港口建筑工程設(shè)計中樁的負(fù)摩阻力問題探討

陳雄

廣州港股份有限公司 廣東 廣州 510700

前言

我國對外貿(mào)易的規(guī)模不斷擴(kuò)大，沿海港口的建設(shè)如火如荼，在建設(shè)中越來越向深水港延伸，所以在港口建筑工程設(shè)計中樁的負(fù)摩阻力問題受到極大關(guān)注。

1 港口中樁基負(fù)摩阻力存在的問題

由于樁基負(fù)摩阻力特性及作用機(jī)理尚不十分清楚，工程實(shí)踐中負(fù)摩阻力的計算，負(fù)摩阻樁基承載力的評估等方面仍存在許多問題。正常使用，造成不必要的損失和浪費(fèi)。目前，樁基負(fù)摩阻力的理論研究大都是在不考慮樁頂荷載的情況下進(jìn)行的。國內(nèi)外實(shí)驗(yàn)研究基本在此基礎(chǔ)上完成[1]。

這使得理論分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果與樁的實(shí)際受力狀態(tài)有很大的不同，對工程實(shí)踐的指導(dǎo)意義不大?？紤]到樁頂荷載的負(fù)摩擦阻力特性，樁土相互作用通常簡化為簡單線性關(guān)系。樁頂荷載的影響和無樁頂荷載的影響是簡單疊加的。作為線性關(guān)系分析完全簡化樁土相互作用的結(jié)果并不能反映樁土相互作用的實(shí)際狀態(tài)。

另外，迄今為止，基本上沒有研究負(fù)摩擦阻力，首次出現(xiàn)負(fù)摩擦阻力，然后施加樁頂荷載之后施加樁頂荷載的負(fù)摩擦阻力特性的差異。根據(jù)樁土相互作用的非線性特征，存在加載順序?qū)ω?fù)摩阻力的影響?？紤]到實(shí)際加載順序?qū)兜呢?fù)摩阻力特性的研究以及加載順序影響的研究與實(shí)際工程實(shí)踐密切相關(guān)，更有利于研究成果的推廣應(yīng)用。

復(fù)合地基，如樁基，通常用于地質(zhì)條件惡劣的地區(qū)，如軟土。目前，對復(fù)合地基樁基的抗摩擦性能的研究主要集中在樁基對樁墊的沖擊引起的負(fù)摩阻力方面。但由于地下水位下降和未固結(jié)土沉降等因素造成的負(fù)摩阻力的研究尚未基本實(shí)施。由于緩沖墊主要用于調(diào)整樁和土的應(yīng)力分布，所以一般厚度是有限的。因此，樁身進(jìn)入墊層的負(fù)摩擦阻力遠(yuǎn)小于土體沉降產(chǎn)生的負(fù)摩擦力。研究復(fù)合地基土體沉降引起的加筋樁負(fù)摩阻力特性是非常必要的。但由于實(shí)際工程中復(fù)合地基樁的強(qiáng)度不足導(dǎo)致復(fù)合地基的破壞，反映了研究土體沉降引起樁的負(fù)摩阻力的迫切要求。

負(fù)摩阻樁樁承載力的評估也是實(shí)際工程中需要解決的問題之一。報告考慮了負(fù)摩擦阻力的負(fù)面影響，并且已經(jīng)有許多樁基礎(chǔ)失效的例子已經(jīng)通過樁承載能力測試。問題是目前的代碼沒有提供具有負(fù)摩擦阻力的樁的承載能力的測試要求。問題是如何合理評價負(fù)摩擦阻力樁的承載力，確保工程的安全[2]。

2 樁的負(fù)摩阻力

2.1 復(fù)合地基中的負(fù)摩阻力

為了充分發(fā)揮復(fù)合地基的特性，黃西玲先生提出在平臺下設(shè)置墊層，以改善地基中樁間土的荷載分布，充分發(fā)揮其承載能力地基土。明明利等人?？偨Y(jié)了墊層的作用，確保樁土承擔(dān)調(diào)整樁的荷載分擔(dān)比，緩解水平荷載在基礎(chǔ)應(yīng)力集中樁上的分布。同時，由于緩沖墊的設(shè)置，樁體具有向上的刺穿變形，使得樁體產(chǎn)生部分負(fù)摩擦阻力區(qū)域。

復(fù)合地基中的負(fù)摩擦阻力應(yīng)分為兩種情況。在一種情況下，在具有墊層的復(fù)合地基中，在載荷的作用下向上刺穿軟墊會在鋼筋樁頂部產(chǎn)生負(fù)摩擦阻力，這在正常使用時為負(fù)值。國內(nèi)許多學(xué)者對摩擦阻力作了綜合研究，探討了復(fù)合地基在正常使用中的緩沖機(jī)理。詳細(xì)分析了復(fù)合地基中樁體負(fù)摩擦阻力的原因。試驗(yàn)中，墊層復(fù)合地基樁存在負(fù)摩擦阻力。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果指出，對于負(fù)摩擦帶，樁間土的垂直應(yīng)力較大。 “建筑墳?zāi)固幚砑夹g(shù)規(guī)范”是對國內(nèi)復(fù)合地基理論研究和工程實(shí)踐的總結(jié)，對國內(nèi)復(fù)合地基實(shí)踐具有很強(qiáng)的指導(dǎo)作用。

