對(duì)自重濕陷性黃土中大直徑樁的破壞模式、荷載傳遞機(jī)理、浸水過(guò)程中樁側(cè)負(fù)摩阻力的變化規(guī)律及浸水對(duì)樁豎向承載力的影響進(jìn)行了深入的研究．本文基于荷載傳遞法的原理和有關(guān)概念，推導(dǎo)了一種簡(jiǎn)單適用的黃土濕陷引發(fā)樁基負(fù)摩阻力的估算方法．

1 分析方法和計(jì)算模型

1.1 基本方法

為了解決樁土相對(duì)位移、樁側(cè)摩擦力和樁端土阻力之間的關(guān)系，傳遞函數(shù)法是常用的理論分析方法之一，其基本分析模型如圖1所示[9-11]．

圖1 分析模型Fig.1 Analysis model

1.2 計(jì)算模型

試驗(yàn)表明[11]：濕陷性黃土地基隨著浸水量的增加，其濕陷變形將持續(xù)增加，當(dāng)濕陷性黃土層飽和后，地基濕陷沉降量將達(dá)到一穩(wěn)定值，隨后會(huì)產(chǎn)生一定量的固結(jié)沉降，最終趨于穩(wěn)定．在浸水過(guò)程中，樁側(cè)負(fù)摩阻力的發(fā)展呈現(xiàn)出先增加后減小最后趨于穩(wěn)定的發(fā)展規(guī)律．因此，黃土地基濕陷引發(fā)樁側(cè)負(fù)摩阻力的傳遞函數(shù)，可采用三折線模型描述[12]．

為克服負(fù)摩阻力帶來(lái)的不利影響，《濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范》(GB50025-2004)規(guī)定：在濕陷性黃土場(chǎng)地采用樁基礎(chǔ)，樁端必須穿透濕陷性黃土層，且樁端一般支承在非濕陷的黃土(或砂)持力層中，此時(shí)樁端土阻力將存在“深度效應(yīng)”(即樁進(jìn)入砂持力層或硬黏土持力層的深度存在一個(gè)臨界值，當(dāng)樁進(jìn)入持力層的深度小于該臨界值時(shí)，樁端極限承載力基本上隨深度而線性增長(zhǎng)；當(dāng)樁進(jìn)入持力層的深度大于該臨界值時(shí)，則樁端極限承載力保持不變，且稱為端阻力穩(wěn)值)[13]，因此，樁端土阻力傳遞函數(shù)可采用雙折線模型描述[14-15]．

本文推導(dǎo)黃土濕陷引發(fā)單樁負(fù)摩阻力的計(jì)算公式過(guò)程中，基本假設(shè)如下[14-16]：

(1) 樁體截面均勻，且在加載過(guò)程中處于彈性范圍．初始狀態(tài)下，樁、土沿豎向的位移為零；(2)樁頂荷載由零逐漸加載到設(shè)計(jì)值并維持穩(wěn)定，如圖2(a)；(3) 樁側(cè)摩阻力傳遞函數(shù)采用三折線模型描述，如圖2(b)；(4) 樁端土阻力傳遞函數(shù)采用雙折線模型描述，如圖2(c)；(5) 由浸水引起的黃土濕陷沉降是一維的，且沿深度z方向線性分布，如圖2(d)．

符號(hào)規(guī)定：地基濕陷時(shí)，某一深度處樁身沿軸向的位移為SP，mm；與之對(duì)應(yīng)的同一深度處樁周土體的位移為SS，mm，則該深度樁土相對(duì)位移為S = SP－SS；f、fsult、fsr分別為單位深度內(nèi)土體所產(chǎn)生的樁側(cè)摩阻力、樁側(cè)極限摩阻力和樁側(cè)殘余摩阻力，kN/mm；S、Ssult、Ssr分別為f、fsult、fsr所對(duì)應(yīng)的樁土相對(duì)位移，mm；k1、k2分別為不同階段樁周濕陷性黃土層的剪切剛度系數(shù)和剪切剛度損失系數(shù)，k3為樁端土反力系數(shù)，kN/mm；R、RL為樁端阻力和端阻力穩(wěn)值，kN；w、wsult分別為樁端貫入位移和極限貫入位移，mm．

