鉆孔灌注樁樁側(cè)荷載傳遞特性探討

張 明，姚志龍

(湖北省地質(zhì)局第八地質(zhì)大隊(duì)，湖北襄陽 441000)

對于樁基礎(chǔ)的承載特性研究，國內(nèi)外的學(xué)者專家已經(jīng)做了大量的工作。然而在實(shí)際工程施工過程中，往往強(qiáng)調(diào)更多的是滿足設(shè)計(jì)要求的樁承載力，而對樁承載力的要求上更多的時(shí)候表現(xiàn)為控制樁的沉降量。隨著中國城市建設(shè)的發(fā)展，對高層建筑、橋梁建設(shè)的樁基要求也越來越高，大直徑、超長灌注樁的應(yīng)用也越來越廣泛。本文結(jié)合湖北襄陽首信·東方墨爾本樁基礎(chǔ)項(xiàng)目中的實(shí)際情況，對這一特性展開探討。

1 樁荷載傳遞機(jī)理

理論研究表明樁的荷載傳遞機(jī)理主要包括以下兩方面:地基巖土對樁的支撐作用，不同荷載下軸力沿深度的變化。地層巖土對樁的支撐由樁端阻力和樁側(cè)摩阻力兩部分組成，而且這兩種阻力不是同步的［1］。豎向荷載施加于樁頂時(shí)，樁身的上部先受到壓縮而發(fā)生相對于土的向下位移，于是周土在樁側(cè)界面上產(chǎn)生向上的摩阻力;荷載沿樁身向下傳，不斷克服這種摩阻力，直至趨于穩(wěn)定。而樁底的土反力作用在摩擦樁的相互作用中只占據(jù)很小的部分。

樁身軸力隨著深度加深逐漸減小。在樁端處則與樁底土反力Qp平衡，同時(shí)樁端持力層土在樁底土反力Qp作用下產(chǎn)生壓縮，使樁身下降，樁與地層土的相對位移又使摩阻力進(jìn)一步發(fā)揮。隨著樁頂荷載N的逐步增加，對于每級荷載，上述過程周而復(fù)始地進(jìn)行，直至變形穩(wěn)定為止，于是荷載傳遞過程結(jié)束，達(dá)到力的平衡。

如圖1所示為樁身軸力的變化，隨著樁頂荷載的加大，樁體產(chǎn)生軸力的范圍也是越來越深，而且對周圍土體的影響也是越來越大，影響范圍越來越廣，并且這種軸力的影響是不均勻的。

圖1 軸力變化圖Fig．1 Change maps of axial force

2 荷載傳遞模型

荷載傳遞分析法目前所使用的線彈性模型和雙折線模型是常使用的用沉降側(cè)計(jì)算摩阻的模型，但實(shí)際工程中地基條件遠(yuǎn)比這種彈性模型復(fù)雜，而指數(shù)模型和雙曲線模型在實(shí)際操作過程中計(jì)算相對比較復(fù)雜，經(jīng)過多重比較筆者選擇使用一種三折線模型［2］(圖2)。

式中:qsi為第i層處樁側(cè)摩阻力(kPa);ks1i，ks2i為樁身側(cè)阻的剛度系數(shù)(kPa/mm);si為第i層處樁身的豎向變形量(mm);s1i，s2i為第i層處樁身土層的彈性、塑性變形臨界值(mm);ξi為第i層土體的深度效應(yīng)系數(shù)(m-1);h為樁身計(jì)算點(diǎn)離本土層中心的豎向距離(m);當(dāng)樁身某點(diǎn)入土深度大于樁側(cè)阻臨界深度時(shí)，考慮到深度效應(yīng)，取ξi=0，即不作深度修正。

圖2 側(cè)阻三折線模型Fig．2 Model of triple line of side resistance

如圖2所示，當(dāng)ks2i＞0，當(dāng)土體達(dá)到彈性變形臨界值后，開始屈服，側(cè)阻增長變緩，開始硬化，一旦達(dá)到塑性變形之后側(cè)阻完全發(fā)揮，將不在再增長。ks2i=0，則剛好變成雙折線模型，土體屈服之后側(cè)阻剛好完全發(fā)揮，硬化也逐漸完成。若ks2i＜0，表明樁側(cè)土體軟化，土層結(jié)構(gòu)被破壞，繼續(xù)增壓樁身將荷載傳遞給下面土層，樁身壓縮變形最終出現(xiàn)沉降、樁身損壞等情況。