在另一種情況下，由于主要在軟土地區(qū)使用復(fù)合地基，例如在地下水位下降導(dǎo)致土壤沉降和未固結(jié)的土壤固結(jié)和沉降的情況下，樁周圍的加固土的沉降大于由樁定居。負(fù)摩擦阻力。此時，負(fù)摩阻力的發(fā)展類似于樁的負(fù)摩阻力，其不利影響遠(yuǎn)大于正常使用時樁身穿入墊層的負(fù)摩阻力。目前，國內(nèi)外對復(fù)合地基抗負(fù)摩擦阻力的研究較少。安春秀報道了在回填場地水泥土攪拌樁復(fù)合地基上由于負(fù)摩擦阻力引起的下拉力作用下加固樁強(qiáng)度不足的情況，樁導(dǎo)致建筑物無法使用。這表明，對復(fù)合地基土體沉降引起的負(fù)摩擦阻力效應(yīng)的研究對該項(xiàng)目具有實(shí)際意義[3]。

2.2 樁身摩阻力分布

降水前后復(fù)合地基中樁筋摩擦阻力的分布存在較大差異。差異首先出現(xiàn)在中立位置。降水后中性點(diǎn)的位置明顯低于降水前的位置。這表明，對于復(fù)合地基來說，由沉降引起的負(fù)摩擦阻力比由堆積引起的負(fù)摩擦阻力大得多。其次，降雨后樁頂負(fù)摩阻值遠(yuǎn)大于降水前的值，負(fù)摩阻樁樁長較長。

因此，由負(fù)摩擦阻力引起的下拉力具有很大的影響，并且在復(fù)合地基的設(shè)計中必須予以考慮。這是由于降雨后有效土壤應(yīng)力的增加，降水引起的土壤沉降增加使得樁頂土的相對位移增大。根據(jù)有效應(yīng)力原理，這兩個指標(biāo)是負(fù)摩擦阻力的重要指標(biāo)。第三，隨著負(fù)荷的增加，降水后中性位置的波動幅度明顯大于降雨前的幅度。在樁的中部，正摩擦阻力的分布幾乎沒有差別。在樁底部，降雨后的正摩擦阻力略大于降水前的摩擦阻力。通過地基沉降與樁頂沉降之間的差異，可以得到沉降前后樁身位移的變化。

隨著荷載的增加，樁頂沉降和地基沉降均增加。底部表面的沉降速度比沉淀前后的沉降速度快。在計算范圍內(nèi)，降雨前樁和基礎(chǔ)的沉降與荷載的增加大致呈線性關(guān)系。降水后樁沉降增長趨勢也可以看作是線性近似，而基本沉降增長趨勢更為明顯，非線性，增長速度明顯快于樁的沉降。

基礎(chǔ)沉降包括緩沖墊的壓縮，樁的沉降以及樁的穿孔變形。緩沖墊的壓縮變形較小，樁與地基的沉降差異反映了樁的變形趨勢。換句話說，降雨后，隨著荷載的增加，樁頂向上變形的變形速率加快。對于具有緩沖層和無支撐層的復(fù)合地基，使用階段地下水位下降或未固結(jié)土固結(jié)引起的樁的負(fù)摩擦阻力遠(yuǎn)大于正常使用時的負(fù)摩阻力。

樁基沉降，樁的沉降顯著增加了中性位置，并且負(fù)摩擦阻力產(chǎn)生的下拉力也顯著增加。這可能會造成過度沉降影響建筑物功能和基礎(chǔ)樁的強(qiáng)度或安全系數(shù)下降的嚴(yán)重后果。在復(fù)合地基的設(shè)計中，應(yīng)特別考慮在降水條件下發(fā)生的負(fù)摩擦阻力[4]。

3 結(jié)束語

對樁的負(fù)摩阻力問題的研究可以更好加固港口建筑工程的安全性及穩(wěn)定性，計算樁的負(fù)摩阻力可以提升港口的穩(wěn)定性及耐久性。

[1] 別社安,武港生.板樁碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)計輔助計算系統(tǒng)[J].港工技術(shù),1997,(4):28-32.

[2] 李廣大,聶孟喜.板樁碼頭計算機(jī)輔助設(shè)計系統(tǒng)[J].港工技術(shù),2000,(2):28-31.

[3] 張政生.板樁碼頭的有限元解法及計算機(jī)處理切[J].水運(yùn)工程,2004,(7):38-40.

[4] 王浩芬,李久旺.有錨柔性墉.的內(nèi)力與變形分析[J].巖土工程學(xué)報,1987,(6):69-74.