謝 賓

(同濟大學地下建筑與工程系，上海200092)

0 引 言

樁基設計時，選取正確合理的樁側極限摩阻力和樁端極限端阻力標準值是非常重要的.上海地區(qū)規(guī)范中規(guī)定:對于樁身大部分位于淤泥質土中且樁端支撐于第⑤層土的預制樁，單樁豎向承載力宜通過靜載試驗確定;當采用規(guī)范中的推薦值時，宜取下限值并作適當折減. 對于折減的原因，條文說明中解釋可能是由施工因素引起.但同樣施工條件的預制樁，當樁端進入第⑦層強度較高的持力層時，樁側極限摩阻力和樁端極限端阻力標準值卻不用折減.顯然，將樁側極限摩阻力和樁端極限端阻力降低解釋為施工因素造成是缺乏說服力的.為了探求對于樁身大部分位于淤泥質土且樁端支承于第⑤層土的預制樁其承載力降低的原因，本文通過對現場樁基試驗對其進行解釋分析.

1 靜載荷現場試驗

1.1 工程概況

場地位于上海嘉定婁塘開發(fā)區(qū)，擬建建筑為廠區(qū)辦公樓，上部結構為框架結構. 該場地地處深厚軟土地區(qū)，地質剖面圖如圖1，土層物理力學性質指標見表1.

表1 土體物理力學性質指標

1.2 試驗方法

試驗場地打入兩根試驗樁基，分別編號為樁Z1 和樁Z2. 樁Z1 長為30m，以⑤2層砂質粉土為樁端持力層;樁Z2 長為16m，以⑤1-1層為樁端土層.制作時，在樁身里面埋設鋼筋計，其埋設的數量和深度依據樁孔柱狀圖及靜力觸探劃分的土層做決定，在土層分層附近或可能反映側摩阻力變化的部位埋設鋼筋應力計.同一斷面埋設2 個鋼筋應力計，縱向上各斷面的鋼筋計對焊在鋼筋籠的兩根主筋上.樁Z1 上，埋設7 組鋼筋計(樁頂一組供標定使用)，距離樁頂距離分別為0m，4.7m，7m，9.8m，19m，28.9m，29.5m;樁Z2 上埋設5 組鋼筋計，距離樁頂距離4.7m，6.8m，9.8m，12.8m，15.5m. 樁起吊就位，在打入前提起樁錘的狀態(tài)下測量一次鋼筋應力計讀數，然后將樁錘放在樁頂，再測一次鋼筋應力計讀數，留作軸力計算標定使用.

圖1 地質剖面圖

圖2 樁Z1 的荷載-沉降曲線

樁打入一個月后進行靜載荷試驗，試驗采用堆載提供反力，加載方式為慢速維持荷載法. 每級加載時觀測樁頂沉降，同時通過埋設在樁身內的鋼筋應力計，觀測計算樁身各斷面的應力應變.

2 試驗結果分析

2.1 樁的荷載-沉降關系

樁的荷載-樁頂沉降曲線見圖2 和圖3.

圖3 樁Z2 的荷載-橫軸沉降曲線

結果表明，樁Z1 的極限承載力為1920kN，對應的沉降為29.63mm;樁Z2 極限承載力480kN，對應沉降22. 63mm. 樁Z1 的承載性能明顯優(yōu)于樁Z2，主要表現在:首先樁Z1 的極限承載力遠高于樁Z2 的極限承載力;在相同的載荷情況下，如480kN 荷載時，樁Z1 的沉降只有2.5mm，而樁Z2的沉降達到22.63mm;當達到極限荷載后，樁Z1的荷載—沉降曲線的下降趨勢相對于樁Z2 的趨勢也較緩.

2.2 樁身軸力的分布情況

樁的軸力沿樁身的分布情況見圖4 和圖5.試樁Z1 樁端阻力分擔比為17%，因而樁Z1 屬于端承摩擦型樁;試樁Z2 的樁端阻力分擔比為7%，是摩擦型樁.圖4 中，樁Z1 軸力線比較陡，說明樁身軸力沿樁身向下衰減速度慢，也就是說樁側摩阻力小，對樁軸力的向下傳遞沒有多少“阻擋”作用.隨著荷載的不斷增大，曲線逐漸地變緩，這表明此時樁側阻力逐漸的發(fā)揮出來. 在較大荷載作用下，軸力曲線在樁端處出現了非常明顯的轉折，說明此處的側摩阻力突然增大.樁Z2 的軸力圖與樁Z1 的軸力圖有一些區(qū)別，首先是各軸力線在樁端附近匯聚，表示軸力基本上已由樁側摩阻力分擔;其次，隨著荷載的增加曲線出現斜臥的反“S”型，這說明樁側阻力的發(fā)揮由上至下有個先增后減的過程.

圖4 樁Z1 軸力沿樁身的分布情況

圖5 樁Z2 軸力沿樁身的分布情況

2.3 樁的側摩阻力分布情況

兩根試樁的側摩阻力沿樁身的分布情況見圖6 和圖7.樁Z1(圖6)在第一級荷載(320kN)作用的情況下，樁側摩阻力從上至下先增大后減小，樁端附近幾乎為零;隨著荷載的加大，樁身各處的側阻都相應增大，但變化幅度不同，當荷載為2080kN時，最大側摩阻力出現在樁端位置.樁Z2(圖7)在荷載較小時側摩阻力隨深度的變化情況與樁Z1 類似，當荷載達到480kN 時，在深約11.3m 位置處出現最大側摩阻力，以下部分的側阻出現顯著地下降.