3 工程實(shí)例分析

該項(xiàng)目采用800 mm鉆孔灌注樁對地基進(jìn)行加固處理，單樁端入④-1卵石-6圓礫持力層，樁長在40 m左右，其地基結(jié)構(gòu)如下:①雜填土(Qml)，層厚4～5 m;②粉質(zhì)粘土，層厚9～10 m;③粉砂，層厚1～2 m;，層厚6～8 m;④-1a粉砂層厚1～2 m;④-2圓礫，層厚7～8 m;④-3粉砂，層厚3～4 m;④-4圓礫，層厚3～4 m;④-5粉砂，層厚2～3 m;④-6圓礫為了對工程樁質(zhì)量進(jìn)行檢驗(yàn)，筆者采取對三根樁進(jìn)行試壓，同時(shí)也提供了一個(gè)良好的檢驗(yàn)機(jī)會(huì)。

其中在ZH-1樁試壓過程中發(fā)現(xiàn)在樁身荷載達(dá)到4 900 kN時(shí)樁身沉降量發(fā)生明顯加快的情況，但是考慮到樁身質(zhì)量問題，繼續(xù)加壓樁體有可能產(chǎn)生破壞，停止靜壓作業(yè)。發(fā)生該情況有以下原因:①樁周圍土體軟化，在進(jìn)行繼續(xù)加壓時(shí)已經(jīng)到達(dá)屈服，從而直接將樁上部荷載傳遞到下層土體，急劇產(chǎn)生壓縮變形，甚至是塑性變形［3］。②樁體本身存在夾泥斷樁等情況，當(dāng)上部荷載加壓到一定值時(shí)樁體內(nèi)部軟弱層受到壓力產(chǎn)生塑性位移，從而導(dǎo)致樁沉降急劇增加。③孔底沉渣過多，灌注樁在澆筑過程中，下部混凝土?xí)c底部沉渣產(chǎn)生膠結(jié)，形成強(qiáng)度不高的膠結(jié)體，當(dāng)上部荷載逐步傳遞到底層時(shí)下部強(qiáng)度不夠的膠結(jié)體受力產(chǎn)生塑性變形，樁在加壓過程中會(huì)產(chǎn)生明顯沉降，如果繼續(xù)加壓，這種不穩(wěn)定膠結(jié)體可能會(huì)逐步趨于穩(wěn)定，也有可能樁體整體塑滑。

圖3 靜載荷試驗(yàn)的P-S曲線Fig．3 P-S curve of static load test

在對ZH-2和ZH-3試樁進(jìn)行加壓的時(shí)候，樁身產(chǎn)生相對速度比較均勻的沉降變形，而在荷載量達(dá)到6 000 kN左右時(shí)，沉降監(jiān)測量相對之前開始有加快趨勢，隨著荷載進(jìn)一步增加沉降迅速增加。

經(jīng)過計(jì)算機(jī)模擬得出以下關(guān)于沉降與上部荷載之間的相關(guān)關(guān)系(P-S)，如圖3中M曲線所示。

圖4 P-S關(guān)系曲線模擬圖Fig．4 Simulating graph of P-S relation curve

如圖4所示，在整個(gè)樁體的試壓過程中，筆者發(fā)現(xiàn)樁身的沉降與樁頂荷載關(guān)系處于一種類似上面所示的雙折線模型。當(dāng)上部荷載處于0～6 000 kN和6 000～9 600 kN時(shí)，樁身的沉降曲線呈兩種不同斜率。

設(shè)P-S關(guān)系如下:

式中:P為樁體荷載量;S為樁身沉降量;S1、S2為樁身沉降速率變化時(shí)樁身沉降臨界值;K1、K2為不同荷載下沉降隨荷載增加產(chǎn)生速率，K1=500 kN/mm，K2=3 600 kN/mm。

