軟土固結(jié)及樁基負(fù)摩阻力研究

楊慧芳

河北省秦皇島市昌黎縣水務(wù)局 河北秦皇島 066600

1 概述

天然沉積的軟粘土一般具有結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是土的固體顆粒的特定排列及相互接觸處由于周?chē)h(huán)境的改變，結(jié)構(gòu)性的強(qiáng)弱可用結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力比來(lái)表征，我國(guó)大部分軟粘土的結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力比為1.1-2.5左右，湛江粘土可達(dá)10左右，結(jié)構(gòu)性增大了土體的剛度，使其力學(xué)性質(zhì)與應(yīng)力水平密切相關(guān)，應(yīng)力水平較低時(shí)，土體的壓縮性低，應(yīng)力水平高時(shí)土體的結(jié)構(gòu)受到破壞，壓縮性較高，二者相差3-4倍甚至更高。

軟土的固結(jié)試驗(yàn)研究。沉降是一個(gè)古老的話題，但傳統(tǒng)固結(jié)理論受其自身三個(gè)簡(jiǎn)化假定的限制：①傳統(tǒng)的固結(jié)理論假定Cv是常量，然而，Cv隨著壓力的增長(zhǎng)而減小，作為這些影響的結(jié)果，Cv隨著土層深度而變化，隨著固結(jié)時(shí)間而變化。這些變化會(huì)導(dǎo)致與用傳統(tǒng)方法計(jì)算出的沉降不同。②傳統(tǒng)固結(jié)理論假定土骨架的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系是線彈性的，實(shí)際上，土的壓縮性不是線性的也不是彈性的。這對(duì)計(jì)算固結(jié)有較大的影響。③采用均一的應(yīng)變剖面。在實(shí)際工程中，固結(jié)過(guò)程中的應(yīng)變是不均一的，因?yàn)殡S謀度的增加、表面荷載的減小而引起的應(yīng)力增加，或是隨深度減小的壓縮能力，或兩者都有，所以應(yīng)變總是隨深度而減小的。

這是因?yàn)樵诟哂诮Y(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力的壓力下，粘土的壓縮性將比低于結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力的壓力下的壓縮性大10倍?？紤]不同的結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力，將得到不同的沉降計(jì)算結(jié)果。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法將Cv視為定值，并選擇一個(gè)單一的Cv來(lái)計(jì)算沉降速率，然而現(xiàn)實(shí)中，選擇一個(gè)單一Cv值來(lái)代表整個(gè)固結(jié)過(guò)程中整個(gè)土層是不合適的。Cv在土的欠固結(jié)狀態(tài)和超固結(jié)狀態(tài)下是不同的，這樣，當(dāng)粘土中大部分土體的有效應(yīng)力最初是小于結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力的，而當(dāng)固結(jié)發(fā)展過(guò)程中，其有效應(yīng)力逐漸大于結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力，那么，整個(gè)固結(jié)過(guò)程中，Cv將有相當(dāng)大的變化[1]。因此，沉降的精確分析要求計(jì)算機(jī)的分析應(yīng)用，能夠考慮Cv在土層中的變化。

2 軟土中樁基負(fù)摩阻力問(wèn)題

當(dāng)樁位于尚在固結(jié)沉降的土層時(shí)，就會(huì)在樁側(cè)土層與樁身有相對(duì)向下位移的部分產(chǎn)生負(fù)摩阻力，而在樁側(cè)土層與樁身有相對(duì)向上位移的部分產(chǎn)生正摩阻力。正、負(fù)摩阻力變換處的位置稱(chēng)為中性點(diǎn)，因此，中性點(diǎn)是樁土位移相等的斷面。

事實(shí)上，因?yàn)橥馏w結(jié)構(gòu)性的存在，軟土地基及其受到擾動(dòng)的固結(jié)沉降用傳統(tǒng)的太沙基固結(jié)理論是無(wú)法描述的，而且，隨著人們對(duì)土體結(jié)構(gòu)性的認(rèn)識(shí)發(fā)展，發(fā)現(xiàn)天然結(jié)構(gòu)性土體K0值及泊松比，在固結(jié)過(guò)程中是不能用一定值描述的。為此，本文從樁一土相互作用的機(jī)理出發(fā)，在地基固結(jié)沉降計(jì)算中考慮結(jié)構(gòu)性的因素，且在樁土界面考慮K0及，隨固結(jié)的變化，以此推求結(jié)構(gòu)性軟土地基中的樁基負(fù)摩阻求解方法，并編制了計(jì)算程序，通過(guò)詳細(xì)的算例對(duì)比，得出了對(duì)工程有較強(qiáng)指導(dǎo)意義的結(jié)論[2]。

