傅建舟 李 強(qiáng)

0 引言

隨著國家海洋開發(fā)戰(zhàn)略的實施，我國沿海各省的臨港工業(yè)蓬勃發(fā)展，臨港建筑物的建造越來越多，這些建筑物大多建立于灘涂區(qū)圍墾造地上。圍墾區(qū)的建設(shè)用地多為沿海的灘涂、海塘等經(jīng)圍堰筑堤，通過吹填砂、沖填土、回填雜填土的方法形成陸域用地，上部有時還有人工所填的宕渣層，含有大量大粒徑的拋石等。這種場地地基，表層土質(zhì)疏松，其下分布著較厚的軟土，如淤泥或淤泥質(zhì)土。這些軟土一般是靜水或緩慢流水環(huán)境中沉積形成的，工程性質(zhì)很差。譬如，我國東南沿海地區(qū)存在大量海相沉積軟土，天然含水量高，大多呈流塑狀態(tài)，粘粒含量多，富含有機(jī)質(zhì)，結(jié)合水膜較厚，顆粒間聯(lián)結(jié)力弱，造成土的壓縮性大、靈敏度高、透水性差、固結(jié)慢等特點(diǎn)。沿海灘涂經(jīng)圍墾后形成建設(shè)用地，區(qū)內(nèi)土層常表現(xiàn)出典型的欠固結(jié)土特性。由于這類地區(qū)工程建造項目地基軟弱，大量使用樁基礎(chǔ)形式，目前常采用的樁型為預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝土管樁、鉆孔灌注樁等普通樁型。這類樁在使用過程中發(fā)現(xiàn)當(dāng)土層固結(jié)尚未完成時，有時還會因上部有較厚的回填層和較大的施工荷載產(chǎn)生固結(jié)，隨著土層固結(jié)的發(fā)展，樁身將產(chǎn)生較大的負(fù)摩擦力，給樁的設(shè)計和使用帶來隱患。此外，還存在軟土地層較厚時，欲達(dá)到足夠的設(shè)計承載力，樁所需長度很長，樁以端承樁為主，樁土摩阻力發(fā)揮較低，同時對于打入樁也常造成樁在打入過程中發(fā)生偏斜。因此有必要開展適宜于灘涂圍墾欠固結(jié)軟土地基的樁型的研究。

舟山群島典型地層分布是在表層雜填土之下，通常有一層厚度不等的淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土，厚度通常大于5 m以上，有的達(dá)數(shù)十米。由于這種土層的存在，上部在回填較厚的宕渣層后，或者受到施工擾動的影響，上部土層隨著時間的增長不斷固結(jié)壓縮，造成樁側(cè)產(chǎn)生負(fù)摩擦力，有時這一負(fù)摩擦可能較大，影響到基礎(chǔ)的沉降，從而給結(jié)構(gòu)帶來危害。因此開展減少負(fù)摩擦力的工程措施的研究十分必要。

1 樁基負(fù)摩擦力的產(chǎn)生與特性

樁的摩阻力是由于樁土之間的相對位移而產(chǎn)生的，當(dāng)樁的向下位移小于樁周土的向下位移時產(chǎn)生負(fù)摩阻力。樁的向下位移包括樁身的彈性壓縮和樁端土的沉降，樁周土的向下位移的產(chǎn)生有很多原因，譬如大面積堆載造成附加沉降、濕陷性黃土浸水沉降、多年性凍土發(fā)生融沉等。而在欠固結(jié)軟土地基中，主要是欠固結(jié)土的固結(jié)沉降產(chǎn)生了樁周土的向下位移。由于土層的固結(jié)隨深度變化，因此樁周土的沉降是變化的，在上部固結(jié)沉降較大，下部固結(jié)較小或可能已固結(jié)完成。當(dāng)樁的向下沉降與樁周土的向下沉降一致時，存在一個所謂的中性點(diǎn)，如圖1所示?？紤]到軟土的固結(jié)是隨時間變化的，因此中性點(diǎn)在軟土固結(jié)完成前也是變化的，當(dāng)沉降趨于穩(wěn)定時，中性點(diǎn)才相對固定下來。樁土的相對位移對于樁的承載性能發(fā)揮有著重要的影響，有時負(fù)摩擦力數(shù)值是相當(dāng)大的，對于樁的承載力和樁身軸力的影響都很明顯，特別是對于端承樁，最大軸力不是出現(xiàn)在樁頂，而是出現(xiàn)在中性點(diǎn)處，負(fù)摩阻力引起的樁身軸力增量會很大，可能降低樁身強(qiáng)度的安全度，甚至?xí)绊憳渡韽?qiáng)度的設(shè)計[1］。

圖1 樁身負(fù)摩擦力分布示意圖[1]

2 樁基負(fù)摩擦力消除方法

當(dāng)樁身上作用負(fù)摩擦力時是新的附加荷載，這一荷載在設(shè)計中往往并未考慮。在恒載和負(fù)摩擦力的作用下，使樁產(chǎn)生變形和沉降。如果外力超過樁材抗壓強(qiáng)度，將使樁產(chǎn)生破壞，如果外力超過樁尖地基極限承載力，則將使地基屈服破壞，影響結(jié)構(gòu)的安全。因此，應(yīng)慎重對待樁基負(fù)摩擦力，采取有效措施予以消除或減輕[2］。

欠固結(jié)土中樁身負(fù)摩擦力現(xiàn)象長期以來為工程界所熟知，但消除或減小樁身負(fù)摩擦力的有效辦法并不多，歸納來說主要有三類:地基處理法、界面處置法和樁基處置法。

