郅正華，張廣斌，冀智勇

(1.河北建設(shè)勘察研究院有限公司，河北 石家莊 050031;2.衡水市建設(shè)工程質(zhì)量監(jiān)督站，河北 衡水 050031)

1 前言

通常情況下較精確的樁身摩阻分析需要借助樁身應(yīng)力觀測，但造價通常較高，難以在實(shí)踐中推廣。除此之外還有根據(jù)Q－S曲線的形態(tài)特征分析樁身摩阻的幾何作圖法等，作圖法雖然簡單，但理論依據(jù)模糊，分析結(jié)果容易因人而異，故也得不到應(yīng)有的重視。本文根據(jù)加荷過程中樁身的應(yīng)力特征進(jìn)行了等效理論分析，推導(dǎo)出了根據(jù)Q－S曲線數(shù)據(jù)分析樁身極限摩阻的公式，通過f－Q曲線最大值點(diǎn)可以較準(zhǔn)確地確定樁身極限摩阻值和樁身等效單位摩阻值，同時可以通過f－S曲線的特征較精確地給出對應(yīng)于極限摩阻的樁頂位移量。

2 分析原理

實(shí)踐表明，當(dāng)某一荷載下樁身摩阻達(dá)到極限值時，隨著荷載的逐級增大，樁身各部位的軸力增量將基本一致，即開始出現(xiàn)軸力曲線的平行狀態(tài)，可據(jù)此獲得計算樁身等效摩阻的簡化公式并實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的分析，以下介紹推導(dǎo)過程。

圖1 計算用簡圖

在非極限荷載Qi作用下，設(shè)樁(樁長L)Li深度樁身軸力為零，并設(shè)樁側(cè)摩阻隨深度增加近似呈線性分布，則樁身壓縮量為(如圖1所示):

式中:Qi—分級荷載;

Fx—x深度處的總摩阻;

Li—荷載作用深度;

E—樁身等效彈性模量;

A—樁身橫截面積。

當(dāng)荷載未傳遞到樁底時，樁頂加載產(chǎn)生的沉降量即樁身壓縮量，Si對應(yīng)于載荷試驗(yàn)的實(shí)際觀測值。將式(1)變形可得到對應(yīng)于Qi的荷載作用深度Li，即:

在施加另一荷載Qi+1時，樁身總摩阻增加量:

新增荷載作用下產(chǎn)生的深度增量為Li+1－Li，設(shè)樁身直徑為d，則對應(yīng)的樁身側(cè)面積為△Bi=πd(Li+1－Li)，新增荷載主要由該深度增量范圍內(nèi)樁體以摩阻的形式承擔(dān)，區(qū)別于實(shí)際的樁身摩阻，將該方法計算的樁身摩阻稱為等效摩阻或視摩阻，即:

將式(2)代入上式并變形得到式(5)。

圖2 計算用簡圖

圖2分別為樁身摩阻達(dá)到極限值前后的等效軸力簡圖。當(dāng)樁頂荷載未達(dá)到極限值時，即圖2(a)，滿足αi＞αi+1，即等效摩阻值為表達(dá)式(5);當(dāng)某級荷載i之后樁身摩阻達(dá)到極限狀態(tài)時，樁身軸力增量等于荷載增量時，即圖 2(b)，則有 αi=αi+1，即=，此時式(5)可簡化為:

顯然，當(dāng)樁身摩阻達(dá)到極限狀態(tài)時，其等效摩阻值滿足式(6)的關(guān)系，根據(jù)式(6)可分別構(gòu)造出f－Q及f－S曲線。為了從f－Q或f－S的曲線特征點(diǎn)中識別出樁身極限摩阻的位置，需進(jìn)一步了解樁身摩阻達(dá)到極限狀態(tài)時的主要特征。根據(jù)樁身應(yīng)力觀測結(jié)果，當(dāng)樁身摩阻達(dá)到極限狀態(tài)時，會有兩種特征反應(yīng)。其一，當(dāng)樁身摩阻達(dá)到極限狀態(tài)時，隨著樁頂荷載的進(jìn)一步增大，樁身摩阻值將不再增大，甚至摩阻值會有所減小，即在f－Q曲線上，極限摩阻應(yīng)對應(yīng)于曲線上的最大值;其二，當(dāng)樁身摩阻達(dá)到極限狀態(tài)時，隨著樁身位移的繼續(xù)增大，樁身摩阻將出現(xiàn)下降(也稱鈍化或軟化)的現(xiàn)象，表現(xiàn)在f－S曲線上，最大值對應(yīng)的位移為極限摩阻時的位移。根據(jù)這兩個典型的特征反應(yīng)可在f－Q及f－S曲線上很方便地識別出樁身極限摩阻及其對應(yīng)的位移。

3 應(yīng)用示例

某工程試樁長52 m，樁徑1.0 m，設(shè)計強(qiáng)度C30，獲得的載荷試驗(yàn) Q－S曲線如圖3所示。已知 d=1.0 m，經(jīng)樁身實(shí)際標(biāo)定E=2.8×104MPa，根據(jù)三根試樁的Q－S曲線分別構(gòu)造用于輔助分析的f－Q、f－S曲線，計算結(jié)果如圖4、圖5所示。

圖3 Q－S曲線

圖4 f－Q 曲線

圖5 f－S 曲線

根據(jù)圖4中f－Q曲線特征，最大值清晰可辨，對應(yīng)f出現(xiàn)最大值的荷載可確定各樁的極限摩阻值分別為:Q1，us=6500 kN;Q2，us=9500 kN;Q3，us=8500 kN。另外，根據(jù)圖5中f－S曲線最大值點(diǎn)對應(yīng)的S值，可確定對應(yīng)于單樁極限摩阻力時的樁頂沉降量，本例中S1，us=11.28 mm，S2，us=9.86 mm，S3，us=8.83 mm。通過 f－S 曲線特征還可清晰地觀察到側(cè)阻的軟化現(xiàn)象，即樁身摩阻達(dá)到極限狀態(tài)時，隨著位移的增大，側(cè)阻將發(fā)生衰減的現(xiàn)象?？梢?，該方法用于分析樁身摩阻更加直觀便利。

4 應(yīng)用說明

應(yīng)用本方法時，有以下問題值得注意:

(1)盡管式(6)因式(5)變換而得，但式(5)僅用于計算加載過程中視摩阻沿深度的分布曲線，其與單樁極限摩阻的對應(yīng)關(guān)系是不確定的，因此僅有式(6)可用于單樁極限摩阻的輔助分析。

(2)等效摩阻或視摩阻不同于實(shí)際意義上的樁身單位極限摩阻，其與荷載作用深度有關(guān)，故f－Q或f－S曲線中f值并不簡單等價于對應(yīng)荷載或?qū)?yīng)沉降時的樁身實(shí)際單位極限摩阻值。

(3)當(dāng)樁身等效直徑、彈性模量等參數(shù)選取不當(dāng)時，所計算的f值會有明顯變化，但并不影響相應(yīng)曲線特征點(diǎn)的位置。

(4)對于摩阻所占比例較小的短樁以及端承性質(zhì)的樁，f－Q、f－S特征點(diǎn)不符合本文闡述的規(guī)律，因此不適于應(yīng)用本方法進(jìn)行樁身極限摩阻分析。

5 結(jié)語

根據(jù)樁的載荷試驗(yàn)獲得的Q－S曲線，進(jìn)一步轉(zhuǎn)化獲得用于輔助分析的f－Q、f－S曲線，根據(jù)其特征點(diǎn)可獲得樁身的極限摩阻力及其對應(yīng)的樁頂沉降值，此方法較之采用直接的應(yīng)力測試方法而言盡管較粗糙，但對于宏觀上掌握樁身的摩阻特征是有所幫助的，是一種定量分析樁身極限摩阻的可選方法。