嵌巖樁現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)及負(fù)摩阻力優(yōu)化計(jì)算研究

摘 要：為了解決樁基負(fù)摩阻力所引起的樁體破壞、樁基不均勻沉降等工程問(wèn)題，在樁周土體沉降及樁身應(yīng)力應(yīng)變現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，分析了嵌巖端承樁樁側(cè)剪切變形與負(fù)摩阻力的關(guān)系，建立了嵌巖端承樁與周?chē)馏w剪切變形量的計(jì)算方法，對(duì)淺層位置處樁-土監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，同時(shí)考慮嵌巖端承樁周?chē)馏w豎向有效應(yīng)力對(duì)剪切變形的影響，并對(duì)現(xiàn)有規(guī)范中嵌巖端承樁負(fù)摩阻力計(jì)算方法進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。結(jié)果表明：1）嵌巖端承樁樁頂在不受外力約束時(shí)，淺部樁-土剪切變形量為4～5 mm;2）深層位置處樁-土剪切變形小于淺層樁-土剪切變形，負(fù)摩阻力的作用無(wú)法充分發(fā)揮;3）采用優(yōu)化計(jì)算法所得負(fù)摩阻力值與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)結(jié)果吻合度較高，所得下拉荷載可以滿足經(jīng)濟(jì)、安全設(shè)計(jì)要求。研究結(jié)果可為樁基工程的設(shè)計(jì)和安全施工提供參考。

關(guān)鍵詞：地基基礎(chǔ)工程;嵌巖端承樁;現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn);計(jì)算分析;固結(jié)沉降;負(fù)摩阻力

中圖分類號(hào)：TU411.7?? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI： 10.7535/hbgykj.2021yx02012

Study on field monitoring test and negative friction optimization

calculation of rock-socketed pile

GAN Chuanqi

（Shaanxi Railway Engineering Survey Company Limited，China Railway First Survey and Design Institute Group Company Limited， Xi′an， Shaanxi 710043，China）

Abstract：

In order to solve the engineering problems of the pile failure and uneven settlement caused by negative friction of pile foundation， the relationship between lateral shear deformation and negative friction of rock-socketed end-bearing pile was analyzed on the basis of field monitoring tests of soil settlement around piles and stress-strain of piles. The calculation method of shear deformation of rock-socketed end-bearing pile and surrounding soil was established， and the monitoring data of pile and soil at shallow position was compared and analyzed by using this method. At the same time， considering the influence of vertical effective stress around rock-socketed end-bearing pile on shear deformation， the calculation method of negative friction of rock-socketed end-bearing pile in the existing code was optimized and improved. The results show that： 1） when the top of rock-socketed end-bearing pile is not constrained by external force， the shearing deformation of shallow pile-soil is 4-5 mm; 2） the shear deformation of pile-soil at deep position is less than that of pile-soil at shallow position， and the role of negative friction can not be brought into full play; 3） the negative friction obtained by optimization method is in good agreement with the monitoring results of field test， and the obtained pull-down load can meet the requirements of economical and safe design. The research results can provide reference for the design and safe construction of pile foundation engineering.

Keywords：

foundation engineering;rock-socketed end bearing pile;field test;calculation and analysis;consolidation settlement;negative friction

嵌型端承樁因具有承壓能力強(qiáng)、穩(wěn)定性好和沉降量小等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛使用于軟土地基工程中。由于軟土地基固結(jié)時(shí)間長(zhǎng)、壓縮量大，如果在樁基設(shè)計(jì)階段未充分考慮軟土地基在固結(jié)沉降過(guò)程中對(duì)嵌巖端承樁產(chǎn)生的負(fù)摩阻力影響，必然會(huì)給工程建設(shè)帶來(lái)不安全因素。因此，對(duì)嵌巖端承樁展開(kāi)負(fù)摩阻力受力特性試驗(yàn)及計(jì)算分析是十分必要的。

