考慮時(shí)間效應(yīng)填土場(chǎng)基樁負(fù)摩阻力試驗(yàn)研究

賴余斌，余國(guó)華，魯 明，王 良，林 峰，王殿龍

（1.廣西電網(wǎng)有限責(zé)任公司電網(wǎng)建設(shè)分公司，廣西南寧530000；2.中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)廣西電力設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣西南寧530000；3.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)＜武漢〉工程學(xué)院，湖北武漢430074）

1 概述

在我國(guó)工業(yè)化和城鎮(zhèn)化的建設(shè)過(guò)程中環(huán)境問(wèn)題日益凸顯，大量基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)選址存在著“不節(jié)能、不環(huán)?！钡膯?wèn)題，這與現(xiàn)行理念和生態(tài)不符合；隨著環(huán)保理念的大力提倡，越來(lái)越多的基礎(chǔ)設(shè)施的選址偏向于一些地質(zhì)地貌情況較為復(fù)雜的棄土場(chǎng)、新近填土場(chǎng)等地區(qū)，從而使得基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)過(guò)程中土建專業(yè)面臨的挑戰(zhàn)也越來(lái)越多。新近填土是欠固結(jié)土的一種，其在堆載、地下水等內(nèi)外界因素影響下常常會(huì)產(chǎn)生大于基樁沉降，因此基樁側(cè)壁產(chǎn)生負(fù)摩阻力。負(fù)摩阻力會(huì)對(duì)樁身產(chǎn)生下拉力，可能會(huì)引起樁身破壞、樁端土屈服、建構(gòu)筑物不均勻沉降等問(wèn)題。因此，考慮新近填土場(chǎng)地樁側(cè)負(fù)摩阻力對(duì)基樁的影響是基樁設(shè)計(jì)必不可少的環(huán)節(jié)。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)系統(tǒng)地開(kāi)展了關(guān)于基樁負(fù)摩阻力模型的試驗(yàn)研究，并取得一定的成果[1]：Little[2]利用模型試驗(yàn)研究了超載作用下的負(fù)摩阻力，并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果估算了有效應(yīng)力系數(shù)和總應(yīng)力系數(shù)；Ergun[3]利用模型試驗(yàn)研究樁間距的對(duì)負(fù)摩阻力群樁效應(yīng)的影響；謝耀峰[4]等基于港口碼頭樁基工程進(jìn)行但樁負(fù)摩阻力模型試驗(yàn)研究和排架模型樁上的負(fù)摩阻力試驗(yàn)研究；吳一偉[5]等利用室內(nèi)模型試驗(yàn)對(duì)砂土液化后固結(jié)沉陷引起的基樁負(fù)摩阻力進(jìn)行研究，得到基樁負(fù)摩阻力與地面沉降之間的關(guān)系。這些研究嚴(yán)謹(jǐn)?shù)胤治隽嘶鶚敦?fù)摩阻力的特性，探究其作用機(jī)理，對(duì)基樁負(fù)摩阻力的理解和預(yù)測(cè)做出了很大的貢獻(xiàn)。工程實(shí)踐過(guò)程中可以發(fā)現(xiàn)，新近填土場(chǎng)地會(huì)引起較大的基樁負(fù)摩阻力，且隨不同的地質(zhì)條件和工程需求會(huì)設(shè)置不同的填土層厚度，然而國(guó)內(nèi)外關(guān)于這一方面的研究較少，遠(yuǎn)不夠完善。

綜合上述幾個(gè)方面的原因，本文開(kāi)展了新近填土場(chǎng)地條件下基樁負(fù)摩阻力試驗(yàn)，將填土層厚度設(shè)為對(duì)照組，設(shè)置填土層厚度/樁長(zhǎng)分別為1、0.8、0.6三個(gè)對(duì)照組，對(duì)不同填土層厚度情況下的新近填土場(chǎng)地基樁負(fù)摩阻力進(jìn)行研究，通過(guò)試驗(yàn)研究了樁頂加載與樁頂承臺(tái)沉降及樁端阻力之間的關(guān)系，樁身軸力、樁側(cè)負(fù)摩阻力隨樁深方向分布情況，以及樁周土體分層沉降隨固結(jié)時(shí)間的變化情況。研究結(jié)果表明，基樁軸力及負(fù)摩阻力都存在顯著的時(shí)間效應(yīng)，隨填土層厚度的增加，基樁負(fù)摩阻力逐步增大。

