一種可消除樁基負(fù)摩阻力的傘桿樁

楊慶 YANG Qing；歐明喜 OU Ming-xi；陳穎輝 CHEN Ying-hui

（①昆明理工大學(xué)建筑工程學(xué)院，昆明 650500；②石家莊晶石建筑工程技術(shù)有限公司，石家莊 050000）

0 引言

隨著我國(guó)進(jìn)入高質(zhì)量發(fā)展階段，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)也越來(lái)越高，樁基礎(chǔ)被廣泛應(yīng)用于高層建筑或者柱間距較大的工業(yè)建筑中。樁基礎(chǔ)屬于深基礎(chǔ)的一種，受到樁側(cè)和樁端土的性質(zhì)影響較大。當(dāng)樁基越長(zhǎng)時(shí)，樁側(cè)摩阻力提供的樁基承載能力的比例就越大。其中樁側(cè)摩阻力又分為兩種，土對(duì)樁產(chǎn)生的約束阻止樁下沉的力稱為正摩阻力，也就是通常所說(shuō)的樁側(cè)摩阻力；土對(duì)樁產(chǎn)生向下的拖拽使樁產(chǎn)生向下的位移的力稱為負(fù)摩阻力。負(fù)摩阻力對(duì)樁基承載產(chǎn)生不利的作用，沉降加大，嚴(yán)重的甚至?xí)斐山ㄖ锏顾痘?fù)摩阻力的問(wèn)題由來(lái)已久，國(guó)內(nèi)外對(duì)消除樁基負(fù)摩阻力的方法研究開(kāi)始于70 年代。李文華等通過(guò)從土力學(xué)樁土關(guān)系、有效應(yīng)力原理、土體固結(jié)等基方面進(jìn)行分析，提出了相應(yīng)的防治對(duì)策。毛黎明通過(guò)分析大面積填土下負(fù)摩阻力對(duì)樁基承載力的不利影響，提出了相應(yīng)的處理措施。盡管國(guó)內(nèi)外對(duì)樁基負(fù)摩阻力的研究在理論上取得了顯著的進(jìn)步，但是工程設(shè)計(jì)和施工中遇到的土多種多樣，土的離散性導(dǎo)致很多設(shè)計(jì)參數(shù)取值不準(zhǔn)確，因此，在實(shí)際工程中是以計(jì)算作為參考，以消除負(fù)摩阻力的方法和工藝為主來(lái)應(yīng)對(duì)此類工程問(wèn)題。本文通過(guò)闡述常見(jiàn)的消除負(fù)摩阻力的方法，結(jié)合實(shí)際工程案例來(lái)討論采用消除負(fù)摩阻力的傘桿樁法，并根據(jù)其原理計(jì)算后得出樁基承載能力有顯著的提高。

1 消除樁基負(fù)摩阻力的方法

現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)外關(guān)于消除樁基負(fù)摩阻力的方法多種多樣，大致可以分為以下五類：

①將中性點(diǎn)以上的樁基側(cè)表面的摩阻力消除。在套管外涂抹光滑的界面劑或者外套鋼管等施工工藝，可將樁與土接觸產(chǎn)生的摩擦力減小至忽略不計(jì)的計(jì)算條件，但是中性點(diǎn)以下的樁長(zhǎng)需要足夠的長(zhǎng)度，單樁在一般的情況下，由于鉆孔深度越深土層越堅(jiān)硬，造成沉樁困難，中性點(diǎn)以下的長(zhǎng)度難以達(dá)到計(jì)算要求，因此采取這類方法的樁基往往需要布置成群樁基礎(chǔ)。

