黏性土中考慮成孔卸荷的灌注樁側摩阻力研究

譚海洲

(廣東省高速公路有限公司，廣東 廣州 510010)

隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，中國的高速公路等基礎設施建設投入不斷加大，樁基工程得到了廣泛應用。其中鉆孔灌注樁以其施工無擠土、環(huán)境噪音小、對地層適應性強及承載力高等優(yōu)點，在江海大橋、城市高架道路、高等級公路等項目中得到廣泛的應用。目前，中國鉆孔灌注樁最大直徑超過4 m，最大深度超過100 m，每年用量達到100萬根以上。然而，由于工程地質(zhì)條件的復雜性與多樣性，高速公路基樁，特別是灌注樁的承載特性研究及其沉降的有效控制技術遠落后于工程實踐的需要，如何保證灌注樁安全、高效地發(fā)揮其承載及減沉性能仍然是樁基工程中的熱點與難點問題。

灌注樁施工的現(xiàn)場作業(yè)多，影響成樁質(zhì)量的設備及人為因素較多，質(zhì)量不夠穩(wěn)定。有時會發(fā)生縮頸、斷樁、樁身局部夾泥、樁身混凝土離析、樁頂混凝土疏松、混凝土強度較難保證等質(zhì)量事故；樁側摩阻力和樁端阻力的發(fā)揮常隨設備、工藝變化而變化，且又在較大程度上受施工操作影響。

受機械類型、鉆頭直徑、成孔時間、泥漿性能、土層特性等的影響，鉆孔灌注樁成孔時間和孔壁形狀各不相同，造成成樁后的樁側極限摩阻力具有一定的不確定性。目前工程上廣泛采用的是以經(jīng)驗方法為主，輔以檢測樁試驗數(shù)據(jù)分析，確定樁側極限摩阻力的大小，但得到的結果往往存在誤差。對于灌注樁樁側極限摩阻力的確定，目前仍處于探索階段。

綜上所述，影響鉆孔灌注樁承載力的因素及其沉降控制遠比想象復雜。已有眾多學者注意到這個問題，對此進行了探討，趙春風對成孔卸載后灌注樁豎向承載機理進行了研究；潘林有等對卸荷狀態(tài)下黏性土強度特性進行了試驗研究，但都未對黏性土中考慮成孔卸荷的灌注樁承載特性影響因素進行研究。隨著鉆孔灌注樁的大量使用，有必要對黏性土中鉆孔灌注樁承載力特性及其沉降控制關鍵技術進行研究。

1 依托工程

廣東省潮惠高速公路所經(jīng)過地段軟土地基比重較大，路線設置橋梁較多。例如：A1合同段起點位于潮州市潮安縣古巷鎮(zhèn)橫溪西側，連接規(guī)劃的漳州至玉林高速公路潮州段，路線經(jīng)潮州市的潮安縣、揭陽市以及汕頭市的潮陽區(qū)，終點位于揭陽市揭西縣灰寨鎮(zhèn)連接A2合同段。A1合同段推薦方案起點樁號K0+000，終點樁號K76+863.015，路線全長76.851 km。此外，共設連接線3條，其中潮州連接線、廈深鐵路潮汕站連接線及支線為一級公路連接線，潮州連接線長2.981 km，其支線長0.936 km；廈深鐵路潮汕站連接線長5.989 km；谷饒連接線為利用舊路改造的二級公路連接線，路線長9.675 km。主線全線設特大橋、大橋35 352 m/40座，中、小橋1 288 m/21座，隧道2 991.5 m/3座，互通立交9處；橋梁占路線總長的比例為47.7%，隧道比例為3.9%，橋隧比例為51.6%。橋梁基礎幾乎全部采用灌注樁。

2 樁荷載傳遞函數(shù)的建立

2.1 荷載傳遞微分方程的建立

Seed和Colye提出的荷載傳遞法中將樁體劃分為數(shù)個彈性單元體，每一單元體與土體之間均用非線性彈簧聯(lián)系，其樁側和樁端應力-應變關系分別采用樁側荷載傳遞函數(shù)和樁端荷載傳遞函數(shù)表示。

