大直径超长灌注桩桩侧摩阻力影响因素研究综述

李雨军, 马云长, 郭 霞

(核工业湖州勘测规划设计研究院股份有限公司, 浙江湖州 313000)

0 引言

为加快打造环太湖新经济生态圈,积极融入长三角区域一体化,湖州市政府积极推进长东片区的开发建设,目前在建的太湖湾单元开发建设项目,地处太湖南岸,该地区地质条件较为复杂,多为淤泥或淤泥质粉质黏土,因此,部分高大建筑物选用大直径超长钻孔灌注作为建筑物的基础。

大直径超长钻孔灌注桩通常指的是桩径大于φ800 mm,桩长大于60 m的钻孔灌注桩,普通的中短桩已不能满足高荷载下的承载力要求,大直径超长钻孔灌注桩由于其较高的承载力和便于施工的特点广泛应用于大型基础工程中[1]。

目前关于大直径超长灌注桩侧摩阻力的研究较为松散、零碎,难以形成系统性,多数学者从不同的角度研究了桩侧摩阻力的影响,马文杰、蔡雪霁等[2-3]分别采用室内试验和有限元模拟技术,说明了长径比对桩侧摩阻力的影响;汪鹏程等[4]利用静载试验和有限元技术,研究了深度对桩侧摩阻力的影响;叶建忠等[5]通过对现场实测数据的分析,说明了荷载大小对桩侧摩阻力的影响。总结以上可知,前人多是从单方面对桩侧摩阻力的发挥进行论述,缺少综合性的分析。

因此,本文一方面为保证太湖湾单元的开发顺利完成,另一方面作为科学研究对该问题进行探讨,针对近年来有关大直径超长灌注桩桩侧摩阻力的研究因素进行总结、归纳和分析,并指出当前关于桩侧摩阻力研究的主要问题,以期为今后该方向的研究提供一个思路,并为该地区的工程开发和项目建设提供参考。

1 桩侧摩阻力影响因素

桩侧摩阻力的产生是因为桩与土接触时,在桩顶上部荷载的压力下,桩与土发生相对滑动而产生的[6],也就是说,桩侧摩阻力是组成桩基承载力的重要部分。影响桩侧摩阻力发挥的因素很多,只有深入理解桩侧摩阻力发挥的因素,才能有效地进行地质勘察和桩基设计等方面的工作。

1.1 桩体刚度的影响

通常来说,荷载与变形是影响桩基稳定性的2个重要方面。某种情况下,桩基础的承载力可以不断增加,但如果桩基变形过大,此时,桩基是不能满足使用要求的,因此,在各种规范中均对桩的变形范围做了规定。目前多数研究者都是对不同长径比的桩进行研究,以此来分析桩体刚度对侧摩阻力的影响。

付裕[7]、史日磊等[8]分别采用光纤监测技术与有限元数值模拟技术对桩侧摩阻力进行研究,说明了刚施加荷载时,桩体上部侧摩阻力最先发挥作用,当施加的荷载不断增大时,上部土层的侧阻力也不断增大,并以一定的曲线形式逐渐逼近极限状态,同时桩体下部侧摩阻力也逐渐增大。随着施加荷载的不断增加,当桩体长径比较小时,侧摩阻力几乎是沿桩身接近线性分布;而对于长径比较大的桩基而言,桩侧摩阻力呈曲线倾斜弯曲,当施加的荷载接近桩的极限时,桩侧摩阻力也几乎是直线分布。此外,桩的长径比越大,桩身侧摩阻力达到极限时所需要施加的桩顶荷载也越大。

一方面,在一定桩长范围内,桩土共同体的刚度会随着桩长而增大,但当桩长超过一定数值后,共同的刚度不再增大。另一方面,通过增加桩长可以让桩的承载力变大,但可能因桩的变形不满足使用要求,导致过长的桩不能在实际工程中使用。桩土共同体的刚度随桩长变化开始趋于稳定的桩长称为“有效桩长”也就是说,在一定桩长范围内,增大桩径可以提高单桩的承载力,存在一个“最优桩径”,当桩径大于“最优桩径”时,单桩的极限承载力增长变化就会不明显。

总之,单桩侧摩阻力受桩体刚度的影响较大,主要有桩长、桩径、桩身材料弹性模量、桩周土等效刚度等因素影响[9]。

1.2 桩土界面强度的影响

一般桩与土之间发生强度破坏最可能出现3种情况[10]。

(1)桩土界面处发生相对滑移见图1(a),当桩与土之间粘着力和摩擦力都很小时,桩土几乎不发生力的传递,此时侧摩阻力主要是由桩与土之间的接触强度决定。

图1 桩-土破坏常见的3种模式

(2)靠近桩身的土体处发生剪切破坏见图1(b),在上部荷载的作用下,土体越靠近桩身,所受的剪应力也越大,当土体所受的剪应力远大于其他应力时,此时,土体的强度主要由剪应力决定。

