考慮次固結(jié)的吹填土單樁負摩阻力計算研究

劉洋 LIU Yang；胡慧峰 HU Hui-feng；毛雨薇 MAO Yu-wei；俞嘉輝 YU Jia-hui；周東杰 ZHOU Dong-jie

（寧波市電力設計院有限公司，寧波315211）

0 引言

隨著全面建設小康社會的目標實現(xiàn)，也開啟了實現(xiàn)共同富裕的新征程，社會經(jīng)濟發(fā)展對各類土地資源的需求也進一步加大。圍海造田已成為解決沿海地區(qū)土地供給的有效途徑之一，如海上機場、沿海碼頭、海底隧道和沿海城市等。近年來，我國沿海城市持續(xù)大量投資于土地圍墾項目。到2019 年，中國通過圈地的方式形成了3200 多平方公里的土地。

一般來說，圍海造地的理想材料自然是砂石填埋，但開荒和填海的成本很高，由此造成的山地過度開發(fā)和環(huán)境問題也越來越嚴重。為保持生態(tài)健康發(fā)展，踐行“綠水青山就是金山銀山”的兩山理論，國家規(guī)定，禁止任意開采砂石，這就使得填海造地的原料變得稀缺。正是這種現(xiàn)狀催生了一種新的土地復墾方式-吹淤，將大量難以處理的疏浚泥漿及建筑渣廢土作為吹淤填土材料，變廢為寶。[1-2]

在吹填土地上進行地基預處理時，常采用排水板以及樁基加載或真空預壓等的多種方式進行預處理工作，但由于沿海地區(qū)地質(zhì)狀況多樣，存在海床淤泥等多種類型的軟土地基，進行吹填場地地基預處理后的施工后沉降依舊很大。與此同時，地基處理對于后期的建筑結(jié)構(gòu)的建設仍然是必需的，其中樁基被廣泛采用，因其承載力高、施工快捷、成本低、對不同地質(zhì)條件適應性強。但吹填造陸方式導致了吹填區(qū)域土層中存在如淤泥質(zhì)土、淤泥等厚度比較大的軟弱土層，且建設過程中這些土層尚未完成自重及堆載下的固結(jié)過程。樁周土層沉降會導致樁側(cè)產(chǎn)生負摩阻力，必須考慮這些樁側(cè)負摩阻力對樁基承載力的影響。對于吹填軟弱土地基上的樁基，當樁周土層產(chǎn)生的沉降量超過樁基的沉降量，土體對樁會產(chǎn)生一個下拉荷載，這就是所謂的樁側(cè)樁側(cè)負摩阻力，樁側(cè)負摩阻力致使樁基荷載增加，荷載抗力減小，沉降增大，嚴重還會影響到建各類建筑結(jié)構(gòu)的正常使用甚至結(jié)構(gòu)安全。[3-7]

據(jù)已有工程中出現(xiàn)的情況，如果在軟弱地基變形設計計算中未考慮場地吹填土次固結(jié)過程中時變沉降效應，設計計算結(jié)果會出現(xiàn)與實際工程產(chǎn)生較大偏離，從而影響上建各類建筑結(jié)構(gòu)的后期運維。目前在估算軟基沉降時很少考慮場地吹填土次固結(jié)時變沉降，且規(guī)范多沒有考慮場地吹填土次固結(jié)時變效應進行樁側(cè)負摩阻力的計算方法。[8-10]

有鑒于此，本研究主要目的在于提供一種考慮場地吹填土次固結(jié)時變效應的吹填土單樁樁側(cè)樁側(cè)負摩阻力計算方法，該方法通過對場地吹填土進行一維場地吹填土次固結(jié)試驗，獲得孔隙比-時間對數(shù)（e-lgt）曲線，利用曲線擬合獲得場地吹填土次固結(jié)系數(shù)及相應計算參數(shù)，計算任意時刻的場地吹填土次固結(jié)時變沉降量，獲得樁側(cè)樁側(cè)負摩阻力中性點位置，并進一步計算得到總的樁側(cè)樁側(cè)負摩阻力。