在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)方面，BJERRUM等[1]、ENDO等[2]及BOZOZUK等[3]在挪威、日本、加拿大等地進(jìn)行了大量現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，對(duì)樁-土負(fù)摩阻力進(jìn)行研究。李光煜等[4]通過(guò)滑動(dòng)測(cè)微計(jì)對(duì)樁-土負(fù)摩阻力進(jìn)行試驗(yàn);馬時(shí)冬[5]對(duì)計(jì)算值與實(shí)測(cè)值給予比較，對(duì)負(fù)摩阻力大小和中心點(diǎn)深度計(jì)算、參數(shù)選取的現(xiàn)有方法進(jìn)行了評(píng)價(jià);律文田等[6]研究了地基填土過(guò)程樁-土負(fù)摩阻力，對(duì)樁基內(nèi)力變化規(guī)律進(jìn)行了分析;李玲玲等[7]通過(guò)開(kāi)展樁周土體固結(jié)沉降試驗(yàn)，對(duì)土地固結(jié)沉降與樁身中心點(diǎn)位置及總負(fù)摩阻力進(jìn)行研究，并得到了試驗(yàn)場(chǎng)地的樁-土負(fù)摩阻力系數(shù)。除此之外，INDRARATNA等[8]進(jìn)行了樁-土負(fù)摩阻力現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，結(jié)果表明樁-土下拽位移和負(fù)摩阻力隨時(shí)間增長(zhǎng)而增加，增加速率逐漸變緩，直至趨于穩(wěn)定;肖俊華等[9]對(duì)負(fù)摩阻力發(fā)展進(jìn)行了劃分，將其劃分為前期樁土剪切變形控制階段與后期樁周土體沉降控制階段。還有文獻(xiàn)[10-13]針對(duì)樁周土體沉降對(duì)負(fù)摩阻力影響及樁基內(nèi)部應(yīng)力與中心位置關(guān)系已作大量研究，但缺乏樁-土剪切變形量與上負(fù)摩阻力關(guān)系研究。

在嵌巖端承樁負(fù)摩阻力計(jì)算方法方面，現(xiàn)有規(guī)范[14]根據(jù)有效應(yīng)力計(jì)算負(fù)摩阻力，計(jì)算方法偏于保守，由此，陸明生[15]利用總應(yīng)力法，得出端承樁負(fù)摩阻力的梯形分布模型曲線，但該模型曲線中部忽略了負(fù)摩阻力隨樁的埋深變化而發(fā)生變化，與實(shí)際工程狀況不符?？稻拔牡萚16]提出了端承樁負(fù)摩阻力存在上升增大段，但其并未指出負(fù)摩阻力峰值位置認(rèn)定的方法。賀成斌等[17]建立了嵌巖端承樁分層計(jì)算公式，但其計(jì)算方法復(fù)雜，需要借助彈塑性理論，實(shí)際應(yīng)用受限。胡瑞庚等[18]對(duì)高填方地基采用3 000 kN·m能級(jí)強(qiáng)夯預(yù)處理后，測(cè)試樁身軸力、樁身及樁周土層沉降變化情況，得到高填方夯實(shí)地基未處理填土層樁側(cè)負(fù)摩阻力變化規(guī)律。成建陽(yáng)等[19]基于荷載傳遞法，依據(jù)樁周土體沉降實(shí)際分布情況，提出樁長(zhǎng)1/3和1/2位置的樁周土體沉降二折線分析模型，得到任意樁身位置處樁身軸力和樁-土相對(duì)變形解答。

綜上所述，對(duì)于不同土體樁側(cè)負(fù)摩阻力的變化規(guī)律問(wèn)題，學(xué)者們從土的性能、樁-土相互作用、深度效應(yīng)以及固結(jié)效應(yīng)等不同角度進(jìn)行研究并取得一定成果。但是對(duì)于計(jì)算嵌固端承樁的負(fù)摩阻力問(wèn)題并未找到較好的解決方法，需要進(jìn)一步深入研究。

1 現(xiàn)場(chǎng)概況及試驗(yàn)方案

1.1 現(xiàn)場(chǎng)條件

本研究以江西省西北部某樁基工程為依托，項(xiàng)目所在地為丘陵低山地貌。工程地層分布如下：1）人工填土層，主要由碎石、黏土及角礫組成，狀態(tài)較松散;2）第四系黏土層，主要成分為灰?guī)r，狀態(tài)為硬塑;3）粉質(zhì)黏土層，由泥巖、頁(yè)巖組成，狀態(tài)為硬塑;4）基巖層，主要成分為寒武統(tǒng)灰?guī)r，并夾雜白云巖，呈中風(fēng)化狀態(tài)。

現(xiàn)場(chǎng)采用直徑為80 mm、長(zhǎng)31 m的鉆孔灌注樁，樁頂自由，嵌巖端承樁身底部26～30 m位置處嵌入基巖，場(chǎng)地地層基力學(xué)參數(shù)如表1所示。

1.2 監(jiān)測(cè)方案

試驗(yàn)樁選取432#樁、442#樁為對(duì)象，2根試驗(yàn)樁樁側(cè)布設(shè)2根沉降管，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)儀器布置如圖1所示。

