天津市軟土地區(qū)樁端土層情況對樁側(cè)阻力影響的探討

崔維燦

上海廣聯(lián)環(huán)境巖土工程股份有限公司 上海 200444

1 概述

以軟土沉積為主的天津地區(qū)，在經(jīng)歷了海陸變遷后，形成了巨厚的沉積物，其樁基承載力的實現(xiàn)主要是通過樁與土的摩擦力，因此樁側(cè)摩阻力的重要性不言而喻。但無論是在現(xiàn)有的規(guī)范中，還是實際的應用中，樁側(cè)摩阻力的大小往往被認為是一個常數(shù)，同時樁的承載力也只是樁端阻力和樁側(cè)阻力的簡單相加，并將樁側(cè)摩阻力的大小簡單地認為只取決于地層情況，但自20世紀70年代以來，一些試驗數(shù)據(jù)表明，樁端情況影響著樁側(cè)摩阻力的大小。一般的規(guī)律是樁端土的強度越大，那么樁側(cè)摩阻力也會隨之增大，而樁端土強度較低時，樁側(cè)摩阻力會隨之變小。對此，席寧中[1]、劉利民等[2]、張忠苗等[3]、張建新等[4]針對樁端強度對樁側(cè)阻力的強化效應也進行了闡述。

上述的情況說明，樁端持力層的情況是影響樁側(cè)摩阻力發(fā)揮的一個因素，對于以摩擦樁為主的天津軟土地區(qū)則顯得尤為重要。

因此，深入探討這個問題，對于優(yōu)化今后的樁基設計、改進傳統(tǒng)意義上的樁基承載力計算方法等都有著非常積極的意義。

2 樁端土層強度情況對樁側(cè)阻力影響的分析

通過查閱大量的資料，表明樁端土層強度對于樁側(cè)摩阻力的影響一般都集中于樁端位置。

文獻[2]中提供了焦—枝復線某工程鉆孔灌注樁在不同加載條件下樁側(cè)阻力的實測結(jié)果（圖1），通過結(jié)果分析就反映了以上事實。

圖1 焦—枝復線樁側(cè)阻力實測曲線

由圖1看到，一開始軸力較小，樁-土的相對位移量有限，因此側(cè)摩阻力較小。當軸力逐漸增大，位移隨之增大，此時樁土相互作用逐漸明顯，側(cè)阻力有了明顯增大，產(chǎn)生了側(cè)阻力強化現(xiàn)象。

這種現(xiàn)象可以解釋為在軸力逐漸變大的過程中，樁端土的強度逐漸發(fā)揮作用，而此時樁端附近的側(cè)摩阻力也會逐漸增大。

3 天津軟土地區(qū)樁端土層強度情況對單樁承載力的影響分析

對于天津軟土地區(qū)，文獻[5]中提供了天津地區(qū)15個典型工程的載荷試樁資料，通過對比不同樁端條件情況下單樁承載力計算值和實測值的關(guān)系，來分析樁端土層強度不同對樁側(cè)阻力的影響。因此將上述15個工程分為2大類進行統(tǒng)計（表1、表2），得到了如下結(jié)果：

表1 試樁結(jié)果與計算結(jié)果的比較（一）

表2 試樁結(jié)果與計算結(jié)果的比較（二）

1）由表1我們看到，當樁端土是粉土或者粉砂時，通過計算得到的單樁承載力計算值和試 樁值有較大區(qū)別，除了序號2和8的工程以外，其他工程的計算值與試樁值的比值大約都為1.4。

2）由表2我們發(fā)現(xiàn)，當樁端土是粉質(zhì)黏土時，通過計算得到的單樁承載力計算值和試樁值基本一致，試樁值與計算值的比值在1.03附近。

由以上2組數(shù)據(jù)我們可以發(fā)現(xiàn)，當樁端土層為粉質(zhì)黏土時，計算值和實測值相比出入不大，但是當樁端土強度較大，為粉砂或粉土時，按照規(guī)范計算得到的計算值卻與實測值有較大差別，這也說明了在天津地區(qū)，對于單樁承載力的計算，按照規(guī)范計算的承載力在樁端土層強度較高的時候顯得有些保守。

4 樁端土層情況對樁側(cè)阻力影響作用的機理

4.1 樁端土層情況對樁側(cè)阻力影響的幾種原因

對于樁側(cè)阻力強化效應的解釋有以下幾種：

1）徑向壓力增強的原因。由于樁端土體密實度不盡相同，在樁端土密實的情況下，破壞時，其剪切面可連續(xù)開展達到樁身側(cè)面，這相當于對樁身施加了一個附加徑向壓力，因而增加了極限側(cè)阻力。

2）樁下部土體的擠密原因。當樁受到較大荷載破壞時，在樁端附近的土體由于受到土壓力的作用，其滑動面不能達到地面，只是在樁端附近形成了一個封閉的塑性區(qū)，而在這個塑性區(qū)內(nèi)，土體逐漸被擠密，從而導致樁側(cè)阻力變大。

3）Meyerhof提出的樁基礎(chǔ)破壞模式（圖2）。在樁端荷載P的作用下，Ⅰ區(qū)土體向下移動，并且作用到Ⅱ區(qū)和Ⅲ區(qū)的土體，而Ⅱ區(qū)和Ⅲ區(qū)的土體又作用到了Ⅳ區(qū)。通過以上的運動，會使樁端土體密實度增加，樁身下部的法向應力增加，并且隨著樁端荷載P的逐漸增大，這種效果逐漸明顯，也因此造成了摩阻力的增大。