②將樁基影響范圍內(nèi)的土進(jìn)行擠密或者固結(jié)沉降處理。處理后的土層產(chǎn)生的沉降小于樁基的沉降就達(dá)到了消除負(fù)摩阻力的效果，這種處理方法有兩種情況；一種是在沉樁之前先進(jìn)行土層的處理，但是帶來(lái)的不利影響就是土的密實(shí)度增加，給沉樁帶來(lái)了困難。另一種是先沉樁后進(jìn)行土的處理，在這種情況下，存在沉樁后且在土層處理前的瞬時(shí)沉降，這種瞬時(shí)沉降已經(jīng)對(duì)樁基側(cè)表面產(chǎn)生了一部分的負(fù)摩阻力。因此，在這兩種情況下均是既有利又有弊，選取先沉樁后處理土還是選擇先處理土后沉樁需根據(jù)土層性質(zhì)分析后確定。

③將承臺(tái)底下的樁基設(shè)置成群樁來(lái)削弱土對(duì)樁基的影響。例如將原先的四樁改為八樁，采用等體積代換。承臺(tái)面積不變，樁數(shù)變多，樁間距變小，樁間土的距離也變?。粯堕g土的距離小到一定的范圍后，土對(duì)于樁的約束作用大大減小，從而達(dá)到消除樁基負(fù)摩阻力的效果。此種方法最為簡(jiǎn)單，直接消除負(fù)摩阻力，但是樁數(shù)變多給施工帶來(lái)了許多工作量，施工作業(yè)時(shí)間變長(zhǎng)，對(duì)應(yīng)工期緊張的工程不適用。

④采用變截面樁來(lái)減小樁側(cè)摩阻力，增大樁端阻力。變截面樁有倒錐形、竹節(jié)形、土字形等；變截面樁在樁長(zhǎng)范圍內(nèi)所受到的摩擦力不是一個(gè)定值，而是沿樁長(zhǎng)變化的，根據(jù)不同樁長(zhǎng)位置所受力的不小不同，調(diào)整樁基截面使中性點(diǎn)以上樁與土的接觸面呈俯視角度，摩擦系數(shù)比樁與土呈豎直時(shí)的摩擦系數(shù)要小很多。在中性點(diǎn)以下設(shè)置多個(gè)竹節(jié)或者在樁端位置設(shè)置兩個(gè)端頭形成土字形樁來(lái)提高樁端摩阻力。這種方法工藝簡(jiǎn)單，但是當(dāng)樁徑較小時(shí)，樁徑變截面的幅度有限，難以達(dá)到需要的變截面要求；因此，變截面樁一般適用于大直徑樁的條件下。

⑤采用機(jī)械式樁來(lái)減小樁基側(cè)表面的摩擦力。機(jī)械式樁有履帶樁、擴(kuò)體擠密樁等；履帶樁是在樁基負(fù)摩阻段的樁側(cè)表面設(shè)置履帶，當(dāng)土對(duì)樁基側(cè)表面的履帶產(chǎn)生下拉荷載時(shí)，履帶也隨著土轉(zhuǎn)動(dòng)而樁基結(jié)構(gòu)本身不與土直接接觸便不會(huì)產(chǎn)生摩擦力。擴(kuò)體擠密樁是在樁基結(jié)構(gòu)側(cè)表面安裝擴(kuò)體擠密裝置，當(dāng)土產(chǎn)生向下的位移帶動(dòng)擴(kuò)體的外懸臂轉(zhuǎn)動(dòng)，外懸臂的轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)土又形成了擠壓從而來(lái)阻止土的下沉，也就減小了負(fù)摩阻力的作用。近幾年機(jī)械式樁多應(yīng)用于對(duì)樁基要求較高的工程，能夠有效地消除樁基負(fù)摩阻力，但是以上兩種樁型的機(jī)械式樁是沿著中性點(diǎn)以上全長(zhǎng)布置的，加工數(shù)量較多、工程造價(jià)偏高，難以廣泛地推廣應(yīng)用。本文結(jié)合實(shí)際工程案例，按照樁基負(fù)摩阻力產(chǎn)生的機(jī)理進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，提出和驗(yàn)證了另一種加工簡(jiǎn)便、只在中性點(diǎn)附近布置即可的機(jī)械式樁——類傘桿樁。

