樁基側(cè)阻力快速確定方法討論

(貴州大學(xué) 土木工程學(xué)院，貴陽(yáng) 550025)

1 研究背景

在樁基工程中，對(duì)于樁土(巖)組合結(jié)構(gòu)而言，由于巖(土)體離散性以及樁土(巖)接觸面復(fù)雜相互作用等因素的影響，按照規(guī)范法每一次試樁試驗(yàn)只能確定一根樁的側(cè)阻力，比較繁瑣且不夠經(jīng)濟(jì)。因此，有必要對(duì)所測(cè)樁土(巖)組合結(jié)構(gòu)的力學(xué)參數(shù)展開(kāi)研究，以尋求一種簡(jiǎn)單適用的樁基側(cè)阻力確定方法。

目前國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者基于連續(xù)介質(zhì)力學(xué)理論和非連續(xù)介質(zhì)理論及樁基施工工藝等，對(duì)樁基的靜、動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行了深入研究。

(1)連續(xù)介質(zhì)力學(xué)理論方面：程昌鈞等[1]將樁土系統(tǒng)看成半無(wú)限空間黏彈性體，利用應(yīng)力-應(yīng)變協(xié)調(diào)條件，在空間柱坐標(biāo)系中研究巖土對(duì)樁基的抗力和各種端部條件下樁基的剛度；Koo等[2]研究了樁-土上部結(jié)構(gòu)動(dòng)力相互作用；Wong等[3]建立了水平振動(dòng)下樁土非線性相互作用的力學(xué)模型；陸建飛等[4]研究了飽和層狀兩相介質(zhì)固結(jié)和流變作用下樁的動(dòng)力行為。

(2)非連續(xù)介質(zhì)理論方面：Matlock[5]和Reese等[6]利用綜合反映土體的非線性、樁基剛度和外荷載特點(diǎn)的土體抗力集度P和樁基相對(duì)應(yīng)點(diǎn)撓度y曲線，計(jì)算了樁基的內(nèi)力和變形；Mylonakis等[7]給出了雙層土地基中相互作用因子和群樁水平動(dòng)力阻抗的計(jì)算方法；黃茂松等[8]采用動(dòng)力Winkler 地基模型模擬了樁土的動(dòng)力相互作用，并運(yùn)用傳遞矩陣法考慮地基土的分層特性，計(jì)算了群樁水平動(dòng)力阻抗和樁身內(nèi)力；Zertsalov等[9]研究表明,樁的承載力不僅取決于地基的抗壓承載力，同時(shí)也受到了樁的埋置深度、巖(土)體的壓縮模量、樁體的彈性模量以及樁側(cè)阻力的影響。

(3)施工工藝方面：蔡江東等[10]研究了樁土界面特性以及界面上正應(yīng)力對(duì)樁基側(cè)阻力的影響；張利新[11]利用不同的注漿施工工況，對(duì)試樁樁側(cè)埋設(shè)的鋼筋計(jì)的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析，得到不同土層在注漿后的極限側(cè)阻力增強(qiáng)系數(shù)，推斷出抗壓樁端阻力增強(qiáng)系數(shù)，得到了實(shí)測(cè)值與規(guī)范值之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。然而，在樁土(巖)接觸面的復(fù)雜相互作用情況下，樁基的力學(xué)特性研究仍有許多理論難點(diǎn)有待突破。

從已有的研究成果來(lái)看，對(duì)樁基動(dòng)、靜力學(xué)特性的研究，多集中于樁土(巖)相互作用的靜力非線性和動(dòng)力非線性方面。鑒于此，本文采用連續(xù)介質(zhì)理論，同時(shí)考慮樁土(巖)接觸面間的變形協(xié)調(diào)關(guān)系，將樁基看作由不同剛度地質(zhì)材料組成的層狀體，利用規(guī)范法與理論相結(jié)合，通過(guò)樁基試驗(yàn)得到樁土(巖)力學(xué)參數(shù)，建立了快速確定樁基側(cè)阻力的模型，對(duì)層狀樁土(巖)體問(wèn)題求解過(guò)程中的適用性進(jìn)行模型驗(yàn)證。驗(yàn)證表明，該模型利用單樁試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)每一根樁的側(cè)阻力預(yù)測(cè)是較為準(zhǔn)確的，可為類似工程所使用。