1 負摩阻力產(chǎn)生的原因及條件

按照基礎的受力原理大致可分為摩擦樁和承載樁。摩擦樁是當?shù)鼗鄙賵杂驳某休d層或承載層較深時，主要利用地層與樁基的摩擦力來承載垂直荷載的樁。端承樁是當樁基底部坐落于承載層上，主要依靠樁端承載力來承受豎向荷載的樁。

沿海地區(qū)大部分都屬于軟弱地基。一般說來，樁基承受向下的豎向荷載，樁與樁側(cè)土的摩擦提供向上的支撐力，從而達到受力的平衡。但某些特殊情況，會有負摩阻力的現(xiàn)象產(chǎn)生。當樁穿過軟土和軟弱地基土層并達到堅實土層，樁側(cè)軟弱土層上有豎向荷載作用（如路基填土），導致樁周土層的壓縮下沉量大于樁的豎向位移值（包括樁身壓縮和樁端下沉），或土層中地下水位下降引起地面大面積下沉，而使土層的壓縮下沉速度大于樁身的下沉速度時，壓縮土層對樁身產(chǎn)生向下的負摩阻力。負摩阻力產(chǎn)生主要有以下幾個條件：①樁穿越較厚松散填土、自重濕陷性黃土、欠固結(jié)土、液化土層進入相對較硬土層時；②樁周存在軟弱土層，臨近樁側(cè)地面承受局部較大長期荷載或地面大面積堆載時；③降低地下水位使樁周土有效應力增大、并產(chǎn)生顯著壓縮沉降時。

負摩阻力的產(chǎn)生，會削弱樁基的承載能力，如果設計樁基時沒有注意到這一點，那將會對構(gòu)造物的安全性和穩(wěn)定性帶來極大的安全隱患。在前期設計計算時，要仔細搜集地質(zhì)資料，充分考慮到樁側(cè)填土將會遇到的荷載情況。

2 考慮場地吹填土次固結(jié)時變效應的吹填土單樁樁側(cè)樁側(cè)負摩阻力計算原理

首先，對固結(jié)儀進行加高土盒護環(huán)至8cm 的改造。然后按照固結(jié)試驗要求，利用改進后的固結(jié)儀進行場地吹填土的一維場地吹填土次固結(jié)試驗，直至土體變形恒定。將試驗獲得的孔隙比-時間對數(shù)曲線（圖1）的拐點為主場地吹填土次固結(jié)階段的分界點，分界點時刻記為主固結(jié)結(jié)束時間tp。同時，在一維此估計固結(jié)試驗中，通過對土體進行分級加載固結(jié)，計算其壓縮系數(shù)Cc。

取場地吹填土次固結(jié)階段孔隙比-時間對數(shù)e-lgt曲線首尾兩個時刻，按式（1）計算場地吹填土次固結(jié)系數(shù)Cai。

計算得到上述結(jié)果后，利用式（4）的曲線與場地吹填土次固結(jié)階段孔隙比-時間對數(shù)e-lgt 曲線進行擬合，確定常數(shù)m。

將上述計算得到參數(shù)代入任意時刻土體考慮場地吹填土次固結(jié)變形的總變形量計算公式（5），計算得到特定時刻的吹填土總變形量。

式中，t 為場地吹填土次固結(jié)開始到計算時刻的時間（s），e0為初始孔隙比，et為計算時刻的孔隙比，H 為土層厚度。

在確定吹填土總變形量后，將其代入式（6），得到特定時刻的考慮吹填土場地吹填土次固結(jié)時變發(fā)展的樁側(cè)樁側(cè)負摩阻力中性點位置。

式中，Sd為吹填土總變形量，Sg為單樁整體沉降量，L為樁體長度。

確定中性點位置后，就可以計算得到特定時刻的考慮吹填土場地吹填土次固結(jié)時變發(fā)展的樁側(cè)樁側(cè)負摩阻力，如式（7）所示。

式中，R 為樁身外半徑，D 為中性點位置，k0為靜止側(cè)壓力系數(shù)，φ 為內(nèi)摩擦角，γ 為土層平均重度。

3 吹填土一維場地吹填土次固結(jié)試驗方法

固結(jié)試驗是土樣在側(cè)限條件下孔隙水逐漸排出，土體不斷被壓密的過程，根據(jù)土樣的固結(jié)試驗可以獲得土的壓縮性指標。場地吹填土次固結(jié)過程一般是指發(fā)生在土體主固結(jié)階段結(jié)束以后的固結(jié)階段，通常也被認為是主固結(jié)過程的一種延續(xù)。

