填土場(chǎng)地樁負(fù)摩阻力分析

【摘要】負(fù)摩阻力值是厚層填土場(chǎng)地鉆孔灌注樁設(shè)計(jì)的主要因素，其影響因素較多，復(fù)雜。因此，應(yīng)該進(jìn)行深入分析、研究了解其產(chǎn)生機(jī)理。然后，準(zhǔn)確合理的確定扣除負(fù)摩阻力影響后樁的承載力。

【關(guān)鍵詞】厚層填土區(qū)鉆孔灌注樁；負(fù)摩阻力；影響因素

The analysis of negative friction resistance of pile in fill site

Abstract：The negative friction resistance is the main factor of bore piling design in thick layer fill site， it is affected by many complicated factors. Therefore， we should carry on in-depth analysis to understand its mechanism. Then， to determine the bearing capacity of pile under the influence of negative friction resistance of the pile accurately and reasonably.

Keyword: Bore piling in thick layer fill site; negative friction resistance; Influencing factors.

在填土場(chǎng)地進(jìn)行樁基設(shè)計(jì)時(shí)，負(fù)摩阻力是影響樁豎向承載力的主要因素。設(shè)計(jì)最終采用的樁的有效豎向承載力為Nk≥Rk –Qgn。因此負(fù)摩阻力的取值決定了樁基設(shè)計(jì)的合理性和基礎(chǔ)造價(jià)，尤其是對(duì)于厚層人工填土場(chǎng)地，對(duì)樁基設(shè)計(jì)產(chǎn)生的影響更是很大。本文結(jié)合重慶市MDI一體化項(xiàng)目中的14萬(wàn)Nm3 /h空分裝置樁基設(shè)計(jì)進(jìn)行分析探討。

一、場(chǎng)地特點(diǎn)

裝置所在場(chǎng)地原始地貌屬構(gòu)造剝蝕淺丘地貌，低矮丘包和寬緩槽谷相間，場(chǎng)地中部偏北東側(cè)為低矮淺丘，淺丘斜坡地帶坡角5～12°。槽谷內(nèi)地形較平坦，坡角0~5°。高程最低點(diǎn)位于北東側(cè)溝槽附近，高程263.55m；最高點(diǎn)位于淺丘頂部，高程280.21m，相對(duì)高差11.1m。場(chǎng)地經(jīng)推填整平后高程為294.00m，場(chǎng)地地面設(shè)計(jì)采用高程為295.80m。填土平均厚度為25米左右，上部8米厚土層為強(qiáng)夯處理土層，承載力特征值為 210kPa（強(qiáng)夯檢測(cè)報(bào)告提供），土體總體結(jié)構(gòu)為中密~密實(shí)，局部稍密；8m以下土體密實(shí)度逐漸降低，多呈稍密，局部松散。場(chǎng)地及附近無(wú)地表水體。

二、裝置介紹

本裝置是世界規(guī)模級(jí)的14萬(wàn)Nm3 /h空氣分離制氧裝置。主要設(shè)備為壓縮機(jī)（單機(jī)重約為300噸），冷箱（高71米，操作重1000噸）等。產(chǎn)品為液氬、液氧、液氮， 儲(chǔ)罐直徑18.5米，高20.5米，物料重3900噸。主要建筑物為壓縮廠房。盡管場(chǎng)地土經(jīng)過(guò)強(qiáng)夯處理，地基承載力也滿足建構(gòu)筑物荷載要求，但鑒于裝置設(shè)備對(duì)沉降的敏感性及為了確保生產(chǎn)的安全性，主要廠房、設(shè)備、罐等的基礎(chǔ)均采用旋挖鉆孔灌注樁。

三、樁基設(shè)計(jì)