圖2 計(jì)算模型[14-17]Fig.2 Calculation model

2 基本方程及求解

2.1 基本方程

根據(jù)上述理論依據(jù)、基本假定及計(jì)算模型，得到的各階段樁側(cè)負(fù)摩阻力傳遞函數(shù)[14-17]，如式(1)：

由浸水引起的黃土濕陷沉降為一維線性，以下式(2)表達(dá)：

則樁土相對(duì)位移可表示為

2.2 方程求解

(1) 初始浸水階段

地基浸水初始階段，上部土層雖然含水量較高，但浸水導(dǎo)致的附加應(yīng)力?。疂裣菪渣S土層整體含水量低、膠結(jié)力損失小，此時(shí)浸水導(dǎo)致的變形主要為壓縮變形，隨著浸水的持續(xù)進(jìn)行，由黃土顆粒間膠結(jié)力逐漸喪失和其它外部因素共同造成了附加應(yīng)力不斷增加，濕陷性黃土層開始初步發(fā)生濕陷，但絕大部分樁周土沒有發(fā)生剪切滑移，樁周土的剪切剛度k1為一常數(shù)，此過(guò)程中，樁土相對(duì)位移逐漸增大，平均單位深度土體所產(chǎn)生的負(fù)摩阻力將持續(xù)增加．此時(shí)，建立的微分方程如式(4)：

(2) 樁周土整體強(qiáng)度下降階段

隨著浸水量增加，濕陷性黃土層的大部分土體顆粒間的膠結(jié)力逐漸減小，導(dǎo)致土體抗剪強(qiáng)度降低，濕陷變形加速發(fā)展，樁周部分土體發(fā)生剪切滑移，且滑移范圍逐漸增大，使得樁體附著重量逐漸減輕，這一過(guò)程由上到下逐漸發(fā)展，單位深度土所產(chǎn)生的負(fù)摩阻力在達(dá)到峰值后隨之降低．隨滑移范圍的發(fā)展，樁周土體的剪切剛度系數(shù)系數(shù)k1雖然處于不穩(wěn)定的調(diào)整狀態(tài)，但為方便表達(dá)和簡(jiǎn)化推導(dǎo)過(guò)程，假設(shè)此時(shí)剪切剛度系數(shù)系數(shù)k1保持不變[14-17]．此時(shí)，建立的微分方程如式(6)：

S求解方程(6)可得此階段樁土相對(duì)位移、樁身位移及軸力如式(7)：

(3) 濕陷穩(wěn)定階段

當(dāng)濕陷性黃土層絕大部分土體發(fā)生濕陷時(shí)，地基表面沉降趨于穩(wěn)定，樁周土體產(chǎn)生剪切滑移的范圍及樁土相對(duì)位移亦趨于穩(wěn)定，單位深度土體所提供的摩阻力達(dá)到殘余強(qiáng)度值并維持穩(wěn)定，樁基負(fù)摩阻力隨之達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)，此時(shí)，建立的微分方程如式(8)：

求解方程可得此階段樁土相對(duì)位移、樁身位移及軸力如式(9)：

則各階段的樁基負(fù)摩阻力可表示為

上述結(jié)果為一種黃土濕陷引起的樁基負(fù)摩阻力的解析解．濕陷變形停止后，土體發(fā)生固結(jié)，土顆粒間的膠結(jié)力逐漸恢復(fù)，樁土相對(duì)位移增加，樁側(cè)負(fù)摩阻力可能出現(xiàn)“二次峰值”現(xiàn)象，此時(shí)仍可采用上述方法進(jìn)行分析．模型中的基本參數(shù)：k1、k2可由不同狀態(tài)下濕陷性黃土與混凝土接觸面的剪切試驗(yàn)獲得，樁端土反力系數(shù)k3需根據(jù)實(shí)際工程試樁結(jié)果分析確定．

3 結(jié)論

通過(guò)分析黃土濕陷引發(fā)的樁基負(fù)摩阻力的傳遞規(guī)律，分別采用采用雙折線模型及三折線模型描述黃土地基單樁端阻力和濕陷引發(fā)樁側(cè)負(fù)摩阻力的傳遞函數(shù)，繼而建立微分方程并求解，據(jù)此給出了黃土濕陷引發(fā)樁基負(fù)摩阻力、樁土相對(duì)位移、樁身位移及軸力的系列計(jì)算公式，該公式需確定的參數(shù)較少，可方便用于濕陷性黃土地基樁基負(fù)摩阻力的估算．

由于黃土的結(jié)構(gòu)性強(qiáng)，濕陷性黃土受水后土體結(jié)構(gòu)遭到破壞，土體干密度、粘聚力、內(nèi)摩擦角、變形模量等物理力學(xué)指標(biāo)在濕陷及土體固結(jié)過(guò)程中波動(dòng)較大，且反映樁土界面剪切力學(xué)特性的有關(guān)指標(biāo)與濕陷性黃土增濕階段的物理力學(xué)指標(biāo)關(guān)系密切，因此，確定黃土濕陷引發(fā)的樁基負(fù)摩阻力需要大量現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)支持．本文提供的計(jì)算方法尚處于理論推導(dǎo)階段，因此，其計(jì)算結(jié)果的精度有待進(jìn)行試驗(yàn)研究．

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