根據(jù)次固結(jié)階段的特點，場地吹填土次固結(jié)試驗與普通固結(jié)試驗存在相同的儀器設備、土樣要求和制樣方法等。因為場地吹填土次固結(jié)過程一般是指發(fā)生在土體主固結(jié)階段結(jié)束以后的固結(jié)階段，因此次固結(jié)試驗與普通固結(jié)試驗存在相應的不同要求，具體如下：

①固結(jié)試驗持續(xù)時間：場地吹填土次固結(jié)過程是主固結(jié)過程的一種延續(xù)，其特點是土體結(jié)構(gòu)調(diào)整是一個長時間的蠕變變形過程，故一般場地吹填土次固結(jié)試驗持續(xù)的時間要遠大于按照規(guī)范規(guī)定室內(nèi)普通固結(jié)試驗的24 小時，通常應按照兩次讀數(shù)的差值判斷次固結(jié)過程是否充分，并判定次固結(jié)試驗結(jié)束。

②固結(jié)變形讀數(shù)精度要求：場地吹填土次固結(jié)變形是一個緩慢的蠕變過程，其固結(jié)變形遠小于主固結(jié)階段，但現(xiàn)有固結(jié)儀只能自動記錄24 小時內(nèi)固結(jié)試驗讀數(shù)，因此需要人工讀取記錄次固結(jié)階段變形測量數(shù)據(jù)。但是由于場地吹填土次固結(jié)變形不明顯，因此讀數(shù)精度0.01mm的百分表無法精確測量其次固結(jié)變形。所以在固結(jié)試驗在進入次固結(jié)階段后，需要改用千分表測量次固結(jié)階段的變形。

③固結(jié)變形讀數(shù)時間點選擇：根據(jù)土體性質(zhì)特點，場地吹填土次固結(jié)試驗持續(xù)的時間各不相同，在進行次固結(jié)試驗時要根據(jù)具體土樣特性選取讀數(shù)時間點。

4 對最大樁側(cè)負摩阻力計算結(jié)果的探討

先前研究表明，樁側(cè)負摩阻力是樁側(cè)土剪切，與樁側(cè)剪切應力的狀態(tài)密切相關，而樁側(cè)剪切應力取決于與樁身周圍土體粘聚力，先前研究假設打樁過程中樁周土體受到極大擾動，導致粘聚力降低明顯，故假設不存在樁周土粘聚力，因為計算過程中未考慮c 值影響。但是粘聚力是粘土特性，且樁側(cè)負摩阻力對各因素影響靈敏，因此計算樁側(cè)負摩阻力時完全忽略粘聚力是不合適的。因此本文認為算樁側(cè)負摩阻力時應根據(jù)摩爾庫侖極限平衡理論考慮樁側(cè)土體剪切極限狀態(tài)產(chǎn)生剪應力，即：

