位于填土中的樁的側(cè)摩阻力研究

賀 威

(中交(廣州)鐵道設(shè)計研究院有限公司，廣東廣州 510000)

負(fù)摩阻力會使樁身軸力增大，可能導(dǎo)致樁的軸力超過樁的承載能力或產(chǎn)生過大的沉降而發(fā)生破壞。因此，研究在填土自重作用下，樁的負(fù)摩阻力的發(fā)展規(guī)律，避免樁受到較大的負(fù)摩阻力而產(chǎn)生破壞具有重要的意義。

1 工程概況及地質(zhì)條件

1.1 工程概況

本文以內(nèi)江某工程為依托。該工程由車間、倉庫及辦公樓等20棟建構(gòu)筑物組成，基礎(chǔ)主要采用鉆孔灌注樁，最大樁長約為33 m，場地內(nèi)填土普遍分布，持力層主要為中風(fēng)化巖層。

1.2 地質(zhì)條件

該工程的場地原始地貌屬山丘坡殘坡積物沉積地帶及丘前沖溝地帶，根據(jù)所揭露地層的地質(zhì)時代、成因類型、巖性特征、風(fēng)化程度等工程特性，將本場地巖土層分為4大層，現(xiàn)分別對本場地范圍內(nèi)巖土分層及其特征分述如下。

(1)填土層(Q4ml)。以回填黏土、砂巖塊體為主，場地內(nèi)普遍分布，厚度不均，填土層厚度約為1.4～28.3 m。

(2)淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層(Q4pl+dl)。流塑-軟塑狀態(tài)，含有機(jī)質(zhì)，場地內(nèi)局部分布，厚度約為1.12～6.85 m。

(3)黏土層(Q4pl+dl)。軟塑-可塑狀態(tài)，土質(zhì)較均勻，黏性較好，場地內(nèi)局部分布，厚度1.10～12.10 m。

(4)基巖層(J2s2)。強(qiáng)風(fēng)化砂巖堅硬程度為極軟巖，破碎程度為破碎，風(fēng)化裂隙發(fā)育。該層廣泛分布于整個場地，厚度約為0.50～14.1 m。

中風(fēng)化砂巖裂隙較發(fā)育，該層于整個場地均有分布，勘察時未揭穿。

2 樁身軸力測量

2.1 軸力測量方案

(1)試樁基本信息。在現(xiàn)場選擇2根樁對其樁身軸力進(jìn)行測量，樁的信息見表1。

表1 試樁基本信息 m

(2)鋼筋計布設(shè)及軸力計算。在每根試樁中，第1個測量截面距樁帽底面0.5～1.5 m，最后一個測量截面距鋼筋底端1～2 m，其余測量截面的間距約2.0～3.0 m(根據(jù)實際情況適當(dāng)調(diào)整)。每個測量截面布置4個鋼筋計，取同一截面4個鋼筋計的測量結(jié)果的平均值作為該截面位置鋼筋的軸力。假設(shè)鋼筋的變形與樁身混凝土的變形相同，樁身軸力的計算方法如下。

①鋼筋軸力計算：

(1)

式中：P為被測鋼筋計所受的軸力(kN)；K為鋼筋計的靈敏度系數(shù)(kN/Hz2)；f0為鋼筋計的初始頻率值；fi為鋼筋計工作頻率值。

②鋼筋應(yīng)力計應(yīng)變計算：

(2)

(3)

式中：ε1為鋼筋的應(yīng)變；A1為鋼筋的截面面積；E1為鋼筋的彈性模量；P1為鋼筋力的軸力。

③混凝土軸力計算：

σ2=ε2E2

(4)

P2=σ2A2

(5)

式中：ε2為混凝土的應(yīng)變，此處假定其等于ε1；A2為樁截面中混凝土所占面積；E2為混凝土的彈性模量。

④樁身軸力計算：

N=nP1+P2

(6)

式中：N為截面的軸力值；n為截面中的鋼筋根數(shù)；P2為截面混凝土的壓力。

2.2 軸力測量結(jié)果

1#樁、2#樁的樁身軸力量測如圖1及圖2所示。

圖1 1#樁樁身軸力

從圖1及圖2可見：在填土自重作用下，1#樁及2#樁樁身軸力均呈隨深度先增大后減小的規(guī)律。1#樁的軸力在樁頂下約18.5 m處達(dá)到最大值，最大軸力約為1 435 kN,0～18.5深度范圍內(nèi)，樁側(cè)摩阻力為負(fù)摩阻力，18.5 m至樁底樁側(cè)摩阻力為正摩阻力，中性點位于樁頂下18.5 m處，中性點深度ln/填土層厚度l0=0.88。2#樁的軸力在樁頂下約20 m處達(dá)到最大值，最大軸力約為1 608 kN,0～20深度范圍內(nèi)，樁側(cè)摩阻力為負(fù)摩阻力，20 m至樁底樁側(cè)摩阻力為正摩阻力，中性點位于樁頂下20 m處，中性點深度ln/填土層厚度l0=0.83。