在沉降管上設(shè)置5個(gè)沉降標(biāo)，沉降標(biāo)由填土層表面向下每2 m設(shè)置1個(gè)，沉降管低端深埋至基巖面。使用環(huán)氧樹(shù)脂膠把定點(diǎn)式應(yīng)變感應(yīng)測(cè)量纖維粘在縱向鋼筋凹槽內(nèi)，光纖測(cè)點(diǎn)設(shè)置在0～20 m的樁身范圍內(nèi)，樁身在0～10 m范圍內(nèi)光纖測(cè)點(diǎn)間隔1 m，在10～20 m范圍內(nèi)光纖測(cè)點(diǎn)間隔2 m。光纖與沉降標(biāo)縱向剖面圖如圖2所示。監(jiān)測(cè)自2016-06-10開(kāi)始，至2017-06-05結(jié)束，數(shù)據(jù)采集間隔時(shí)間為1個(gè)月。

2 監(jiān)測(cè)結(jié)果

試驗(yàn)場(chǎng)地端承樁周?chē)馏w內(nèi)1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)和4號(hào)沉降管分層沉降結(jié)果如圖3所示。

根據(jù)圖3可知，樁周土體埋深為2 m的土層沉降量為15～17 mm，隨著樁周土體埋深深度的增大土層累積沉降量呈現(xiàn)遞減趨勢(shì)，樁周土體埋深為10 m位置處，土層累積沉降量小于2 mm;從土層累積沉降量曲線可知，曲線隨時(shí)間推移呈現(xiàn)出由疏到密的特征，在第150 天到第184 天為疏密過(guò)渡段，端承樁樁周土體沉降變形速度隨時(shí)間推移逐漸變小。432#樁和442#樁軸力監(jiān)測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖4。根據(jù)圖4可知，嵌巖端承樁軸力隨樁身的埋深由淺到深表現(xiàn)為單調(diào)遞增，直至出現(xiàn)軸力峰值后，又單調(diào)遞減。

如圖4所示，隨時(shí)間的推移軸力峰值逐漸向土層深處移動(dòng)，直至184 天后軸力峰值于約埋深10 m處停止下移。432#樁和442#樁峰值軸力分別為733，707 kN;第184天到第361 天期間軸力空間分布曲線基本重合，由此可以認(rèn)為184 天之后樁軸力不再發(fā)生變化。確定樁基負(fù)摩阻力大小及中性點(diǎn)位置是樁基負(fù)摩阻力現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)2個(gè)核心問(wèn)題，文獻(xiàn)[5]將樁-土相對(duì)位移變形量為0處或出現(xiàn)確定大軸力處確定為中性點(diǎn)位置。

根據(jù)本試驗(yàn)樁頂不受力及持力層特征，可不計(jì)嵌巖端承樁自身變形，將樁周不發(fā)生變化土層所處位置視作中點(diǎn)位置。從圖4可以看出，在人工填出與原土層的分界面約為樁-土埋深10 m處，累積沉降量?jī)H約2 mm，沉降量難以向更深處發(fā)展，可初步認(rèn)定樁負(fù)摩阻力中性點(diǎn)位置位于深度10 m處。由圖4樁身軸力分布曲線可得到軸力峰值位置受時(shí)間推移影響的變化關(guān)系，且可以確定中心點(diǎn)位置上的變化過(guò)程。在第60～90 天時(shí)均位于7 m深位置處無(wú)明顯變化，隨著時(shí)間的推移中心位置變化明顯，直到第183 天穩(wěn)定于10 m位置處。軸力曲線與沉降曲線變化基本一致。

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)樁身軸力監(jiān)測(cè)結(jié)果通過(guò)式（1）計(jì)算可得到樁身負(fù)摩阻力平均值，即

τi=Ni-Ni+1Uhi，（1）

式中：τi為第i層土體的負(fù)摩阻力，kPa;Ni為第i層土體處樁截面軸力，kN;U為樁側(cè)周長(zhǎng)，m;hi為第i層土厚度，m。

3 樁-土剪切變形量計(jì)算

文獻(xiàn)[18]介紹了學(xué)者所做的土與混凝土接觸面剪切試驗(yàn)，指出了不同土質(zhì)和不同樁形在達(dá)到最大抗剪強(qiáng)度時(shí)需要有一定的剪切位移（通常為2～6 mm）作保證。文獻(xiàn)[10]指出負(fù)摩阻力受樁-土剪切位移和土體固結(jié)沉降控制。文獻(xiàn)[19]在文獻(xiàn)[10]的基礎(chǔ)上進(jìn)一步指出了樁-土剪切控制階段負(fù)摩阻力增長(zhǎng)較快，土體固結(jié)抗剪強(qiáng)度增長(zhǎng)控制階段增長(zhǎng)緩慢的特點(diǎn)，并由此提出了獲取樁-土剪切變形量方式。