5 工程計算實例

某建筑項目站址原始地貌為平原（沖積成因），原為魚塘及水田，后經(jīng)改造現(xiàn)站址北部為魚塘，南側(cè)為荒地和種植經(jīng)濟作物的農(nóng)田。場地自然高程（1985 國家高程）為1.82～3.52m。根據(jù)施工圖設計階段巖土工程勘測報告得知，站址場地下存在厚度為17.22～25.32m 不等的淤泥層，分布較廣，平均厚度為19.80m，包括平均厚度約12m 的流塑性淤泥及平均厚度約6.5m 的淤泥質(zhì)土，計算得知項目工程整個場地需填砂厚度約為5.50m，其中未考慮固結(jié)下沉深度。根據(jù)規(guī)范和相關工程經(jīng)驗，我們對本工程的地基分兩步處理，先采用塑料排水板堆載預壓，堆載預壓持續(xù)期長達2 年，場地中的軟弱淤泥層經(jīng)過上述方法的處理，沉降大概可完成預計總沉降的百分之八十至百分之九十，但經(jīng)過堆載預壓處理之后，項目地基的承載力仍無法達到建構(gòu)筑物的標準，于是設計再采用摩擦型端承預制管樁基礎處理主要建構(gòu)筑物的地基，要求樁基穿過軟土層到達持力層（粗砂層），以滿足承載力要求。目前該工程已完成施工，安全投產(chǎn)運行。

在中性點深度計算結(jié)果方面，試樁1（40m 樁長）采用樁基規(guī)范（JGJ94-2008）、場地實測值、本研究計算方法三種方法計算結(jié)果分別為28.4m，21.0m，22.0m；試樁2（35m樁長）計算結(jié)果分別為25.6m，20.0m，20.0m；試樁3（26m樁長）計算結(jié)果分別為23.6m，19.0m，19.0m。

將樁基規(guī)范（JGJ94-2008）和本研究計算方法的結(jié)果與場地實測值進行比較。從表可知，根據(jù)樁基規(guī)范（JGJ94-2008）計算出樁側(cè)負摩阻力結(jié)果是現(xiàn)場場地實測值及本研究計算的大約3~4 倍?？梢?，采用本研究方法計算的樁側(cè)負摩阻力能基本正確的反映出實際工程中樁側(cè)負摩擦力情況，兩者結(jié)果偏差不超過14%，同時本研究方法結(jié)果相對現(xiàn)場場地實測結(jié)果略偏大，其計算結(jié)果是安全的。

表1 各種方法計算樁側(cè)負摩擦力結(jié)果對比

我們對樁基負摩阻力的認識仍存在很多未知區(qū)域，近年來發(fā)生的一些工程事故，都是在軟弱土層采用下臥硬層土或巖的端承樁，設計人員通常采用現(xiàn)場試樁承載力的數(shù)據(jù)，再乘以安全系數(shù)，可是這些樁基后來都受到不同程度的破壞。分析其主要原因，是樁周土對設計采用的樁基礎產(chǎn)生負摩阻力，從而引起下拉荷載，在一定程度上影響了樁基承載力和樁基沉降量，對樁身造成破壞。負摩阻力的問題已逐步引起大家的重視，《建筑樁基技術規(guī)范》（JGJ 94-1994）第一次將負摩阻力列入規(guī)范，并為設計人員解答了一些計算負摩阻力的疑惑。

6 結(jié)論

據(jù)已有工程中出現(xiàn)的情況，如果在軟弱地基變形設計計算中未考慮場地吹填土次固結(jié)過程中時變沉降效應，設計計算結(jié)果會出現(xiàn)與實際工程產(chǎn)生較大偏離，從而影響上建各類建筑結(jié)構(gòu)的后期運維。目前在估算軟基沉降時很少考慮場地吹填土次固結(jié)時變沉降，且規(guī)范多沒有考慮場地吹填土次固結(jié)時變效應進行樁側(cè)負摩阻力的計算方法。

本研究的主要目的在于提供一種考慮場地吹填土次固結(jié)時變效應的吹填土單樁樁側(cè)樁側(cè)負摩阻力計算方法。本研究提供的考慮場地吹填土次固結(jié)時變效應的吹填土單樁樁側(cè)樁側(cè)負摩阻力計算方法，利用加高土盒護環(huán)改進的固結(jié)儀進行場地吹填土的一維場地吹填土次固結(jié)試驗，并通過試驗獲得的孔隙比-時間對數(shù)曲線準確區(qū)分土體的主場地吹填土次固結(jié)階段，以及場地吹填土次固結(jié)系數(shù)，進而計算得到更為精確的樁側(cè)樁側(cè)負摩阻力及其中性點位置。該研究成果可為快速成陸的吹填場地基樁工程設計和施工提供參考。