地基處理法是通過采用各種地基處理手段預(yù)先使地基沉降或進(jìn)行地基加固，減少地基的后期沉降，從而減少負(fù)摩擦力的產(chǎn)生。對于高壓縮性地基，應(yīng)首先考慮采用強(qiáng)夯等方法加固地基，以增強(qiáng)地基強(qiáng)度，減少壓縮變形。但舟山地區(qū)上部地層大多為淤泥質(zhì)粘土層，采用強(qiáng)夯時若控制不當(dāng)，強(qiáng)夯效果不佳，常會出現(xiàn)“橡皮土”。其他地基處理方法如碎石樁、攪拌樁、預(yù)壓固結(jié)等方法也可考慮，但需注意工期和地基處理的成本控制。

界面處理法是消除樁側(cè)負(fù)摩擦力的一種有效措施，當(dāng)負(fù)摩擦力很大時，可考慮采用設(shè)置滑動層的方法，以降低負(fù)摩擦力，減少用樁量，確保建筑物的安全。設(shè)置滑動層法是在樁身采用滑動層來減少樁土間的相互位移，從而減少負(fù)摩擦力，如設(shè)置瀝青滑動薄層、樁身采用滑動外殼層或者在樁周充填膨潤土等方法。采用瀝青作為滑動層相對方便，也比較有效[3］，但不適用于含有粗粒土的地層，同時瀝青層對環(huán)境和地下水可能會產(chǎn)生潛在的危害[4］，而采用增加滑動外殼層造成工藝復(fù)雜，施工中一旦發(fā)生偏斜則會破壞外殼層，施工十分不便。另一種是采用樁側(cè)充填的方法減少負(fù)摩擦力，施工中可將樁頭擴(kuò)大10 cm左右，打樁后在樁周形成比樁身大的縫隙，往縫中灌膠質(zhì)泥以減少樁側(cè)阻力，該方法增加了工藝過程，可以在一定程度上降低負(fù)摩擦力，但同時也造成樁側(cè)正阻力減少，總體效果不佳[2］。

樁基處置法是直接在樁型或樁的布置中采取有效措施降低樁側(cè)負(fù)摩擦力的一種方法。在欠固結(jié)軟土地基中采用樁基礎(chǔ)時，常選用端承樁群樁基礎(chǔ)，一般僅當(dāng)持力層過深時，才選用摩擦樁基礎(chǔ)。群樁法是在樁基礎(chǔ)設(shè)計中采用較密的群樁，研究發(fā)現(xiàn)群樁效應(yīng)對于減少負(fù)摩擦力具有明顯的作用[5］，但群樁設(shè)置中的關(guān)鍵是樁間距，研究表明較小的間距可以取得更為有效的減少負(fù)摩擦的作用。在單樁獨(dú)立基礎(chǔ)時，有時為消除負(fù)摩擦，也可以在單樁周圍設(shè)置小樁來減小負(fù)摩阻力。此外，Masatoshi Sawaguchi[6］通過砂土模型試驗研究了楔形樁的負(fù)摩擦力，證明楔形樁具有減少負(fù)摩擦的作用，且楔角越大，這種作用越明顯，但其研究只針對砂土且機(jī)理分析不夠深入，欠固結(jié)軟土地基中楔形樁減小負(fù)摩阻力的研究尚需進(jìn)一步研究。

3 錐形樁減少樁基負(fù)摩阻力的原理分析

以端承樁為例，某錐形單樁呈一定的錐角埋置于欠固結(jié)地基中，當(dāng)?shù)鼗探Y(jié)沉降時，樁側(cè)土層沉降大于樁身變形，樁相對于土層有向上運(yùn)動的趨勢，樁側(cè)產(chǎn)生負(fù)摩擦力，同時由于樁呈錐形，樁向上運(yùn)動造成樁土出現(xiàn)分離的趨勢，因此樁土間的負(fù)摩擦力小于直樁，如圖2a)所示。當(dāng)采用錐形群樁時，由于樁與樁之間存在相互作用，抑制了樁間土的固結(jié)沉降，從而使樁側(cè)摩阻力減少，稱為土拱效應(yīng)，如圖2b)所示。群樁間的距離不宜過大，這樣有利于群樁土拱效應(yīng)的發(fā)揮。

圖2 錐形樁減少負(fù)摩擦力的原理示意圖

4 結(jié)語

結(jié)合舟山地區(qū)土層的分布特點(diǎn)，我們建議為有效防止灘涂圍墾區(qū)的欠固結(jié)軟土地基中樁基產(chǎn)生負(fù)摩擦力，可以采取錐形群樁，并在施工前采用強(qiáng)夯法預(yù)先處置，若不便采用強(qiáng)夯，可以考慮加密的群樁來消除負(fù)摩擦力。這里所提出的方法目前還缺乏現(xiàn)場實證，因此以此為出發(fā)點(diǎn)開展深入的理論和現(xiàn)場實證研究是非常必要的。

[1]夏力農(nóng)，王星華.帶負(fù)摩阻力樁基的設(shè)計與檢測[J］.巖土力學(xué)，2003，24(sup):491-494.

[2]唐業(yè)清.樁基負(fù)摩擦力的測定和降低方法[J］.工程勘察，1980(6):98-110.

[3]Jean-Louis Briaud.Bitumen selection for reduction of downdrag on piles[J］.Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering，1999，123(12):1127-1134.

[4]Albert T.Yeung，Rajan Viswanathan，Jean-Louis Briaud.Field Investigation of Potential Contamination by Bitumen-Coated Piles[J］.J Geotech.Engrg，1996，122(9):736-744.

[5]Lee C.Y.Pile groups under negative skin friction[J］.Journal of Geotechnical Engineering，1993，119(10):1587-1600.

[6]Masatoshi Sawaguchi.Model tests in relation to a method to reduce negative skin friction by tapering a pile[J］.Soils and Foundations，1982，22(3):130-133.