3 樁基所受負(fù)摩阻的試驗(yàn)研究

負(fù)摩阻力對(duì)樁基工程有較大影響，如果在樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)未考慮或未能充分合理的考慮到負(fù)摩阻力的影響，對(duì)于端承樁，就有可能造成樁身或樁端地基破壞；對(duì)于摩擦樁，上部結(jié)構(gòu)就會(huì)加大沉降或產(chǎn)生不均勻沉降。

土工離心模型試驗(yàn)是一種行之有效的物理模型，是以相似理論為理論基礎(chǔ)，將原型材料按一定比尺制成模型后，置于由離心機(jī)生成的離心場(chǎng)中，通過(guò)加大土體的體積力，使模型達(dá)到與原型相等的應(yīng)力狀態(tài)，從而使原型與模型的變形和破壞過(guò)程保持良好的相似性，并以此來(lái)研究原型的變形與破壞。因此，可以通過(guò)離心機(jī)模型實(shí)驗(yàn)?zāi)M軟土固結(jié)孔隙水壓力變化，軟土與樁的沉降，以及軟土固結(jié)對(duì)樁負(fù)摩阻力的影響。

根據(jù)目前對(duì)樁基負(fù)摩阻力的試驗(yàn)研究，主要有以下成果：

（1）摩擦樁中性點(diǎn)位置在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和離心機(jī)模型試驗(yàn)中基本一致，都小于規(guī)范所提供的中性點(diǎn)深度。

（2）摩擦樁中性點(diǎn)位置，隨著土層固結(jié)沉降減緩而略有上移，但是隨著超靜孔壓的消散，樁側(cè)土有效應(yīng)力增大，中性點(diǎn)上部的負(fù)摩阻力也隨之增大，所以上移后的中性點(diǎn)處樁身軸力并不減小。端承樁位于堅(jiān)硬持力層上，樁端沉降很小，所以中性點(diǎn)位于可壓縮土層下部[3]。

（3）確定樁的類(lèi)型是摩擦樁或是端承樁后，樁徑和樁長(zhǎng)對(duì)負(fù)摩阻力的影響不大，成樁工藝對(duì)負(fù)摩阻力的影響較大，離心機(jī)模型試驗(yàn)中鉆孔后放入預(yù)制模型樁的工藝所得樁側(cè)摩阻力系數(shù)遠(yuǎn)比現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)小，說(shuō)明該工藝與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)對(duì)樁基負(fù)摩阻力的影響是不同的。與規(guī)范相比處于一個(gè)較高的水平。建議在工程中充分考慮成樁工藝對(duì)負(fù)摩阻力的影響。

（4）相同工況下，端承樁和摩擦樁所受負(fù)摩阻力大小在摩擦樁中性點(diǎn)附近以上區(qū)域基本一致，工程中兩者可以相互借鑒。

（5）離心機(jī)模型試驗(yàn)中對(duì)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中由于施工等因素所引起的不足有一個(gè)很好的彌補(bǔ)作用。

4 小結(jié)

在軟土壓縮特性研究成果的基礎(chǔ)上，通過(guò)理論計(jì)算和試驗(yàn)研究，可得到以下結(jié)論：

（1）軟土的固結(jié)試驗(yàn)表明原狀土和重塑土具有不同的壓縮曲線性狀、固結(jié)系數(shù)、壓縮系數(shù)隨著壓力的變化趨勢(shì)；且加壓率對(duì)其的影響也是不同的。①原狀土的壓縮曲線為前緩后陡的曲線形，而重塑土的壓縮曲線近似為一條直線。②原狀土和重塑土的壓縮系數(shù)具有不同的變化趨勢(shì)。原狀土的壓縮系數(shù)在初始加荷階段較小，逐漸增大到一定的峰值之后開(kāi)始減小；當(dāng)應(yīng)力超過(guò)一定的值之后，減小到與重塑土的壓縮系數(shù)接近。而重塑土的壓縮系數(shù)在初始階段較大，后逐漸減小到一定的值。③加壓率對(duì)原狀土的壓縮系數(shù)隨著壓力的變化趨勢(shì)影響較大；而對(duì)重塑土的壓縮系數(shù)隨著壓力的變化趨勢(shì)影響不大。加壓率越大，原狀土壓縮系數(shù)的峰值所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力越??；且在較小的應(yīng)力下大于重塑土的壓縮系數(shù)。