首先，通過(guò)沉降管獲得土體分層所對(duì)應(yīng)的432#樁和442#樁截面軸力，并計(jì)算軸力增長(zhǎng)速度，軸力日增長(zhǎng)速率曲線如圖5所示。

由圖5可知，在第202天后，

432#樁和442#樁軸力增長(zhǎng)速率幾乎為0，表明負(fù)摩阻力已不再發(fā)生變化;通過(guò)對(duì)軸力增長(zhǎng)速率測(cè)點(diǎn)的統(tǒng)計(jì)分析，圖5a）和圖5b）分別表示增長(zhǎng)速率低于0.5 kN/d的點(diǎn)占軸力增長(zhǎng)速率測(cè)點(diǎn)的71.7%和79.0%;當(dāng)曲線增長(zhǎng)速率低于0.5 kW/d時(shí)，表明樁身負(fù)摩阻力已經(jīng)得到很大程度的發(fā)揮，往后增速不大;將此時(shí)計(jì)算得到的樁周土體沉降量視為樁-土剪切變形量，所得結(jié)果如表2所示。

按上述時(shí)間所對(duì)應(yīng)的樁身軸力值Q1達(dá)到監(jiān)測(cè)末期軸力值Q2的90%以上，將其視為樁-土剪切變形的負(fù)摩阻力已經(jīng)充分發(fā)揮，剩余不足10%的負(fù)摩阻力被認(rèn)為是由樁周土固結(jié)引起的。在樁深2，4，6 m位置處，對(duì)應(yīng)不同時(shí)間的樁-土剪切變形為4～5 mm;在樁深8 m位置處樁-土剪切變形稍有偏低，而在樁埋深10 m位置處樁-土剪切變形為1 mm左右，原因是受下部土層性質(zhì)改變影響，剪切變形受限。

表3匯總了文獻(xiàn)[10，17，20-23]砂土和黏性土中樁-土剪切變形量的大小數(shù)據(jù)，砂土剪切變形量在7 mm以上，黏土剪切變形量小于砂土。本試驗(yàn)所得樁-土剪切位移量為4～5 mm，屬于黏性土范圍，說(shuō)明黏性土對(duì)本試驗(yàn)類型的樁周土剪切變形發(fā)揮主要作用。上述研究成果驗(yàn)證了通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定剪切變形量的可靠性。

4 嵌巖端承樁負(fù)摩阻力優(yōu)化計(jì)算

4.1 有效應(yīng)力法改進(jìn)

文獻(xiàn)[11]利用有效應(yīng)力計(jì)算法，確定樁-土極限負(fù)摩阻力，其計(jì)算公式如式（2）所示。

τ=ασ′v，（2）

式中：τ為樁周負(fù)摩阻力，kPa;α為系數(shù)，對(duì)應(yīng)土質(zhì)取值見(jiàn)表4;σ′v為豎向有效應(yīng)力，kPa。

該方法參數(shù)明確，計(jì)算簡(jiǎn)便，相比采用彈性理論等復(fù)雜方式更容易被工程師接受和推廣。由土體類型和樁型獲取的負(fù)摩阻力系數(shù)多為一個(gè)固定值。樁在受到負(fù)摩阻力作用時(shí)，樁段可以劃分為達(dá)到樁-土剪切變形量的樁段與未達(dá)到變形量的樁段。由于樁-土剪切變形量為達(dá)到變形所需量，負(fù)摩阻力也將無(wú)法達(dá)到最大值，因而有效應(yīng)力法對(duì)未達(dá)到變形量的樁段未進(jìn)行分析，不能對(duì)負(fù)摩阻力進(jìn)行全面闡述。

為了保留有效應(yīng)力參數(shù)易定、計(jì)算簡(jiǎn)便的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)彌補(bǔ)不能對(duì)負(fù)摩阻力分布進(jìn)行全面闡述的問(wèn)題，對(duì)樁-土剪切變形與樁周土體豎向有效應(yīng)力因素進(jìn)行探究。

監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)2根樁軸力數(shù)值，利用式（1）計(jì)算出監(jiān)測(cè)期末負(fù)摩阻力值;利用式（2）計(jì)算埋深所對(duì)應(yīng)的土層負(fù)摩阻力系數(shù)αz;將樁埋深深度z作為負(fù)摩阻力系數(shù)αz的自變量，將負(fù)摩阻力系數(shù)視為遞減函數(shù)，并對(duì)負(fù)摩阻力系數(shù)進(jìn)行擬合，可得：

