端承樁和摩擦樁的試驗對比研究

(太原太工天昊土木工程檢測有限公司，山西 太原 030024)

引言

當(dāng)混凝土樁應(yīng)用于硬土層時，樁基周邊的土體會受到向下的荷載而產(chǎn)生向下的作用力，樁體周邊的土體產(chǎn)生沉降，導(dǎo)致樁邊土體對混凝土樁產(chǎn)生向下的摩阻力，使混凝土樁產(chǎn)生向下的作用力。

樁基經(jīng)過軟土層后置于硬土層上時，上部軟土層由于某種作用力而發(fā)生沉降時，使得樁基周邊的土體對樁基產(chǎn)生向下的摩擦力，產(chǎn)生的摩擦力稱為負(fù)摩阻力。負(fù)摩阻力是樁基與土體之間的作用力，是兩者相互作用產(chǎn)生的一種有害作用力。負(fù)摩阻力的存在會增加樁基的活荷載，影響樁基的正常使用和耐久性，負(fù)摩阻力較大時會使在建建筑物產(chǎn)生不均勻沉降，嚴(yán)重時可能會使建筑物局部開裂，甚至倒塌。盡管國內(nèi)外研究人員對負(fù)摩阻力研究已久，但是關(guān)于端承樁和摩擦樁的負(fù)摩阻力研究尚未見報道。

1 試驗準(zhǔn)備

1.1 試驗裝置

本試驗方案選用基坑深2 m，長和寬分別為5 m和1.25 m，結(jié)構(gòu)周邊統(tǒng)一采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)加固處理，并且對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行防水處理。在基底制作排水管并設(shè)置排水閥，其中排水管設(shè)置2%的坡道，以方便排水。制作排水管時，應(yīng)在排水管上部均勻打孔，并用細(xì)紗布對孔進(jìn)行包裹，以免細(xì)砂隨著水流進(jìn)入排水管造成堵塞。

1.2 樁周砂的選取

樁基試驗地點選在太原市某建筑工地砂土地進(jìn)行。砂土中含有的礦物有粉土、云母和石英，砂土呈黃褐色、松散狀。地基為砂土地時地基沉降較快，能在短時間內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，縮短試驗周期。

基坑開挖結(jié)束后，即對基坑進(jìn)行貫入度試驗。通過試驗得知貫入度N1=N2=1。查表得知此土體的彈性模量Es=5.0 MPa，密實度和內(nèi)摩擦角分別為Dr=0.24和φ=27.3°，砂土的其他物理性質(zhì)見表1。

表1 砂土的物理性質(zhì)

1.3 樁模型制作

試驗采用的樁基模型為PPR塑料熱水管，外部尺寸長1.2 m，直徑0.63 m。將模擬樁基沿著縱軸方向剖開，在剖開后的模擬樁上均勻地貼上7個應(yīng)變片并進(jìn)行接線處理，用環(huán)氧樹脂做防水保護(hù)后進(jìn)行對接黏合，并且對模擬樁進(jìn)行防水處理。貼應(yīng)變片處理時，應(yīng)將應(yīng)變片貼向模擬樁內(nèi)側(cè)，以免土體對應(yīng)變片造成破壞，并且應(yīng)保護(hù)樁基周邊土體不因粘貼應(yīng)變片而造成破壞。此外，還應(yīng)對樁底進(jìn)行封口，采用細(xì)砂粘貼在樁基外側(cè)以增加樁基的摩阻力，最后通過直剪試驗測出樁基與砂之間的摩擦系數(shù)。

2 試驗內(nèi)容

在試驗樁底部鋪設(shè)一定厚度的細(xì)石，同時在試驗樁底部布置排水管，并且關(guān)閉與密封器具相連的閥門。同樣采取對照組試驗，在另一個相同條件的基坑內(nèi)注滿水，隨后均勻地從基坑頂部向下填充細(xì)砂，確保試驗組與對照組試驗具有相似的密實度，并且在指定位置布置壓力計、沉降計和孔隙水壓力計。在沉降計頂部和地表布置一定數(shù)量的百分表，最后打開閥門，將基坑內(nèi)的水降到砂土表面。

降水后靜置一定時間，記錄試驗樁初始值，同時進(jìn)行加載，根據(jù)加載進(jìn)度記錄樁基沉降和應(yīng)變的相關(guān)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集前期記錄時間間隔較大，中后期記錄時間間隔較小，直至數(shù)據(jù)變化不大或停止；然后開始第二次加載，數(shù)據(jù)采集方式與第一次相同，最后進(jìn)行第三次加載。最終當(dāng)樁基沉降穩(wěn)定后打開閥門進(jìn)行排水，對地基進(jìn)行降水處理。待水位穩(wěn)定后記錄水壓值，記錄樁基的沉降值和應(yīng)變值，前期記錄時間間隔大，中后期記錄時間間隔小，直至數(shù)據(jù)穩(wěn)定后進(jìn)行第二次和第三次降水處理，方法與第一次降水相同，降水結(jié)束后關(guān)閉閥門。

3 試驗結(jié)果與分析

試驗結(jié)果表明，當(dāng)水位下降值相同時，端承樁的負(fù)摩阻力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于摩擦樁，并且隨著水位的下降負(fù)摩阻力隨之增加。通過試驗得知，降低水位對摩擦型樁的負(fù)摩阻力影響不大，但是改變了負(fù)摩阻力的分布狀態(tài)，即樁體上部的負(fù)摩阻力減小，而下部負(fù)摩阻力增大。

當(dāng)對端承樁和摩擦樁加載后，樁基開始沉降。從試驗結(jié)果可以看出，端承樁的沉降值和降水條件均小于摩擦樁。在進(jìn)行加載和降水的過程中，端承樁的摩阻力分布狀態(tài)均會發(fā)生一定變化。在加載和降水初期，負(fù)摩阻力并沒有產(chǎn)生較大變化，只是樁身上部摩阻力減??；而在后續(xù)降水和加載過程中負(fù)摩阻力出現(xiàn)，并且隨著降水的深度變化而變化，降水深度越大時負(fù)摩阻力越大。

當(dāng)降水和加載穩(wěn)定后，負(fù)摩阻力的分布狀況為：在降水施工完畢，摩擦型樁中并沒有產(chǎn)生負(fù)摩阻力，但是根據(jù)摩阻力的分布情況分析得知，摩擦樁表面的摩阻力大幅度下降。并且隨著降水深度的增加，摩阻力的變化幅度更大；隨著摩擦樁沉降量的增加，摩擦力也隨之增加。其變化趨勢與端承樁的變化趨勢有較大差別，并且負(fù)摩阻力的變化趨勢也有較大區(qū)別。

4 結(jié)論

通過對端承樁和摩擦型樁的模擬試驗分析，得到相同降水和樁身加載條件下樁的負(fù)摩阻力變化情況如下：

4.1 當(dāng)降水深度相同時，端承樁的負(fù)摩阻力較摩擦型樁出現(xiàn)得早。

4.2 摩擦型樁的中性點的位置變化沒有端承樁的變化明顯。

4.3 盡管在本次試驗中摩擦型樁并未出現(xiàn)負(fù)摩阻力，但是降水處理過程中也會使樁基的摩擦力發(fā)生變化，樁基上部摩擦力減小而下部摩擦力增大。同樣，端承樁在沒有出現(xiàn)負(fù)摩阻力時也存在這種現(xiàn)象。

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