（2）本文認(rèn)為土體結(jié)構(gòu)性指土體組構(gòu)和土顆粒的膠結(jié)，假定擾動(dòng)影響主要表示為膠結(jié)強(qiáng)度的喪失程度。結(jié)合結(jié)構(gòu)性軟土壓縮特性研究提出了結(jié)構(gòu)性軟土的一維固結(jié)半解析計(jì)算方法，壓縮指數(shù)分段式的取值可以較好的考慮到結(jié)構(gòu)性對(duì)土體固結(jié)的影響。研究表明：①結(jié)構(gòu)強(qiáng)度對(duì)固結(jié)有著顯著的影響，且較小荷載作用下該影響尤為突出。因此堆載預(yù)壓時(shí)應(yīng)全面評(píng)估加載大小的影響，盡可能的發(fā)揮結(jié)構(gòu)強(qiáng)度對(duì)固結(jié)的作用。②受到擾動(dòng)的土體固結(jié)速率較原狀土慢，且擾動(dòng)度越大、擾動(dòng)影響的深度越大，則固結(jié)速率越慢。原狀土和擾動(dòng)土按沉降定義的固結(jié)度在固結(jié)初期大于按孔壓定義的固結(jié)度，而固結(jié)中后期兩者出現(xiàn)交替，且該性狀與結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，擾動(dòng)程度及加載大小相關(guān)。③擾動(dòng)不但會(huì)減緩固結(jié)速率，還會(huì)引起附加沉降，增大地基最終沉降量，且擾動(dòng)度及擾動(dòng)影響的深度越大，則附加沉降量越大，這點(diǎn)在上覆荷載較小時(shí)表現(xiàn)尤為明顯。實(shí)際工程中，應(yīng)在預(yù)壓堆載的施工中盡量減小擾動(dòng)。

（3）由單層結(jié)構(gòu)性軟土的一維固結(jié)半解析計(jì)算方法，推廣運(yùn)用到變荷載下成層結(jié)構(gòu)性軟土。通過(guò)算例表明結(jié)構(gòu)性軟土上部如果有結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較高土層則對(duì)整個(gè)地基的固結(jié)起到了加快的作用，不同加載速率對(duì)固結(jié)速率有著不同的影響，相同情況下，加載速率越快固結(jié)速率也越快。

（4）從樁一土相互作用的機(jī)理出發(fā)，在地基固結(jié)沉降和樁土界面計(jì)算中考慮結(jié)構(gòu)性的因素對(duì)負(fù)摩阻問(wèn)題進(jìn)行了求解，得到以下結(jié)論和建議：①固結(jié)初期，樁基位于原狀土中所受負(fù)摩阻力較大，在摩擦樁中還表現(xiàn)為中性點(diǎn)位置偏下，在摩擦樁中表現(xiàn)為中性點(diǎn)位置偏上。說(shuō)明在工程實(shí)際中對(duì)地基的擾動(dòng)會(huì)使初期監(jiān)測(cè)得到樁基負(fù)摩阻力偏小，而在原狀土中的監(jiān)測(cè)反而偏大，且在原狀土中的摩擦樁中性點(diǎn)位置偏下。②固結(jié)完全后，受到擾動(dòng)的結(jié)構(gòu)性軟土地基最終沉降量比原狀土大，樁基位于原狀土地基中所受的負(fù)摩阻力最終值要小于樁基位于完全擾動(dòng)土地基中所受的負(fù)摩阻力最終值。這一點(diǎn)在地基上覆荷載較小的情況下尤為突出。地基上覆荷載對(duì)樁基所受負(fù)摩阻有顯著的影響，上覆荷載增大時(shí)，在端承樁中表現(xiàn)為樁身摩阻力增大，而在摩擦樁中表現(xiàn)為樁身所受摩阻力增大，且中性點(diǎn)位置下移。因此，在工程中因充分評(píng)估堆載對(duì)樁基負(fù)摩阻力的影響。③有效應(yīng)力法對(duì)樁基負(fù)摩阻力的評(píng)估在中點(diǎn)附近是偏大的，而對(duì)于原狀土來(lái)講，因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)性的存在使其在固結(jié)速率、地基最終沉降和K0特性方面與完全擾動(dòng)土是不一樣的，因此采用有效應(yīng)力法對(duì)樁基負(fù)搖阻的計(jì)算是偏保守的。

通過(guò)樁基負(fù)摩阻的試驗(yàn)研究表明樁徑和樁長(zhǎng)對(duì)負(fù)麟阻力的影響不大，而成樁工藝對(duì)負(fù)摩阻力的影響較大，離心機(jī)模型試驗(yàn)中鉆孔局放入預(yù)制模型樁的工藝所得樁側(cè)摩阻力系數(shù)p值遠(yuǎn)比現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)小，說(shuō)明該工藝馬現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中先沖擊成孔再灌注混凝土的施工工藝對(duì)樁基負(fù)摩阻力的影響是不同的，因?yàn)楣酀{過(guò)程中，有混凝土滲入或擠入樁周土體中，實(shí)際有效樁徑增大。與規(guī)范相比，p值處于一個(gè)較高的水平。建議在工程中充分考慮成樁工藝對(duì)負(fù)摩阻扣的影響。