如圖1所示，取單元體dz為分析對象，建立豎向平衡方程：

τ(z)Udz+Q(z)+dQ(z)=Q(z)

(1)

(2)

圖1 樁土體系荷載傳遞

單元體的彈性壓縮量dS(z)為：

(3)

式中：AP為樁身截面面積；EP為樁身彈性模量。

式(3)變換得：

(4)

將式(2)略作變換后代入式(4)，得到樁-土荷載傳遞的基本微分方程：

(5)

邊界條件為：

S(z)|z=0=S0

(6)

(7)

S(z)|z=l=Sb

(8)

(9)

式中：Pb為樁端阻力；Sb為樁端位移；P0為樁頂荷載；S0為樁頂沉降。

前面推導了樁土荷載傳遞過程的微分方程，為準確反映大直徑灌注樁的荷載傳遞規(guī)律，需要確定合理的荷載傳遞函數(shù)。

2.2 樁側荷載傳遞函數(shù)的確立

荷載傳遞法的關鍵在于荷載傳遞函數(shù)的確定，目前確定荷載傳遞函數(shù)的方法主要有兩種：① 基于數(shù)據(jù)統(tǒng)計得到的經(jīng)驗公式；② 從樁土界面荷載傳遞機理出發(fā)分析得到的理論公式。經(jīng)驗計算公式基于工程現(xiàn)場試樁數(shù)據(jù)得到，可考慮到現(xiàn)場的實際場地地層和施工工藝條件，具有很高的可信度，但不便于進行機理分析。隨著灌注樁的大量運用，急需提出可考慮施工工藝、場地條件、樁體自身因素的理論公式。在實際情況下，樁土界面荷載傳遞過程中在發(fā)生相對滑移的同時也會在樁周土中形成如圖2所示的沉降漏斗，KeijeKuwajima在砂土中進行模型樁試驗得到的樁周土變形圖如圖3所示，試驗中所得的樁周土受荷影響區(qū)半徑與模型樁徑的比值rm/r0為4.3～4.7。rm/r0的比例可通過單剪試驗中的滑移比Sratio來確定，滑移比Sratio的定義是界面相對位移占總剪切位移的比例，具體如圖4所示。

(10)

式中:ds、dt和dd如圖4所示。dt為總剪切位移；ds為界面相對位移；dd為土體內(nèi)部剪切變化。

圖2 豎向受荷下樁土體系沉降分布圖

圖3 模型樁樁周土體變化圖

圖4 接觸面單剪儀測定的滑移比示意圖

Ressol采用大型單剪儀對5個粗糙度等級的黏性土與混凝土板接觸面進行試驗發(fā)現(xiàn)，粗糙度對滑移比的影響沒有明顯規(guī)律。不考慮泥皮效應時的5個接觸界面的平均滑移比為0.75，考慮泥皮效應后滑移比下降到0.38(斑脫土泥皮)或0.45(聚合物泥皮)。實際情況下樁周土受荷影響區(qū)半徑可調(diào)整為：

rm=2.5Lρ(1-υs)(1-Sratio)

(11)

式中：L為樁長；ρ為非均勻因素；υs為土泊松比。

對于受荷單樁，樁土界面處的相對位移S與界面剪應力τ0和樁周土體的剪切模量G有關：

(12)

2.3 樁端荷載傳遞函數(shù)

目前樁端荷載傳遞函數(shù)常用的有拋物線形模型、指數(shù)形模型、理想彈塑性模型、三段線性模型。蔣建平發(fā)現(xiàn)樁端阻力隨樁端位移的變化主要有3種類型：線彈性模型、雙線性硬化模型和理想彈塑性模型。并認為理想彈塑性模型主要對應于樁端刺入破壞，而線彈性模型和雙線性硬化模型對應于樁端整體剪切或局部剪切破壞。然而無論是彈塑性模型還是雙線性硬化模型都必須確定臨界塑性位移值，而這個取值范圍很大。Hirayama得出臨界樁端位移為16～31倍樁徑；而李富文得出為15 倍樁徑，姜立新得出的則大于40 mm。相應這些值都要比樁側阻力所需的極限位移大很多，樁端土荷載發(fā)揮不是該文研究的主要重點，所以該文樁端荷載傳遞函數(shù)采用最簡單的線彈性模型：

qb=kbSb

(13)