2 樁基側(cè)阻力承載機(jī)制

樁周土(巖)體壓密、彈性變形、彈塑性變形及破壞通過(guò)樁土(巖)間的剪切作用發(fā)生[12]。樁與土(巖)體界面上剪應(yīng)力首先達(dá)到彈性極限值τmax，然后巖土體將剪應(yīng)力傳遞給相鄰單元，這一過(guò)程連續(xù)傳遞于m倍基樁直徑外，直至剪應(yīng)力最終趨于0(根據(jù)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》(JGJ 94—2008)[13]，可認(rèn)為m=5.5d，d為樁徑)。為簡(jiǎn)化起見(jiàn)，假定基樁周圍土(巖)體剪應(yīng)力為三角形分布，即樁與土(巖)體界面上的剪應(yīng)力最大，m倍基樁直徑處剪應(yīng)力為0，如圖1所示。

圖1 剪應(yīng)力傳遞簡(jiǎn)化模型Fig.1 Simplified model of the transfer of shearing force along the pile

3 樁土(巖)復(fù)合體理論分析

對(duì)如圖2所示的樁土(巖)復(fù)合體連續(xù)介質(zhì)單元假定：①樁體和樁周土(巖)體均為各向同性線彈性體；②樁土(巖)變形穩(wěn)定時(shí)屬小變形；③樁土(巖)復(fù)合體變形處于極限平衡時(shí)樁土(巖)界面不分離，但土(巖)、樁的變形趨勢(shì)相差n倍。n與樁土(巖)復(fù)合體性質(zhì)有關(guān)，且土(巖)與樁彈性模量相差越大，n越大；相差越小，則越趨近于1，可通過(guò)數(shù)值擬合方法獲得。由廣義胡克定律及應(yīng)力-應(yīng)變疊加原理，可得樁土(巖)復(fù)合體連續(xù)介質(zhì)彈性本構(gòu)方程[15]，即：

(1)

(2)

(3)

(4)

注：為微元體的切應(yīng)力；mi為疊加后的合力矩。圖2 理論分析微元體Fig.2 Element volume of continuous medium

對(duì)如圖2所示的土(巖)層和樁體，分別由彈性理論可得：

(5)

(6)

(7)

(8)

式中：υs，υp分別為土(巖)和樁身的泊松比；Es，Ep分別為土(巖)和樁身的彈性模量。聯(lián)立式(1) —式 (8)，可得樁土(巖)復(fù)合體的本構(gòu)關(guān)系為

(9)

其中：

D11=(αpEp+nαsEs)-1；

D12=-(αpυp+αsυs)D11；

D21=-(αpυp+nαsυs)D11；

聯(lián)立式(1)、式(2)、式(3)、式(5)、式(7)、式(9)可得樁土(巖)剪應(yīng)力為

4 樁基側(cè)阻力的初探

4.1 當(dāng)樁基相互無(wú)影響時(shí)

(11)

圖3(a)、圖3(b)分別為Es/Ep=0.001，n=15時(shí)及Es/Ep=0.001，L=4時(shí)，樁基側(cè)阻力變化趨勢(shì)(為計(jì)算方便，假定ψsi=βsi=1.0)。從圖3(a)可以看出：土(巖)與樁的彈性模量比Es/Ep恒定條件下，樁側(cè)阻力隨L增加而提高;從圖3(b)可以看出：土(巖)與樁的彈性模量比Es/Ep恒定條件下，樁側(cè)阻力隨n增加而提高。

圖3 樁基側(cè)阻力與L和n的關(guān)系(Es/Ep=0.001)Fig.3 Relation of side resistance against L and n (Es/Ep=0.001)

圖4 樁基側(cè)阻力與Es/Ep的關(guān)系(L=4，n=20)Fig.4 Relation between side resistance and Es/Ep (L=4，n=20)

圖4為n=20，L=4時(shí)，樁基側(cè)阻力變化趨勢(shì)(為計(jì)算方便，假定ψsi=βsi=1.0)?？梢钥闯觯簶痘鶄?cè)阻力隨Es/Ep增大而逐漸提高，即樁身混凝土強(qiáng)度等級(jí)降低或樁周土(巖)彈性模量提高，都會(huì)使樁基側(cè)阻力增加，且Es/Ep越大，樁基側(cè)阻力變化越明顯。由此可見(jiàn)，提高樁身混凝土強(qiáng)度等級(jí)，有可能導(dǎo)致樁基側(cè)阻力降低，但通過(guò)后注漿等技術(shù)方法可以明顯提高樁基側(cè)阻力。

4.2 當(dāng)樁基相互影響時(shí)

圖5 樁基側(cè)阻力與的關(guān)系(L=4，n=20)Fig.5 Relation between side resistance and (L=4，n=20)