αz=k1z，（3）

式中k為不同土體與樁型確定的系數(shù)。

樁-土負(fù)摩阻力的分布函數(shù)表達(dá)式為

τz=αzσ′v，（4）

式中τz為負(fù)摩阻力沿樁埋深深度z的分布函數(shù)。

4.2 總負(fù)摩阻力計(jì)算結(jié)果

根據(jù)文獻(xiàn)[11]，利用有效應(yīng)力法對(duì)樁-土負(fù)摩阻力進(jìn)行計(jì)算，由于試驗(yàn)場(chǎng)地填土層以黏性土為主，含有少量角礫，其與樁的抗剪特征與砂土較為類似。根據(jù)表5可知黏土負(fù)摩阻力系數(shù)為0.25～0.40，砂土負(fù)摩阻力系數(shù)為0.35～0.50，為了保證工程的安全，均取最大值。將本試驗(yàn)負(fù)摩阻力系數(shù)確定為0.40或0.50并分別計(jì)算，所得結(jié)果如圖6所示。

由圖6可知，文獻(xiàn)[11]的計(jì)算值曲線與實(shí)際監(jiān)測(cè)值曲線在埋深為2～4 m時(shí)較為接近，隨著埋深的增加2條曲線逐漸偏離，且在中性點(diǎn)位置偏差十分嚴(yán)重;優(yōu)化后計(jì)算曲線與實(shí)際監(jiān)測(cè)值曲線在不同深度偏離均較小，表明優(yōu)化后計(jì)算值能夠很好地反映實(shí)測(cè)值。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證優(yōu)化后計(jì)算方法的優(yōu)越性，比較利用2種方法計(jì)算得到的總負(fù)摩阻力，所得結(jié)果如表5所示。由表5可知，優(yōu)化后的計(jì)算值較實(shí)測(cè)值大10%左右，偏差值在允許偏差范圍之內(nèi);優(yōu)化后計(jì)算值相較于文獻(xiàn)[11]，總負(fù)摩阻力分別減小了25%和40%。由此可知，利用優(yōu)化后的計(jì)算方法對(duì)負(fù)摩阻力進(jìn)行計(jì)算可以節(jié)約一定的經(jīng)濟(jì)成本，此外相較于文獻(xiàn)[13-14]，其工作量有所減小。

5 結(jié) 論

筆者根據(jù)嵌巖端承樁樁身應(yīng)變和樁周土體沉降現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)監(jiān)測(cè)結(jié)果，確定了無(wú)承壓樁-土剪切變形量的大小，結(jié)合有效應(yīng)力法對(duì)規(guī)范中嵌巖端承樁負(fù)摩阻力計(jì)算方法進(jìn)行了改進(jìn)，所得結(jié)論如下。

1）通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)樁周土體沉降和樁體自身軸力的監(jiān)測(cè)，得到了本試驗(yàn)樁-土剪切變形量為4～5 mm。

2）不同埋深下達(dá)到最大樁-土剪切變形量需要的時(shí)間不同，且埋深靠近10 m處一定范圍內(nèi)中心點(diǎn)難以達(dá)到樁周軸力峰值所需的樁-土剪切變形量。據(jù)此，可以樁周軸力變形所需最大剪切變形為界，將樁分為上、下兩部樁段。

3）優(yōu)化后嵌巖端承樁計(jì)算方法相較有效應(yīng)力法計(jì)算所得結(jié)果，其與試驗(yàn)測(cè)得值的吻合度更高，計(jì)算公式簡(jiǎn)單，參數(shù)易取，將計(jì)算所得總負(fù)摩阻力應(yīng)用于設(shè)計(jì)具有較好的經(jīng)濟(jì)效果。

論文雖結(jié)合有效應(yīng)力法對(duì)規(guī)范中嵌入巖端承樁負(fù)摩阻力計(jì)算方法進(jìn)行了改進(jìn)，但仍存在一定的不足，還需進(jìn)行大量的實(shí)際工程案例驗(yàn)證，以確保計(jì)算方法的廣泛實(shí)用性。未來(lái)可以針對(duì)具有不同地質(zhì)條件的實(shí)際工程，進(jìn)行計(jì)算方法的驗(yàn)證和再優(yōu)化。

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收稿日期：2020-09-16;修回日期：2020-11-26;責(zé)任編輯：張 軍

作者簡(jiǎn)介：甘傳奇（1985—），男，江西萍鄉(xiāng)人，工程師，碩士，主要從事鐵路、公路勘察設(shè)計(jì)及邊坡和基坑支護(hù)等方面的研究。

E-mail： yongch5954@163.com

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