圖2 Meyerhof樁基破壞模式示意

4）運用莫爾-庫侖理論分析樁端土強度對樁側(cè)阻力影響的作用機制。

當樁端土強度較低而上部荷載較大時，樁端處會出現(xiàn)刺入變形情況。因此位于樁端處的土會往樁端方向移動，這就會減小樁端附近土與樁的相對位移，相對位移的減少直接影響到了樁側(cè)摩阻力的發(fā)揮，導致側(cè)阻力降低。

對于樁端土強度比較大的情況，上部荷載導致樁向下移動，在樁端荷載作用下，形成如圖3所示的變形。這一成拱作用的發(fā)生，使樁端及以上樁土相對位移增大，在沒有塑性變形范圍內(nèi)的土的應力加大，在樁端發(fā)生塑性變形范圍的土體應力降低。在塑性變形區(qū)域，土向樁端附近發(fā)展，而樁端位置的土向下移動。同時對于樁端上部的塑性變形區(qū)也會如此。由于上部有覆土以及成拱作用的存在，在成拱范圍內(nèi)樁側(cè)壁上的水平應力增大，在上部覆土與成拱的共同作用下，最后會在某個區(qū)域范圍內(nèi)穩(wěn)定下來，形成類似于梨形的塑性破壞圈。

當土層強度較低時，樁端阻力較小，樁端的范圍同樣較小，其壓縮性也就會比較小，這也造成了樁端上部塑性區(qū)對樁側(cè)壁影響的降低。

但當樁端土層強度較大時，在壓力的作用下，樁端下部的土體會發(fā)生明顯壓縮，會把成拱作用的范圍和塑性變形的范圍擴大到上部更大的范圍，從而使樁端附近土相對位移變大，而且樁端附近土體的應力相應地也會變大。綜合上述種種原因，在樁端強度不同的情況下，樁端附近的側(cè)阻力并不是一個固定值，而是受樁端土層情況影響的，樁端土強度較大時，更有利于樁端側(cè)阻力的發(fā)揮。

圖3 成拱作用模式示意

4.2 成孔后的應力釋放以及施工情況對樁端處樁側(cè)阻力的影響

上述觀點都能部分說明在樁端土層不同的情況下，其對樁側(cè)壁摩阻力的作用機理，但是這種作用的機制并不是單一的。

通過研究，認為樁端條件對樁端處樁側(cè)阻力的影響原因可能有以下幾方面：

1）成孔后的應力釋放。單樁承載力的發(fā)揮依賴的是樁和土的相互作用，對于側(cè)阻力，受樁-土之間的相對位移、變形以及周圍土體性質(zhì)的影響，當樁基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁時，樁端土層強度越低，那么在成孔后的應力釋放就會越明顯，此時土體受到擾動后，抗剪強度因此降低，這也會導致樁側(cè)摩阻力發(fā)揮受限，但當樁端土層強度較大時，成孔后土的軟化作用影響較小，這對樁側(cè)摩阻力的發(fā)揮是有利的。

2）施工情況的影響。在鉆孔灌注樁施工時，受成孔時間等因素的影響，成孔后的泥皮有時會形成困難，在混凝土灌注時，在孔壁會形成一層水泥漿硬層，這種硬層主要是由滲入的水泥漿形成的，而滑移的位置發(fā)生在該硬層的外部，該硬層在樁發(fā)生位移時，樁的有效樁徑以及側(cè)面積都會加大，樁的總側(cè)阻力也會相應加大[6]。對于樁底，由于成孔時間最短，其泥皮形成的效果也是最差的，因此樁身側(cè)壁水泥土硬層的影響也將加大，直接導致了在樁端位置的側(cè)壁摩阻力增大。

3）沉樁時的影響。沉樁時，樁端向下的位移會直接造成樁端下部土體的位移，在樁端土強度不同的情況下，樁端移動對下部土體發(fā)生位移的影響范圍不盡相同，而影響范圍的不同也會使土體側(cè)阻力的發(fā)揮不盡相同，因此對于不同的樁端土層情況，樁側(cè)阻力的發(fā)揮也受到了不同的影響[7-9]。

5 結(jié)語

根據(jù)如上探討，樁端持力層土層情況的不同會影響到樁端附近樁側(cè)阻力的發(fā)揮，而這種影響是十分普遍的。天津軟土地區(qū)同樣存在這種現(xiàn)象，即樁端土層強度較大會使得樁端附近樁的側(cè)阻力值得到提高，樁端土層強度較低會使得相應的樁端附近樁的側(cè)阻力值變小。這一變化受多種因素的影響，如沉樁情況、施工情況、樁土的混合作用，都會對樁端側(cè)阻力的發(fā)揮產(chǎn)生影響。因此，在天津軟土地區(qū)，針對不同樁端土層情況與樁側(cè)阻力影響進行更近一步的研究十分有必要，這對于傳統(tǒng)的樁基承載力的計算也有著參考、改進意義，尤其對于勘察工作，在與設計提供相應樁基的設計參數(shù)時，適當?shù)乜紤]樁端土層條件不同對樁側(cè)阻力的影響是有一定意義的，這樣既能滿足設計要求，又能產(chǎn)生更好的經(jīng)濟效益。