式中：qb為端阻力;Sb為樁端位移;kb為樁端土抗力剛度系數(shù);Randolph建議由Boussinesq公式得出：

kb=4Eb/rb(1-υ)

(14)

式中：Eb為樁端土彈性模量；rb為樁徑；υ為樁端土泊松比。

3 模型試驗驗證

依據(jù)潮惠高速公路項目工程現(xiàn)場勘察資料并結合室內(nèi)試驗條件，根據(jù)相似理論確定模型土相應土性指標理想值，通過大量試驗摸索掌握各組分對人工土土性指標的影響，并據(jù)此不斷調(diào)整配比使人工土相應指標趨于理想值。最終確定模型試驗黏性土的配比方案如表1所示，基本土性參數(shù)見表2。

表1 人工土配料及配比

表2 模型試驗黏性土參數(shù)

模型土的裝填、模型樁的設計、加載方案以及模型樁成樁過程同砂土中灌注樁的室內(nèi)模型試驗。

將黏性土中模型樁試驗中的模型參數(shù)代入荷載傳遞法中計算，計算結果與試驗結果對比如圖5所示。模型樁樁土界面強度參數(shù)取為相應模型土參數(shù)的80%，S1、S2、S3和S4模型樁的泥皮厚度分別為0.10、0.44、0.75和0.87 mm，剪切帶厚度為1.5 mm。將4根樁的數(shù)據(jù)與計算曲線相對比，發(fā)現(xiàn)除個別數(shù)據(jù)(S1和S4模型樁后半段)有一定差異，是由于樁端荷載傳遞函數(shù)采用線彈性模型所導致，整體上計算曲線能真實反映模型樁豎向受荷過程。

圖5 模型試驗樁Q-S數(shù)據(jù)與計算值對比

4 影響因素分析

鉆孔灌注樁在施工過程中，由于要在樁位處鉆孔，從而使得土體側向先要卸載，成孔的時間越長，孔壁受孔外側土體側向壓力作用時間越長，孔壁向內(nèi)側的變形也會越大；其次，鉆孔灌注樁采用泥漿護壁，實際上泥漿除了具有護壁功能外，還具有排渣及清孔功能。就護壁功能而言，泥漿與地基土形成泥皮，泥皮一方面起到保護孔壁不坍塌的作用，另一方面又起到泥漿與土層相互滲透的隔斷作用。然而，由于泥皮的存在，勢必導致樁的承載力與原土層的不同；再者，鉆孔灌注樁在成孔階段，由于使用的成孔設備不同、或相同成孔設備在各土層中鉆進速度不同，均會造成成孔后的孔壁粗糙度不同，而不同的孔壁粗糙度對樁的承載能力有著顯著的影響，因此，該文主要從鉆孔時泥漿重度(成孔卸荷)、鉆孔泥皮厚度及樁土界面粗糙度3個方面分析對樁承載特性的影響。

為了進行影響因素分析，以下算例中的基本參數(shù)為：樁長40 m、樁徑1 m、樁彈性模量30 GPa；樁周土初始狀態(tài)參數(shù)：w0=20%、c=20 kPa、φ=19°、G=30 MPa；飽和狀態(tài)參數(shù)為：wsat=27.32%、csat=3.603 kPa、φsat=8.75°、Gsat=20 MPa。參照張廣興得出的結論，泥皮內(nèi)摩擦角取黏性土的80%，泥皮黏聚力取黏性土的78%。

4.1 鉆孔時泥漿重度(成孔卸荷)對樁承載特性的影響

灌注樁在鉆孔施工過程中柱形土體被鉆取，為了防止孔壁坍塌和嚴重縮徑，采用泥漿護壁工藝，而孔內(nèi)泥漿一定程度上緩解了孔周土體的卸荷效應。但是考慮到鉆進效率，孔內(nèi)泥漿重度不可能太大，所以孔周土體不可避免會發(fā)生卸荷縮徑。卸荷縮徑中的塑性位移部分無法恢復，所以在灌注混凝土過程中，即便混凝土側壓大于土體靜止土壓力，孔壁也還是有一部分塑性位移?；诖嗽颍撐膶Τ煽仔逗蓵r不同泥漿重度的承載形狀進行了分析。