3 填土自重作用下樁的側(cè)摩阻力

3.1 樁側(cè)摩阻力計算

取深度z處取一微元進(jìn)行受力分析，計算簡圖如圖3所示。

圖3 樁身單元受力

該微元受力平衡，由靜力平衡條件可得：

(7)

式中：τ(z)為樁側(cè)摩阻力； D為樁截面直徑；Pp(z)為土層深度z處的樁軸力。

土層深度i處的樁身軸力Pi，土層深度i+1處的樁身軸力Pi+1，該樁段的平均側(cè)摩阻力q為：

(8)

根據(jù)式(8)計算得到1#樁、2#樁在填土自重作用下的樁側(cè)摩阻力如圖4所示。

圖4 樁側(cè)摩阻力

從圖4可以看出：樁的負(fù)摩阻力隨著深度先增大，然后減小，在中性點處減小到0，中性點至樁底樁側(cè)摩阻力為正摩阻力。

各樁中性點深度、最大負(fù)側(cè)摩阻力的位置及大小等信息見表2。

表2 1#樁、2#樁負(fù)摩阻力信息匯總表

注：lnmax為最大負(fù)摩阻力深度，l0為樁側(cè)填土層厚度，ln為中性點深度。

3.2 樁側(cè)負(fù)摩阻力計算模型

參考《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》中負(fù)摩阻力的計算方法，可將負(fù)摩阻力表示為：

qz=ξzσz′

(9)

式中：ξz為深度z處的負(fù)摩阻力系數(shù)；σz′—深度z處土的豎向有效應(yīng)力。

根據(jù)式(9)，深度z處的樁身軸力可表示為：

(10)

式中：D為樁徑；γ為填土的重度。

填土自重作用下樁頂處的軸力為0，將該邊界條件代入式(10)得C=0，深度z處的樁身軸力可表示為：

N=πDξzγz2

(11)

上一節(jié)中已經(jīng)總結(jié)出了填土中樁身負(fù)摩阻力的分布規(guī)律及分布形式。假定地表處樁的負(fù)摩阻力為0，負(fù)摩阻力從地表開始沿深度線性增加，在填土層中某一位置達(dá)到最大值，將地表至負(fù)摩阻力最大值位置稱為“負(fù)摩阻力增長段”，過了“負(fù)摩阻力增長段”樁側(cè)負(fù)摩阻力開始逐漸減小，在中性點位置減小到0。

根據(jù)上述計算假定，負(fù)摩阻力增長段的負(fù)摩阻力沿深度線性增大，可表示為：

q(z)=Az

(12)

式中的A為待定參數(shù)。

對式(12)積分后，得到軸力的表達(dá)式為：

(13)

式中C1亦為待定參數(shù)。因樁頂處樁身軸力為零，由此易得C1=0，上式可以寫為：

(14)

將式(14)代入式(3-5)可得：

(15)

式(15)中填土重度為17.5 kN/m3，通過對1#樁、2#樁負(fù)摩阻力增長段的軸力進(jìn)行擬合(擬合函數(shù)y=ax2)確定式(15)中的待定系數(shù)A′，1#樁、2#樁負(fù)摩阻力增長段軸力量測結(jié)果見表3。

由表4可知：1#樁擬合的相關(guān)系數(shù)為0.952,2#樁擬合的相關(guān)系數(shù)為0.933，擬合結(jié)果較好，說明本文給出的填土自重作用下負(fù)摩阻力增長段樁身軸力的計算模型是合理的。

表3 1#樁、2#樁負(fù)摩阻力增長段軸力量測結(jié)果

表4 A′擬合結(jié)果

4 結(jié)論

(1)在填土自重作用下，由于填土產(chǎn)生較大的沉降，樁側(cè)摩阻力為負(fù)摩阻力，樁的軸力增大，可能導(dǎo)致樁所受的軸力超過樁的承載力而產(chǎn)生破壞。在設(shè)計和施工過程中應(yīng)重視并充分考慮負(fù)摩阻力帶來的不利影響。

(2)根據(jù)負(fù)摩阻力的分布規(guī)律，假定負(fù)摩阻力從樁頂開始由0沿深度線性增加到最大值后逐漸減小，并據(jù)此假定提出了一種填土自重下樁側(cè)負(fù)摩阻力的簡化計算方法，通過現(xiàn)場測量結(jié)果的驗證表明該簡化計算方法具有合理性。