根據(jù)樁基規(guī)范JGJ 94-2008，當(dāng)樁穿越較厚松散填土、自重濕陷性黃土、欠固結(jié)土、液化土層進(jìn)入相對(duì)較硬土層時(shí)，在計(jì)算樁承載力時(shí)應(yīng)計(jì)入樁側(cè)負(fù)摩阻力。因此在對(duì)本裝置進(jìn)行樁基設(shè)計(jì)時(shí)，首先需要確定樁的負(fù)摩阻力值。據(jù)詳勘報(bào)告：地面以下8米厚土層經(jīng)過(guò)強(qiáng)夯處理。土體結(jié)構(gòu)為中密~密實(shí)，局部稍密；可認(rèn)定為固結(jié)基本完成，即使是局部土體產(chǎn)生自重固結(jié)，也僅可能是極少量的土體，對(duì)整體負(fù)摩阻力取值影響有限。8米以下填土層為強(qiáng)夯處理影響不到土層，最厚處達(dá)20米，主要成分為砂泥巖碎塊石、粉質(zhì)粘土。多呈稍密~松散狀。碎塊石直徑大小不一，一般大小為0.1～80cm，最大可達(dá)180cm，含量一般60～70%。為機(jī)械拋填，填筑年限1-2年。固結(jié)沒(méi)有完成，是產(chǎn)生負(fù)摩阻力的土體。填土層下面為粉質(zhì)粘土層，較薄，黃褐色、灰褐色、灰色，可～硬塑狀，干強(qiáng)度、韌性中等，揭露厚度0～4.50m。再下層為強(qiáng)風(fēng)化泥巖，最下層為中風(fēng)化泥巖，是樁端持力層。該巖體為中等變異性。統(tǒng)計(jì)其參數(shù)得：天然塊體重度平均值25.00kN/m3，天然、飽和單軸抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值分別為：6.42MPa、3.62MPa。巖質(zhì)地基極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值為6.42MkPa（巖石較完整，地基條件系數(shù)取1.0）。樁進(jìn)入持力層深度為2m，樁為嵌巖樁。中性點(diǎn)取在粘土層頂面。按樁基規(guī)范GJ 94-2008計(jì)算如下：

（一）負(fù)摩阻力計(jì)算 （取ZY124(18-18) 鉆孔計(jì)算）

qsin=ξniбi’ 5.4.4-4

ξn=0.25 γ=22.3kN/m3

樁頂埋深-1.5米（高程為強(qiáng)夯層頂面294.00）

p=γ.z=22.3x8=178.4 kN/m2（上部8米厚土層按荷載計(jì)入）

其余填土層厚度為15.5米

бi=p+бri’ =γ.z +1/2rizi

=178.4+0.5x22.3x15.5=178+173=351

qsin=ξniбi’ =0.25x351=87.8

下拉荷載為 Qn=uqsil=87.8x3.14x15.5=4273kN(取￠1000樁計(jì)算)

（二）樁豎向承載力特征值計(jì)算：

qsik=160 （粉質(zhì)粘土層） Ap=0.785(￠1000樁) l=2.4 u=3.14

ξr=1

Quk = Qsk + Qrk=u∑qsikl+ξrfrkAp 5.3.9-1

=3.14x160x2.4+1x6420x0.785=6245

Ra = Quk/2=6245/2=3122kN。

根據(jù)計(jì)算樁的負(fù)摩阻力大于樁的豎向承載力特征值，樁沒(méi)有可用荷載，據(jù)此結(jié)果，可以判定按上述計(jì)算所得的負(fù)摩阻力不夠合理。但又找不到可依托的理論推翻上述計(jì)算結(jié)果，上部8m土層盡管不產(chǎn)生負(fù)摩阻力，但當(dāng)其下部土層固結(jié)沉降時(shí)，也會(huì)隨之沉降，因此計(jì)算負(fù)摩阻力時(shí)也必須考慮計(jì)入。經(jīng)與業(yè)主協(xié)商，決定采用靜載荷實(shí)驗(yàn)確定樁的承載力。雖然這樣做會(huì)增加工程造價(jià)，但對(duì)于這種投資十幾億的裝置來(lái)說(shuō)，將風(fēng)險(xiǎn)控制到最低是需首要考慮的。本裝置選取不同區(qū)塊的典型地點(diǎn)共計(jì)打了16個(gè)試樁，做樁的抗壓，抗拔，水平靜載荷實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)的初步方案為：先對(duì)兩個(gè)試樁進(jìn)行豎向靜載荷實(shí)驗(yàn)，加載至樁破壞，若是結(jié)果不能滿足設(shè)計(jì)要求，后面的試樁將采用后注漿灌注樁方案以提高樁的承載力。試樁時(shí)，在荷載加至14040 kN時(shí)（受現(xiàn)場(chǎng)條件限制），停止加載，見(jiàn)下圖