(3)离桩身一定距离处见图1(c),当桩与土接触的面强度和土体的抗剪强度都比较大时,桩很短或土体有软弱夹层时,在上部荷载的作用下,桩周局部土体会受到悬臂梁式的力,在距离桩身一定长度范围内的土体首先发生破坏,如桩受到抗拔荷载时发生的倒锥型破坏就是常见的破坏形式。

根据基础物理学知识可知,摩擦力的表达式式(1)。

Q=a+μP

(1)

式中:a为桩土界面的粘着力;μ为界面的摩擦系数;P为侧压力。

由式(1)可知,桩土界面的摩擦力受桩侧土压力的影响,由于桩侧土压力会随着土层的深度增大而增大,当桩受到上部荷载时,由于桩土之间发生力的作用,导致桩侧土压力也会随之改变。从这个角度来说,桩土界面强度所影响的侧摩阻力变化的主要是因为桩土之间侧向压力的变化而引起的。

1.3 土体性质的影响

陈立[6]采用数值模拟手段对桩在均质土体中的侧摩阻力的影响因素进行研究,对比了不同的计算模型,说明了桩周土体的土力学性质是影响桩的桩侧摩阻力的主要因素。当土体弹性模量越大,桩周土的强度越高,在上部荷载下,桩侧摩阻力就越大。也就是说,桩周土体强度越大,侧摩阻力越大。陈立[6]、李前[11]通过有限元技术,研究了土体的内摩擦角对桩侧阻力的影响,研究表明桩侧土内摩擦角对桩的承载力影响较大,在一定情况下,当桩周土摩擦角的不断增大时,随着上部荷载的不断变大,桩侧摩阻力与桩的总阻力比值随着土体摩擦角的增加而减小。当桩的上部荷载达到某一数值,随着桩周土摩擦角不断增大,桩侧摩阻力所占总荷载的比例逐渐减小。 李前[11]采用有限元技术研究了桩侧土体的刚度大小对侧摩阻力的影响,研究表明当桩侧土的刚度较小时,想要充分发挥桩侧阻力,桩需要很大的变形、沉降;桩侧摩阻力的大小随着桩侧土刚度的增大而增大。

总之,在常见的黏性土中,桩侧摩阻力的大小几乎等同于桩周土的不排水抗剪强度;相对而言在砂性土中,桩侧摩阻力系数几乎约等于主动土压力系数[6]。

1.4 土层深度

一般情况下砂质土层的侧摩阻力与侧压力是正相关的,也就是说土层的侧摩阻力一般为三角形形态分布。然而试验表明,即使在桩长不长时,土层的侧摩阻力发挥也不仅仅是简单地呈三角形分布的。

刘利民等[12]对黏性土和砂土的桩侧摩阻力进行研究,当桩长较短时,侧摩阻力接近呈三角形,然而当桩长较长时,侧摩阻力分布接近呈抛物线形,但是随着桩顶上部荷载的不断变大,抛物线的重心开始向下移动。由上述可知,在理想的条件下,随着抛物线重心的不断向下移动,最终侧摩阻力肯定会接近三角形分布,可总结为如图2所示的3个阶段。

图2 砂土的侧摩阻力随深度在不同荷载下的分布

第一个阶段,桩顶上部荷载较小时,土的侧摩阻力随深度呈抛物线形分布,说明侧摩阻力先随土层深度增大而逐渐增大,达到峰值之后,再随土层深度的增大而逐渐减小。

第二个阶段,桩底下部侧阻力逐渐增大,而浅部的侧阻力曲线几乎保持不变,浅部侧阻力不变是由于其值已达到峰值,峰值以后,桩底各深度土层的侧摩阻力基本保持不变。

第三个阶段,上部侧阻力由于桩与土发生了相对滑移而减小,桩底下部土层侧摩阻力继续增大,逐渐变成理想的三角形形态,但该阶段在静载荷试验中很难被观测到。

2 展望

(1)土体性质是复杂多样的,前人在土体性质对桩侧摩阻力研究时多采用均质土体,而在实际工程中却很少存在,针对不同土体下桩侧摩阻力的影响因素可进一步研究。

(2)桩土界面强度影响所采用的学说依然是经典的物理学问题,应通过对桩土的破坏规律和破坏机理深入研究,从而完善更多的桩土破坏理论,进而完善桩侧摩阻力影响因素。

(3)对土体性质的影响前人多采用数值模拟技术,缺少相应理论分析与现场试验,今后可在该方面进一步的完善。