2 模型試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)過(guò)程

本文采用中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）研制的基樁樁土響應(yīng)模型試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行模型試驗(yàn)，該裝置可對(duì)基樁及樁周土進(jìn)行加載，并可對(duì)載荷作用下的基樁受力及位移進(jìn)行監(jiān)測(cè)；模型試驗(yàn)裝置如圖1所示。試驗(yàn)時(shí)箱壁涂一層潤(rùn)滑油，并覆蓋塑料薄膜以減少試驗(yàn)土與箱壁摩擦所造成的影響，降低邊界效應(yīng)。

模型樁采用長(zhǎng)L為820mm，外徑為50mm，壁厚為3mm的封口有機(jī)玻璃管，基樁彈性模量E沿經(jīng)測(cè)試為2.21×103MPa。為確保試驗(yàn)準(zhǔn)確性，將模型樁切半合，并在其內(nèi)表面均勻布置應(yīng)變片，將應(yīng)變片導(dǎo)線從其側(cè)壁穿孔引出，再將其粘在一起；接著在樁外側(cè)粘細(xì)砂以增加樁側(cè)粗糙度，實(shí)際樁徑為52mm。

圖1 模型試驗(yàn)裝置示意圖

試驗(yàn)用模型箱填土取自武漢市江夏區(qū)某建筑工程填土，經(jīng)土工試驗(yàn)測(cè)試其為粉質(zhì)粘土，各項(xiàng)土體參數(shù)見(jiàn)表1。為模擬新近填土與原狀土層，確保上下土層有密實(shí)度及力學(xué)性能的差異，將填土分為2層，下層填土用夯錘夯實(shí)以模擬原狀土層，上層填土采用人工踏實(shí)模擬新近填土。依據(jù)對(duì)照組設(shè)定，將填土層厚度分別設(shè)置為820mm、670mm、520mm。

表1 土樣的主要物理性質(zhì)指標(biāo)

在模型試驗(yàn)裝置設(shè)定后，靜置24h后對(duì)模型樁進(jìn)行預(yù)壓、歸零等操作，保證模型樁與加載儀器上下部之間的良好接觸，然后參考快速荷載維持法[7]對(duì)樁頂進(jìn)行分級(jí)加荷載，為保持相對(duì)穩(wěn)定，每隔半小時(shí)加一級(jí)荷載；樁頂加載完后，對(duì)樁周土進(jìn)行加載；在加載過(guò)程中注意補(bǔ)充千斤頂油壓，保證載荷穩(wěn)定；隨樁周新近填土固結(jié)沉降，對(duì)基樁受力、位移及土層位移進(jìn)行監(jiān)測(cè)，當(dāng)各測(cè)值趨于穩(wěn)定時(shí)結(jié)束試驗(yàn)。

3 模型試驗(yàn)結(jié)果及分析

本文按照試驗(yàn)規(guī)劃對(duì)填土層厚度/樁長(zhǎng)分別為1、0.8、0.6的3個(gè)填土層厚度進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)中基樁最大加載量為300N。由于試驗(yàn)條件有限，油缸泄壓、應(yīng)變片粘粘、引線方式等一系列問(wèn)題的干擾，測(cè)試結(jié)果的偶然誤差的較大，軸力測(cè)試結(jié)果呈現(xiàn)出一定的波動(dòng)性，但其基本趨勢(shì)較為清晰，并不影響試驗(yàn)探究結(jié)果。

3.1 樁頂載荷與基樁沉降關(guān)系

由圖2可知不同填土層厚度情況下基樁沉降趨勢(shì)基本一致，由于樁頂加載量較小，樁體及樁周和樁底土體均處于彈性變形階段而遠(yuǎn)未達(dá)到破壞階段，故而Q-s曲線近似呈線性關(guān)系；當(dāng)填土層厚度820mm時(shí)，基樁樁頂沉降量為-4.37mm；當(dāng)填土層厚度為670mm時(shí)，基樁最大沉降量為-4.01mm；當(dāng)填土層厚度為520mm時(shí)，相對(duì)應(yīng)基樁最大沉降量為-3.55mm；由此可知，隨新近填土厚度的增加，基樁沉降量逐步增大，新近填土層越厚基樁沉降越大；此為隨填土層厚度增加，基樁正摩阻力逐步減小導(dǎo)致；此外，由于受樁身自重、單樁樁頂荷載值較小以及試驗(yàn)不可排除的誤差等因素的影響，樁頂加載時(shí)單樁樁頂沉降量偏小。