此時(shí)各樁Q-s曲線未出現(xiàn)陡降，s-lgt曲線尾部未出現(xiàn)明顯彎折，各樁在最大加載量下均未破壞。見(jiàn)下圖

設(shè)計(jì)認(rèn)為這個(gè)荷載可以滿足設(shè)計(jì)要求，最終取14000 kN為樁抗壓極限承載力，Ra即為7000kN，可用荷載Nk= Ra - Qn=7000-4273=2727 kN。

四、負(fù)摩阻力機(jī)理分析

有了試樁結(jié)果作為依據(jù)，就可以對(duì)樁的負(fù)摩阻力機(jī)理進(jìn)行分析研究。根據(jù)重慶當(dāng)?shù)刈龇ǎ稁r樁是不需靜載荷實(shí)驗(yàn)的，通過(guò)對(duì)樁鉆芯取樣確定樁的豎向承載力。既然已經(jīng)花費(fèi)數(shù)百萬(wàn)元做了試樁，就應(yīng)好好利用試樁數(shù)據(jù)，為今后在類(lèi)似場(chǎng)地進(jìn)行樁基設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。根據(jù)試樁檢測(cè)報(bào)告，在加載至14040 kN時(shí)，樁未破壞，測(cè)試得到的樁端阻力平均值為2700kPa，遠(yuǎn)未達(dá)到樁端巖石抗壓極限強(qiáng)度（6420 kPa），說(shuō)明樁端土的作用只用不到一半，為樁提供承載力的主要為樁側(cè)摩阻力，最大值達(dá)到了250kPa。在進(jìn)行承載力計(jì)算時(shí)，對(duì)于未完成固結(jié)的土體，其性質(zhì)不穩(wěn)定，離散性大，不能得到具有代表性的土樣確定土體的物理力學(xué)指標(biāo)。只能取非填土部分指標(biāo)計(jì)算樁的承載力。因此需要根據(jù)試樁結(jié)果及詳勘報(bào)告對(duì)負(fù)摩阻力產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行仔細(xì)分析研究。由于填土為機(jī)械拋填，填筑年限1-2年。土體固結(jié)尚未完成，樁側(cè)土體在固結(jié)的過(guò)程中對(duì)樁產(chǎn)生向下的位移，由于樁土之間的擠壓作用，對(duì)樁就產(chǎn)生一個(gè)相向下作用的摩擦力，這個(gè)摩擦力拖拽樁向下運(yùn)動(dòng)，對(duì)樁產(chǎn)生下拉荷載。樁負(fù)摩阻力產(chǎn)生有兩個(gè)必備條件：樁土之間的擠壓力和樁土的相位移差。樁負(fù)摩阻力是滑動(dòng)摩擦力，只有當(dāng)樁土之間的相對(duì)位移處于持續(xù)發(fā)展 的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，負(fù)摩阻力才會(huì)產(chǎn)生。一旦樁土之間的相對(duì)位移不再發(fā)生，即樁土處一個(gè) 相對(duì)靜止的狀態(tài)，基樁就不存在負(fù)摩阻力。樁側(cè)負(fù)摩阻力是有效應(yīng)力和相對(duì)位移的函數(shù)，其表達(dá)式如下所示：

(1)

式中， 表示有效應(yīng)力； 表示樁土的相對(duì)位移。

樁負(fù)摩阻力系數(shù)的計(jì)算公式如下所示：

(2)