2 傘桿樁的研究

2.1 傘桿樁的工作原理

傘桿樁消除樁基負(fù)摩阻力的原理類似于雨傘桿，雨傘外套管滑動(dòng)至彈簧三角鋼片位置時(shí)雨傘撐開(kāi)且進(jìn)行鎖定。傘桿樁就是在樁的負(fù)摩阻段外套管且在中性點(diǎn)附近安裝類似于傘桿彈簧三角鋼片的裝置對(duì)外套管進(jìn)行固定。其工作原理是樁外套管隨著土的沉降而向下滑動(dòng)，直至土沉降穩(wěn)定后樁外套管正好滑動(dòng)至彈簧三角鋼片固定裝置附近，這個(gè)位置接近于中性點(diǎn)，消除負(fù)摩阻力后樁外套管通過(guò)彈簧三角鋼片固定裝置與樁基實(shí)體建立連接，二者共同工作一起提高樁側(cè)正摩阻力。傘桿樁工作原理如圖1。

圖1 傘桿樁工作原理圖

2.2 傘桿樁與履帶樁、擴(kuò)體擠密樁的對(duì)比

董建華等結(jié)合履帶的運(yùn)動(dòng)特性對(duì)荷載傳遞法進(jìn)行修正，推導(dǎo)出適用于新型樁的樁側(cè)正摩阻力以及負(fù)摩阻力分布函數(shù)，以及樁體沉降和考慮時(shí)間效應(yīng)的土體沉降計(jì)算公式，最終給出該新型樁的單樁豎向極限承載力計(jì)算方法。研究結(jié)果表明設(shè)置履帶樁后的中性點(diǎn)明顯上移，受到負(fù)摩阻力的樁段長(zhǎng)度減小，使單樁承載力大大提高。

本文考慮到樁的中性點(diǎn)具有時(shí)效性，沉樁后的前期中性點(diǎn)隨著時(shí)間的延長(zhǎng)而逐步向下。如何精確計(jì)算中性點(diǎn)位置也是學(xué)術(shù)界的一大難題。若彈簧三角鋼片固定裝置設(shè)置在中性點(diǎn)上方則不能有效地消除樁基負(fù)摩阻力；若彈簧三角鋼片固定裝置設(shè)置在中性點(diǎn)下方則會(huì)損失一部分樁基正摩阻力。因此，通過(guò)預(yù)估的中性點(diǎn)，在預(yù)估中性點(diǎn)上下分別設(shè)置1 組彈簧三角鋼片固定裝置，當(dāng)中性點(diǎn)在兩組固定裝置范圍內(nèi)上下移動(dòng)時(shí)，均能消除負(fù)摩阻力，且不影響正摩阻力的發(fā)揮。傘桿樁的彈簧三角鋼片固定裝置是一直伴隨著樁土相對(duì)位移而處于動(dòng)態(tài)變化的，只要有土相對(duì)于樁有向下的位移，彈簧三角鋼片固定裝置就會(huì)伴隨著土向下移動(dòng)，這樣一來(lái)同樣可以減少樁基負(fù)摩阻力的樁段長(zhǎng)度，中性點(diǎn)始終處在固定裝置位置或者固定裝置以上。

董建華等通過(guò)擴(kuò)體裝置擴(kuò)張的菱形孔擴(kuò)張模型，采用復(fù)變函數(shù)方法，求解了擴(kuò)體裝置擴(kuò)張的彈塑性解及極限擴(kuò)張角，推導(dǎo)出該新型樁的單樁極限承載力計(jì)算公式。得出，擴(kuò)體水平面積為2 倍～3 倍可有效消除樁基負(fù)摩阻力，且擴(kuò)體擠密后的樁基承載力能力與樁側(cè)土的性質(zhì)密切相關(guān)。傘桿樁應(yīng)用于超大直徑樁時(shí)，一般樁的水平面積為2 倍～3倍會(huì)引起較大的下拉荷載，下拉荷載對(duì)彈簧三角鋼片固定裝置的要求也會(huì)越高，構(gòu)造的彈簧三角鋼片固定裝置難以滿足承載力的要求，故須通過(guò)結(jié)構(gòu)計(jì)算進(jìn)行專項(xiàng)設(shè)計(jì)，選取合理的參數(shù)并結(jié)合其它工藝措施進(jìn)行節(jié)點(diǎn)加固。在傘桿樁的彈簧三角鋼片固定裝置完成固定后，還可結(jié)合其它消除負(fù)摩阻力的方法一起使用。例如將樁基影響范圍內(nèi)的土進(jìn)行擠密，使其正摩阻力增加。對(duì)樁側(cè)土注漿，漿液灌入土孔隙中提高其密度來(lái)改善土對(duì)樁基的約束作用。