為了單獨分析成孔卸荷對灌注樁承載性狀的影響，在此不考慮泥皮的影響。成孔時不同泥漿重度對應的灌注樁(樁徑1 m)Q-S曲線如圖6所示。

圖6 成孔時泥漿重度對樁Q-S曲線的影響

由圖6可知：4種泥漿重度對應的單樁Q-S曲線基本走勢相同，沉降小于20 mm時荷載與沉降近似呈直線關系，樁頂沉降為20～60 mm時呈曲線，當樁頂沉降大于60 mm后荷載與沉降又近似呈直線，樁頂沉降大于60 mm的直線具有一定斜率沒有出現(xiàn)陡降主要是由于樁端荷載傳遞采用線彈性模型所至。由于無法精確從圖中判讀出單樁豎向極限荷載值，所以根據(jù)JGJ 106—2003《建筑樁基檢測技術規(guī)范》中第4.2.2規(guī)定，取樁頂沉降為0.05D(D為樁徑)時對應的荷載值為單樁豎向極限承載力。從圖中讀取的成孔時泥漿重度為10、10.5和11 kN/m3對應的單樁豎向極限承載力分別為8 257.78、8 825.51和9 413.28 kN。而當泥漿重度增至12 kN/m3時，可知卸荷不太明顯，所以得出的單樁豎向極限承載力最大，為11 478.67 kN。采用靜止土壓力計算樁側阻力的計算方法得到的Q-S曲線為圖6中虛線，采用靜止土壓力計算樁側阻力時得到的單樁豎向極限承載力為9 655.69 kN，比泥漿重度為10、10.5和11 kN/m3時的單樁豎向極限承載力要大，比泥漿重度為12 kN/m3時要小。泥漿重度為10、10.5、11、12 kN/m3時的單樁豎向極限承載力分別為以靜止土壓力計算樁側阻力所得的荷載傳遞法的單樁豎向極限承載力的85.52%、91.40%、97.49%和118.88%。

由于所編的荷載傳遞程序是由底向上進行荷載的傳遞，該文分別選取樁端位移為1、5、10、20、50和100 mm時的樁軸力和樁側阻摩阻力進行分析。當樁端位移為1 mm時，樁端和樁側位移都很小，樁土界面摩擦處于彈性，所以軸力沿樁身基本呈直線分布。而樁側摩阻力則呈現(xiàn)出中間大兩頭小的非對稱分布模型，最大側阻力位置在樁頂往下10 m左右。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因主要是樁頂往下深度越大，樁土界面接觸應力相應增大，對于不同泥漿重度的條件下，只是增長的效率不同而已，相應樁土界面的極限側阻力也就越大，如圖7所示，出現(xiàn)淺部的隨深度增長段，但深度越大，相應樁土界面相對位移會越小，激發(fā)出的樁土界面摩擦阻力也就越小，綜合這兩個因素考慮，所以出現(xiàn)了下部樁阻力隨深度減小或保持不變的分布情況。隨著樁端位移的加大，樁側阻力慢慢被激發(fā)出來，在淺部，由于極限側阻力較小，而且由于樁自身壓縮導致樁頂出現(xiàn)最大位移值，所以淺部樁土界面首先被激發(fā)并迅速達到極限值。而深部樁土界面處的樁側阻力是逐步激發(fā)的，只有當樁端位移達到一定值后，樁側阻力才全部激發(fā)出來。該文分析中取樁頂沉降為0.05D時的樁頂荷載為單樁極限承載力，從樁側阻力發(fā)揮曲線也可看出兩種情況下的樁側阻力差距很小，這也進一步驗證了取樁頂位移為0.05D對應的樁頂荷載為單樁極限承載力的正確性。在加荷后期(即樁端位移較大時)，考慮成孔卸荷時的樁側阻力分布在中上部有一個拐彎點，這主要是由于樁側極限側阻力沿深度的分布有一拐彎點，如圖7所示。不考慮成孔卸荷時，樁端位移從1～100 mm樁側阻力分布都較圓滑，沒有出現(xiàn)拐彎點。由圖7可知：成孔時泥漿重度越小，樁側阻力發(fā)揮越小，最終所能承受的樁頂荷載越小。