圖6 樁Z1 側摩阻力隨深度的變化情況

圖7 樁Z2 側摩阻力隨深度的變化情況

從圖中還可以看出，樁側摩阻力的發(fā)揮受土層性質和樁的埋深影響，土層性質越差，埋深越淺，其極限摩阻力越容易發(fā)揮;反之，土層性質越好，樁埋深越深，樁的極限摩阻力越難發(fā)揮. 對比圖6 和圖7，兩根試樁在上部10m 范圍內樁側摩阻力的變化趨勢基本一致，都是隨著沉降的增大而增大，達到極限位移后又減小(即應變軟化效應);沿樁深方向上，樁側極限摩阻力隨深度增加而增大;圖中都顯示出隨著荷載的增加，樁下部的樁側摩阻力一直在增大，這表明下部側阻仍有一定的發(fā)揮空間.

2.4 側摩阻力與樁土相對位移的關系

現場試驗獲得的樁土相對位移與樁側摩阻力的關系圖見圖8 和圖9.結果顯示兩根試樁的上部樁側摩阻力的變化規(guī)律基本相同，在相對位移與側摩阻力的關系曲線上都存在明顯峰值;在初始階段，由于樁下部樁土相對位移較小，其土層的摩阻力沒有得到充分發(fā)揮，此時土處于彈性階段;隨著相對位移的增大，當達到極限側阻力后，隨著位移的增大，樁上部側摩阻力逐漸降低，其原因此時周圍土體進入了塑性狀態(tài)，樁體與土體結構之間產生了滑移，從而降低了摩阻力值.

圖8 樁Z1 側摩阻力與相對位移的關系

圖9 樁Z1 側摩阻力與相對位移的關系

2.5 綜合分析

圖6 中，當荷載加載到1120kN 時，樁頂部分也出現了明顯的側阻力軟化現象，與樁Z2 的側阻隨深度變化曲線有所不同的是，樁Z1 的側阻在樁端附近呈現顯著的增大現象，這可用側阻的樁端強化效用進行解釋.Touma 等(1974)提出，樁身產生位移后會在樁端產生兩個性質不同的區(qū)域:塑性區(qū)和成拱區(qū).席寧中［10］在這個基礎上提出了成拱理論(圖10)，成拱效應之所以能使樁端附近的側摩阻力增強，主要是因為成拱作用使該處的樁土相對位移量及側向有效應力增大.樁土相對位移量決定樁側摩阻力的發(fā)揮程度，摩阻力的峰值則與側向有效應力成線性關系，這是成拱作用造成樁端附近樁側阻力增強的根本原因.

本次試驗場地⑤1-1層粘聚力14kPa，內摩擦角13.5°，壓縮系數0.76，壓縮模量3.08MPa;⑤2層粘聚力9kPa，內摩擦角31.0°，壓縮系數0.22，壓縮模量10.69 MPa.顯然，⑤2層土的強度性能和壓縮性能都要強于⑤1-1層土，因而樁Z1 在荷載作用下，樁端處的塑性區(qū)和成拱區(qū)延伸的范圍大，并且⑤2層土埋深大于⑤1-1層土，上覆土壓力對變形區(qū)的約束作用強，因而成拱作用影響區(qū)即便在發(fā)生小應變的情況下，其內部應力也能得到很大程度的提高，這也意味著樁的側向有效應力得到顯著提高，從而形成側阻力增強效應;對于樁Z2，由于其持力層是⑤1-1層，該層土壓縮性大且上覆土壓力約束不強，樁在荷載作用下發(fā)生的位移被樁端下部處的土吸收，不能在樁端附近形成大范圍的受影響區(qū)，因而不能形成明顯的增強效應. 這便是為什么以⑤2層砂質粉土為持力層的樁，樁側極限摩阻力不折減，而以⑤1-1層黏土為持力層的樁，樁側極限摩阻力卻要適當折減的原因.

圖10 成拱作用

3 結 語

本文通過現場單樁靜載荷試驗資料，在已有理論的基礎上，分析研究了上海地區(qū)以第⑤層土為持力層的單樁，其樁側摩阻力發(fā)生折減的工程現象.主要得到以下結論:

(1)樁Z1 為端承摩擦型樁，樁Z2 是摩擦型樁.軸力由上至下都是呈減小趨勢，減小的量由相應深度處的樁側阻力分擔.試樁的樁側阻力在加載的初始階段都隨加載的增大而增加，達到一定載荷后出現側阻力軟化現象.樁的極限側摩阻力的發(fā)揮有個向下傳遞的過程.以⑤2層灰色砂質粉土為持力層的樁在樁端處有顯著的側阻力增強現象;以⑤1-1灰質黏土為持力層的樁側阻力增強效應不明顯.

(2)以⑤2層灰色砂質粉土為持力層的樁Z1由于樁端處有顯著的側阻力增強作用，抵消上部側阻的折減效應，因而宏觀上表現為側阻力的不折減.以⑤1-1灰質黏土為持力層的樁側阻力出現折減的原因是樁的上部出現了側阻力應變軟化現象，而下部側阻力仍未完全發(fā)揮，極限承載力時樁身上部側阻力減少，樁身下部側阻力沒有明顯增強. 因此，總得來說樁側阻力折減的原因是樁側摩阻力應變軟化效應和樁上下部極限側阻力的發(fā)揮不同步造成.

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