3 工程實(shí)例

為了驗(yàn)證上述傘桿樁消除樁基負(fù)摩阻力的有效性，本文以某工程為例，對(duì)旋挖成孔灌注樁單樁基礎(chǔ)采用傘桿裝置和沒(méi)有采用傘桿裝置兩種情況進(jìn)行對(duì)比分析。樁徑1.2m，樁長(zhǎng)28m，樁頂豎向力為2000kN。地勘資料各土層物理力學(xué)指標(biāo)如表1。

表1 各土層物理力學(xué)指標(biāo)表

樁設(shè)計(jì)參數(shù)如表2。

表2 樁設(shè)計(jì)參數(shù)一覽表

各土層剖面如圖2。

圖2 土層剖面圖

式中：σ′—樁周土層平均豎向有效應(yīng)力；

p—大面積堆載；

γi—第i 層的重度，地下水位以下取有效重度；

ΔZi—第i 層的厚度；

?n—樁周土層樁側(cè)負(fù)摩阻力系數(shù)。

計(jì)算基樁豎向承載力特征值Ra：

樁基承載能力不能滿足要求。因此本工程在該旋挖成孔灌注樁中性點(diǎn)以上設(shè)置外套鋼管+彈簧三角鋼片固定裝置來(lái)計(jì)算基樁豎向承載力。該方案的基樁豎向承載力特征值Ra按如下計(jì)算：

經(jīng)計(jì)算在中性點(diǎn)以上設(shè)置外套鋼管+彈簧三角鋼片固定裝置后消除了負(fù)摩阻力，無(wú)下拉荷載作用，且計(jì)算基樁豎向承載力特征值Ra也由2268.5kPa 提高到了2477.5kPa，達(dá)到樁基承載能力要求。

4 傘桿樁與普通樁型的對(duì)比

在場(chǎng)地范圍內(nèi)進(jìn)行試樁，與檢驗(yàn)成果比較其理論計(jì)算值與測(cè)量值接近。經(jīng)過(guò)上述計(jì)算，可得到傘桿樁的承載力是普通樁承載力的n 倍。由于傘桿樁沒(méi)有下拉荷載的作用，普通樁仍然有下拉荷載，因此可用傘桿樁的特征值除以普通樁的特征值減去下拉荷載來(lái)計(jì)算n 值：

n=2477.5/（2268.5-345.9）=1.3 倍

5 結(jié)論

本文主要闡述了現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)外關(guān)于消除樁基負(fù)摩阻力的方法，并將其分為五類來(lái)探討其適用性。著重研究分析了機(jī)械式樁的工作原理來(lái)減小樁基側(cè)表面的摩擦力。

近幾年機(jī)械式樁多應(yīng)用于對(duì)樁基要求較高的工程，能夠有效地消除樁基負(fù)摩阻力。本文結(jié)合實(shí)際工程案例，按照樁基負(fù)摩阻力產(chǎn)生的機(jī)理進(jìn)行理論計(jì)算，提出和驗(yàn)證了另一種加工簡(jiǎn)便，只在中性點(diǎn)附近布置即可的機(jī)械式樁——類傘桿樁。

經(jīng)實(shí)際工程驗(yàn)證該傘桿樁可有效消除樁基負(fù)摩阻力，可為以后的工作提供參考。