圖7 成孔時泥漿重度對樁極限側阻的影響

4.2 鉆孔泥皮厚度對樁承載特性的影響

在灌注樁施工過程中采用泥漿護壁，泥漿中水分在孔內(nèi)外壓差作用下向孔周土層滲濾。泥漿膠體中的微細固相顆粒凝聚于孔壁形成泥皮，這層泥皮壓縮模量小、抗剪強度低。構成樁土荷載傳遞的薄弱層，大大削減了樁的豎向承載能力。李小勇發(fā)現(xiàn)泥皮使樁豎向承載力最大降低50%；霍鳳民發(fā)現(xiàn)泥皮過厚的鉆孔樁側阻力下降近50%。因此，該文對不同泥皮厚度下樁承載特性進行分析。

為了分析泥皮厚度對單樁豎向承載特性的影響，該文以成孔泥漿重度為11 kN/m3為例，改變泥皮厚度，通過程序得出Q-S曲線、樁軸力和樁側阻力分布。圖8為泥皮厚度對單樁荷載沉降曲線的影響，如前面分析，仍然取樁頂沉降為0.05D時對應的荷載值為單樁豎向極限承載力。在不考慮泥皮時，單樁豎向極限承載力為9 413.28 kN，當樁土界面泥皮厚度分別為2、4、6、8和10 mm時，單樁豎向極限承載力分別降低到8 045.80、6 886.66、5 979.52、5 336.07和4 990.63 kN，分別為不考慮泥皮時單樁豎向極限承載力的85.47%、73.16%、63.52%、56.69%和53.02%。可見泥皮對灌注樁的豎向承載特性的影響相當明顯，應引起設計人員和施工單位的高度注意。

圖8 泥皮厚度對樁Q-S曲線的影響

泥皮越厚，樁側阻力越小。當樁端位移為1 mm和5 mm時，泥皮對樁身軸力和樁側阻力的影響不是特別明顯，隨著樁端位移的加大，深部樁土界面摩阻力慢慢被激發(fā)，同時淺部樁土界面摩阻力進入極限狀態(tài)，泥皮的影響顯現(xiàn)出來，泥皮嚴重降低了樁側阻力的發(fā)揮，這也可從樁端荷載分擔比的角度進行分析，如圖9所示，樁端位移相同條件下，泥皮越厚，樁端荷載分擔比越大，取樁端位移為50 mm時的樁端荷載分擔比作對比分析，不考慮泥皮時樁端荷載分擔比為9.20%，泥皮厚度為2 mm時樁端荷載分擔比為10.80%，而當泥皮增厚到10 mm時樁端荷載分擔比增加到17.56%。需要注意的是由于樁端采用線彈性模型，所以圖9顯示的樁端荷載分擔比并未出現(xiàn)陡變現(xiàn)象。

圖9 不同泥皮厚度對應樁端荷載分擔比

不同泥皮厚度對應的樁身各種極限側阻如圖10所示，由圖10可知：泥皮越厚，極限側阻力值越小，但變化規(guī)律是非線性的。以樁端處極限側阻力值為例(圖11)，從不考慮泥皮到泥皮厚度為2 mm，極限側阻力值急劇減小，隨著泥皮厚度的增大，極限側阻力值隨泥皮厚度的變化幅度越來越小。

圖10 泥皮厚度對樁極限側阻的影響

圖11 樁端處極限側阻力隨泥皮厚度的變化規(guī)律

4.3 樁土界面粗糙度對單樁承載特性的影響

與預制樁不同的是，灌注樁在成孔過程中由于鉆具不可避免發(fā)生晃動會造成樁土界面粗糙不平。趙春風以某高架道路一期工程為依托，對近萬根不同樁長、不同樁徑的灌注樁及旋挖成孔灌注樁中典型試樁進行現(xiàn)場孔徑測試，發(fā)現(xiàn)在同一工程、同一規(guī)格、同一持力層、同一測試方法的情況下，采用不同鉆機和鉆頭，會形成不同粗糙度的樁土界面，單腰帶鉆頭導向性能較差，對應的樁土界面類似于鋸齒狀，粗糙度較大。雙腰帶鉆頭導向性能相對較好，鉆進平穩(wěn)，容易保證鉆孔的垂直度，形成的樁土界面相對光滑。通過大型結構面剪切試驗發(fā)現(xiàn)，界面粗糙度越大對應的界面剪切強度越高?；诖嗽?，該文開展粗糙度對單樁承載特性的分析。