5 本文方法適用性驗(yàn)證

5.1 試樁資料

富源路A地塊的A1棟塔樁基礎(chǔ)為沖孔灌注樁。施工時(shí)采用泥漿護(hù)壁與低錘密擊的方法，并及時(shí)添加片石、砂礫使孔壁擠壓密實(shí)，每沖擊1～2 m，排渣一次，并定時(shí)補(bǔ)漿，直至設(shè)計(jì)深度；采用樁端、樁側(cè)復(fù)式后注漿技術(shù)，在樁底和樁側(cè)分別10，18，27 m各設(shè)一道樁側(cè)壓漿管。

2根試樁樁長(zhǎng)35.0 m、樁徑1.2 m，樁周地層巖性基本一致，但樁底支承條件有所不同(1#試樁底為黏性土；2#試樁底依次為厚度3.5 m的黏土層與約26 m的淤泥質(zhì)黏土層)。地基土物理力學(xué)參數(shù)如表1所示，其中土體的彈性模量E為3個(gè)試樣的平均值，0～-6.5 m(原地面為0 m)的彈性模量E由重塑土測(cè)試而得。每根試樁設(shè)置8個(gè)斷面，每個(gè)斷面埋設(shè)3個(gè)鋼筋應(yīng)力計(jì)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。其中樁身軸力分布如圖6所示。

表1 樁周土體物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physico-mechanical parameters of soil layers

圖6 樁身軸力分布Fig.6 Axial stress distribution of piles

5.2 側(cè)阻力計(jì)算方法驗(yàn)證

為驗(yàn)證連續(xù)介質(zhì)理論建立側(cè)阻力的計(jì)算公式在樁基側(cè)阻力分析中的有效性與合理性，利用規(guī)范法[13,16]與本文方法對(duì)工程試樁進(jìn)行了計(jì)算，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行了比較分析。計(jì)算的結(jié)果如表2、圖7所示。

由于本文方法與規(guī)范法計(jì)算的理論值較為接近，圖7僅表示了L=3，n=27條件下，本文方法計(jì)算結(jié)果與規(guī)范法計(jì)算結(jié)果對(duì)比。

由本文計(jì)算方法與規(guī)范法[13,16]計(jì)算結(jié)果可以看出：①?gòu)臉堵裆顏?lái)看，距荷載箱越近，樁基側(cè)阻力極限值計(jì)算越精確，誤差越??；②與1#試樁相比，2#試樁(樁底為淤泥質(zhì)黏土層)計(jì)算精度更高；③1#和2#試樁計(jì)算結(jié)果可以說(shuō)明當(dāng)樁底存在軟弱夾層時(shí)，參數(shù)L和n可近似看作常數(shù)；而樁底無(wú)軟弱層時(shí)，參數(shù)L和n隨距荷載箱距離的增大而增大。④利用試樁數(shù)據(jù)擬合的參數(shù)L和n，并結(jié)合巖土工程勘察階段土(巖)體的彈性模量，即可獲得場(chǎng)地每根樁的側(cè)阻力分布規(guī)律，為樁基的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

表2 2根試樁樁基側(cè)阻力規(guī)范法與本文方法計(jì)算結(jié)果對(duì)比Table 2 Comparison of side resistance calculated by specification approach and the method in this paper

6 結(jié) 論

(1)將樁基看作由不同剛度地質(zhì)材料組成的整體，基于連續(xù)介質(zhì)理論的正應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，建立了快速確定樁基側(cè)阻力計(jì)算公式。該方法可計(jì)算單樁與疏樁的側(cè)阻力，也可對(duì)存在擠土效應(yīng)樁基的側(cè)阻力進(jìn)行計(jì)算。

(2)從計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析可以看出，樁基側(cè)阻力隨Es/Ep增大而提高，即樁身混凝土強(qiáng)度等級(jí)降低或樁周土(巖)彈性模量提高，都會(huì)使樁基側(cè)阻力增加，且Es/Ep越大，樁基側(cè)阻力變化越明顯。

(3)由規(guī)范法與本文方法計(jì)算試樁側(cè)阻力的結(jié)果對(duì)比分析可以看出，本文方法計(jì)算的結(jié)果較為可信。因此，可以利用連續(xù)介質(zhì)理論計(jì)算方法對(duì)類似場(chǎng)地工程樁側(cè)阻力進(jìn)行預(yù)測(cè)，且這種預(yù)測(cè)是快速、可行和有效的。