式中， 表示鉆孔灌注樁負(fù)摩阻力； 表示鉆孔灌注樁的負(fù)摩阻力因子，分析上式，若是減少負(fù)摩阻力，一個(gè)是減少負(fù)摩阻力因子，即讓樁表面光滑，對(duì)于鉆孔灌注樁這點(diǎn)是難以實(shí)現(xiàn)的，那么就只能是分析土的有效應(yīng)力，土的有效應(yīng)力是因土體自重固結(jié)引起土體向下位移產(chǎn)生的，或是由于排水，使土層密實(shí)，使樁周土產(chǎn)生沉降，從而增加了樁周土的有效應(yīng)力，對(duì)于裝置所在場(chǎng)地，場(chǎng)地及附近無(wú)地表水體，只有大氣降水，并且8米厚土體經(jīng)過(guò)強(qiáng)夯，已經(jīng)密實(shí)，降水產(chǎn)生的土體沉降有限，再分析土體固結(jié)影響，該部分填土由砂泥巖碎塊石、粉質(zhì)粘土構(gòu)成。由于上部土體已經(jīng)經(jīng)過(guò)強(qiáng)夯，承載力特征值達(dá)210kPa。地面外部荷載對(duì)深處土體的影響也很小，因此可以判定該部分土體固結(jié)應(yīng)該是局部的、緩慢的、漸進(jìn)的，需要6~8年時(shí)間才能完成固結(jié)過(guò)程，規(guī)范公式計(jì)算的負(fù)摩阻力是整個(gè)固結(jié)過(guò)程的總和。與此同時(shí)，已經(jīng)完成固結(jié)的土體會(huì)對(duì)由于受負(fù)摩阻力作用產(chǎn)生向下位移傾向的樁提供反向阻力。因此負(fù)摩阻力產(chǎn)生同時(shí)部分土體對(duì)樁的側(cè)摩阻力也在發(fā)揮作用，但這個(gè)作用是計(jì)算公式?jīng)]有包含的。因此，只是考慮負(fù)摩阻力作用對(duì)于樁的承載力計(jì)算是不完整的，對(duì)于此種場(chǎng)地情況，可以判定產(chǎn)生負(fù)摩阻力的土體小于產(chǎn)生正摩阻力的土體，可考慮正負(fù)抵消。僅按樁端土的承載力計(jì)算的樁的豎向承載力特征值，計(jì)算結(jié)果如下：

Ra =(ξrfrkAp)/2=(1x 6420x0.785)/2=2520 kN（試樁結(jié)果：Nk=2727 kN）

與試樁結(jié)果相近，結(jié)果可信。盡管在不同區(qū)域做了10個(gè)試樁進(jìn)行豎向靜載荷實(shí)驗(yàn)，但若是要代表整個(gè)場(chǎng)地，還是需要留有一定的安全儲(chǔ)備，最終設(shè)計(jì)取2000 kN作為樁的有效荷載進(jìn)行樁基設(shè)計(jì)，并得到業(yè)主認(rèn)可。

五. 結(jié)束語(yǔ)

厚層填土場(chǎng)地樁的負(fù)摩阻力的計(jì)算比較復(fù)雜，影響因素也較多，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮土體實(shí)際情況和產(chǎn)生負(fù)摩阻力機(jī)理，對(duì)于合理、有效、安全進(jìn)行樁基設(shè)計(jì)是很重要的。目前計(jì)算機(jī)技術(shù)不斷發(fā)展，樁土作用的機(jī)理可以通過(guò)許多的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬仿真計(jì)算，探索合理、準(zhǔn)確的計(jì)算模型及通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)找到不同影響因素對(duì)負(fù)摩阻力的影響規(guī)律?？蔀榻窈蟮倪M(jìn)行不同場(chǎng)地負(fù)摩阻力計(jì)算找到準(zhǔn)確可靠的計(jì)算依據(jù)。

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