基于大型結構面剪切試驗結果，采用如圖12所示的規(guī)則界面，通過改變鋸齒齒高來量化粗糙度，并建立了考慮粗糙度的樁側荷載傳遞函數(shù)，得出的灌注樁荷載沉降曲線如圖13所示(算例中成孔時泥漿重度為11 kN/m3，沒有考慮泥皮)，樁土界面量化后的鋸齒越高，相同樁頂沉降對應的豎向荷載值越大。

圖12 界面鋸齒示意圖

取樁頂沉降為0.05D時的樁頂荷載值為單樁豎向極限承載力。當鋸齒齒高為0，即界面完全光滑時，從圖13中讀取的灌注樁單樁豎向承載力值為9 413.28 kN，而當鋸齒高h為2、4、6、8和10 mm時，對應的灌注樁單樁豎向承載力值分別為9 794.65、10 169.80、10 556.46、10 906.56和11 238.94 kN。與界面完全光滑條件下的對應值相比，單樁豎向承載力值分別增加了4.05%、8.04%、12.14%、15.86%和19.39%，可見界面粗糙度對樁豎向承載特性的發(fā)揮有利。

圖13 界面粗糙度對灌注樁Q-S曲線的影響

樁土界面粗糙度主要是通過影響樁周側阻力的分布來間接影響樁身軸力。加荷初期(樁端位移較小時)，樁端位移為1、5和10 mm對應的樁身軸力和樁周側阻力受樁土界面粗糙度影響很小，只有當樁土界面相對位移較大時，界面粗糙度對樁側阻力的增大效應才得以體現(xiàn)。樁土界面越粗糙，樁側極限側阻力值越大(圖14)，通過文獻分析可知，樁側極限側阻力并不會隨著界面粗糙度無限制的增長，當量化的鋸齒齒角大于45°以后，樁土界面剪切破壞面發(fā)生在土體內(nèi)部，粗糙度繼續(xù)增加不會改變樁側極限側阻力。而實際工程中的灌注樁樁土界面經(jīng)過量化后的鋸齒齒角極少大于45°。

圖14 界面粗糙度對樁側極限側阻力的影響

5 結論

基于提出的荷載傳遞函數(shù)對灌注樁承載性狀進行分析，研究了灌注樁施工過程中泥漿重度、泥皮厚度、樁土界面粗糙度等因素對灌注樁豎向承載特性的影響，得出如下結論：

(1)灌注樁成孔過程中，泥漿重度越小，卸荷效應越明顯，縮徑越嚴重，最終得到樁土界面徑向應力也就越小，豎向承載過程中，樁側所能提供的摩擦阻力也越小。規(guī)范中采用靜止土壓力計算樁極限側阻與實際情況不相符，沒有考慮到成孔卸荷效應，實際情況下的樁土界面徑向應力大部分情況下比靜止土壓力要小，而在泥漿重度較大的情況下，樁土界面徑向應力則大于原始土側壓。

(2)成孔過程中樁土界面產(chǎn)生的泥皮影響了樁側阻力的發(fā)揮，泥皮越厚，樁側極限側阻力越小，樁端情況相同時所能提供的單樁豎向承載力越小。當樁土界面泥皮厚度達10 mm時，單樁豎向承載力僅為不考慮泥皮時單樁豎向承載力的53.02%。

(3)與泥皮相比，灌注樁在成孔過程中孔內(nèi)鉆具晃動造成的粗糙孔壁則有利于灌注樁豎向承載性能的發(fā)揮?？妆诖植诙戎苯佑绊懙阶罱K樁土界面的界面摩擦角，量化后的樁土界面鋸齒齒高越高，樁土界面所激發(fā)的樁側阻力越大，最終得到的灌注樁單樁豎向承載力越大。