圖2 樁頂加卸載與樁頂沉降關(guān)系曲線

3.2 樁頂荷載與樁端阻力值關(guān)系

由圖3可知，當(dāng)填土層厚度520mm時(shí)，樁底反力為235.1N，當(dāng)填土層厚度670mm時(shí)，樁底反力為246.5N，當(dāng)填土層厚度820mm時(shí)，對(duì)應(yīng)樁底反力為259.9N；樁端阻力值在樁頂載荷逐步增加過(guò)程中，樁端阻力值也在逐漸增大，由于樁頂加載量較小，樁體及樁周和樁底土體均處于彈性變形階段而遠(yuǎn)未達(dá)到破壞階段，故而樁頂載荷與樁端阻力曲線近似呈線性關(guān)系；隨填土層厚度增加，基樁樁底反力也呈現(xiàn)增大趨勢(shì)，樁端阻力隨樁頂載荷呈現(xiàn)線性變化的趨勢(shì)，這可看出填土層厚度影響彈性階段基樁沉降曲線的斜率；隨樁周新近填土厚度增加，土體提供的正摩阻力逐漸減小，從而導(dǎo)樁底承擔(dān)的荷載逐步增大。

圖3 樁頂加卸載與樁端阻力關(guān)系曲線

3.3 樁身軸力、側(cè)摩阻力與深度的變化關(guān)系

本文通過(guò)對(duì)3個(gè)試驗(yàn)對(duì)照組監(jiān)測(cè)結(jié)果，對(duì)樁身軸力、樁體深度及時(shí)間的關(guān)系如圖4所示，進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)，基樁軸力在不同深度情況下具有相近的變化趨勢(shì)；在加載之初，樁頂軸力等于樁頂分擔(dān)的荷載值，即樁頂無(wú)摩阻力的影響；隨深度增加，樁身軸力沿樁身深度方向先增大后減小，樁體上部軸力增長(zhǎng)速率較下部大，基樁負(fù)摩阻力呈現(xiàn)出先增大后減小至消失的變化趨勢(shì)；在新近填土自重固結(jié)過(guò)程中隨時(shí)間的增長(zhǎng)，基樁軸力的增加速率先快后慢逐步趨于穩(wěn)定，基樁負(fù)摩阻力的增加趨勢(shì)呈現(xiàn)與之相似的變化趨勢(shì)，新近填土在固結(jié)沉降過(guò)程中引起的負(fù)摩阻力增大，由負(fù)摩阻力引起的下拉力增大，從而基樁軸力增大，中性點(diǎn)位逐步下移，這是由于土層上部樁-土相對(duì)位移大于下部，側(cè)摩阻力逐步發(fā)揮，上部樁側(cè)負(fù)摩阻力值大于下部。通過(guò)對(duì)3個(gè)試驗(yàn)對(duì)照組測(cè)得在固結(jié)沉降120h后，填土層厚度為520mm時(shí)，基樁最大軸力為540.19N，中性點(diǎn)位置在0.54m處；填土層厚度為670mm時(shí)，基樁最大軸力為590.32N，中性點(diǎn)位置在0.58m處；填土層厚度為820mm時(shí)，基樁最大軸力為601.16N，中性點(diǎn)位置對(duì)應(yīng)為0.64m。隨新近填土層厚度的增加，基樁軸力逐步增加，負(fù)摩阻力也逐步增大，中性點(diǎn)位置逐步下移，基樁中性點(diǎn)位置與新近填土層中的位置的比值逐步減小，即基樁中性點(diǎn)位置在新近填土層中的位置逐漸上移。

4 結(jié)論

本部分研究通過(guò)開(kāi)展室內(nèi)模型試驗(yàn)，探究在填土固結(jié)沉降過(guò)程中有載荷作用情況下的基樁軸力、側(cè)摩阻力的探究可以發(fā)現(xiàn)：

（1）基樁側(cè)負(fù)摩阻力的發(fā)揮、中性點(diǎn)位置變化等都存在明顯的時(shí)間效應(yīng)；隨填土固結(jié)沉降時(shí)間增加，基樁軸力逐步增加，基樁負(fù)摩阻力也隨之增加，基樁中性點(diǎn)位置逐步下移；

（2）填土層厚度對(duì)基樁沉降、樁底反力、軸力、負(fù)摩阻力及中性點(diǎn)位置有較大影響，隨填土層厚度增加，基樁沉降、樁底反力、軸力、負(fù)摩阻力逐漸增加，中性點(diǎn)位置下移，而中性點(diǎn)位置與新近填土層厚度減小，這是由填土厚度增加，樁土相對(duì)位移量變大引起。

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