根據(jù)式(1)和式(2)對比可知，所模擬的沉降隨荷載變化的趨勢吻合，從模擬和現(xiàn)場測試的結(jié)果來看，800 mm旋挖成孔的鉆孔灌注樁，設(shè)計(jì)極限承載力在9 600 kN以內(nèi)，當(dāng)沉降量在0～1．2 cm時(shí)，樁的變形呈彈性形變;當(dāng)沉降量在1．2～2．4 cm時(shí)，樁的變形呈塑性形變。

其中，當(dāng)S＞S2時(shí)的沉降量變化是根據(jù)樁身沉降規(guī)律模擬的。當(dāng)樁身荷載不再增加時(shí)，隨著時(shí)間的變化沉降量也會(huì)增加。

根據(jù)前面介紹的樁體沉降隨荷載變化模型可知，樁身沉降變化也分為三個(gè)不同階段，各個(gè)土層產(chǎn)生的沉降量都不一樣。現(xiàn)通過數(shù)學(xué)疊加法則，對所有土層的沉降量進(jìn)行疊加，即有:

比較式(2)與式(3)可知，樁體的整體沉降與樁每一層土體中樁的沉降是有相當(dāng)大的聯(lián)系的。在式(3)中不妨設(shè)則有:

式(3)即可轉(zhuǎn)換為式(4)。

式(4)是在實(shí)際沉降觀察中得出的結(jié)論，而式(3)是經(jīng)過理論轉(zhuǎn)化得出的結(jié)論，經(jīng)過比較，得出如下結(jié)論。

(1)樁基沉降速率與地層土的剛度系數(shù)成正相關(guān)。對于單層土體這種關(guān)系比較明顯，但對于工程施工中所面臨的多層不同地基土這種正相關(guān)則由具體的土體的相關(guān)參數(shù)綜合確定。

(2)樁沉降的大小、速率與土體的彈塑性變形有直接關(guān)系［4］。樁身的沉降量與土體的壓縮變形量表現(xiàn)極為一致，都呈現(xiàn)處兩種不同階段的變化。先是樁基土體達(dá)到類似于彈性形變的屈服點(diǎn)，然后再進(jìn)行塑性形變。

(3)對比圖2與圖4可知，在土體彈性變形階段，樁身沉降表現(xiàn)得相對較慢，而在彈性變形結(jié)束到達(dá)彈性屈服點(diǎn)之后樁身的沉降速度比之前快。

兩者之間的轉(zhuǎn)換證明，在之前采取的三折線側(cè)阻模型能夠比較好地應(yīng)用到工程實(shí)際中去，這種模型能夠較好地反應(yīng)樁的荷載傳遞規(guī)律。

4 小結(jié)

本文對樁側(cè)荷載傳遞特性進(jìn)行了探討，并對這一特性模型進(jìn)行了驗(yàn)證。通過工程實(shí)例證明，該模型在實(shí)際工程操作中有一定借鑒意義，該模型一定程度上反應(yīng)了灌注樁不斷平衡樁側(cè)摩阻力的過程。事實(shí)證明在地基壓力的傳遞過程中，開始變形呈近似彈性變形，當(dāng)達(dá)到近似彈性屈服極限之后，變形逐步減緩，一直到地基硬化趨于完全。這段過程中荷載是從上而下逐步向下釋放的，地層土逐級壓縮，直至加固完全。

［1］ 黃生根，吳鵬，戴國亮．基礎(chǔ)工程施工方法［M］．武漢:中國地質(zhì)大學(xué)出版社，2009．

［2］ 趙明華，何俊翹．基樁豎向荷載傳遞模型及承載力研究［J］．湖南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)報(bào))，2005，32(1):37-42．

［3］ 樓曉明，陳強(qiáng)華．工程勘察［J］．1996(3):13-16．

［4］ 張忠苗．基于樁頂與樁端沉降的鉆孔樁受力性狀研究［J］．巖土工程學(xué)報(bào)，1997，19(4):88-93．