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《太原理工大學學報》20156年第一期

摘要：

通過現場試驗和室內模型試驗，采用空底樁單樁豎向抗壓載荷的方法測定樁側摩阻力。研究結果表明，灌注樁的側摩阻力會隨著樁周土密實度的增長而提高；擠土成孔樁和螺旋灌注樁的側摩阻力相對于非擠土樁有了明顯提高；給出了非擠土挖孔樁、擠土成孔樁和螺旋擠土樁的極限側摩阻力的計算。研究成果用以指導樁基礎的設計和施工，能使之達到經濟合理的目的。

關鍵詞：

灌注樁；樁側摩阻力；成孔型式；密實度

樁基礎［1］的承載力是樁與土共同作用的結果，其間的應力傳遞機理與過程極其復雜。樁在豎向荷載作用下，樁側摩阻力的發揮先于樁端阻力，樁側摩阻力對基樁承載力的貢獻占有很重要的地位，特別是對于沒有很堅硬樁端土層的樁、長徑比大的超長樁，提高樁側摩阻力的措施和準確確定樁側摩阻力對樁基承載力的設計意義重大，這樣，分析樁側摩阻力的影響因素是很有必要的。近年來，許多學者開展了關于樁側摩阻力的影響因素的研究，并取得了一定的成果。李輝等［2］總結說，樁周土的性質是影響樁側摩阻力最直接的決定因素，一般說來，樁周土的強度越高，相應的樁側摩阻力就越大；Massakiro，etal［3］提出，非黏性土中的樁側摩阻力存在著明顯的尺寸效應，這種尺寸效應源于鉆、挖孔時側壁土的應力松弛；施峰等［4］進行了300根埋設量測元件的人工挖孔樁承載力的測試，得出在同樣的樁側土條件下，樁端持力層強度越高，樁端阻力越大，樁端沉降越小，樁側摩阻力就越高。學者們從樁周土性質、樁的幾何特征、樁端條件等不同角度進行了研究，分析了其對樁側摩阻力的影響，但很少人深入研究灌注樁的成孔型式和樁周土密實度對樁側摩阻力的影響。在研究和工程實踐中發現，樁的成孔型式和樁周土的性質是樁側摩阻力的主要影響因素。樁基礎根據其成樁孔工藝對土層的影響可以分為非擠土成孔樁、部分擠土成孔樁和擠土成孔樁三大類［5］。非擠土挖孔樁應用很廣，而擠土成孔樁由于樁徑較小，樁長短，承載力低，很難滿足設計要求，應用范圍較小，所以，新型的螺旋擠土樁［6］就應運而生。樁的成孔型式不同，樁側摩阻力的發揮也不同。同樣，樁側摩阻力的發揮也與樁周土的性質密切相關，而樁周土的性質重要表現為樁周土密實度（文中的密實度，定義為土體干密度與最大干密度的比值），且也與樁成孔型式有關。因此，研究灌注樁的成孔型式和樁周土密實度等因素對樁側摩阻力的影響，對于充分發揮樁側摩阻力，進而提高樁基單樁承載力，有著現實意義和社會意義，研究成果用以指導樁基礎的設計和施工，能使之達到經濟合理的目的。筆者結合現場試驗和室內模型試驗，針對不同成孔型式、不同密實度的樁周土體，分析灌注樁側摩阻力的影響因素。

1樁側摩阻力的現場試驗測試

樁側摩阻力與樁土界面的法向應力（即側向土壓力強度）有著密切的關系［5］，而樁周土的密實度會對樁土界面的法向應力有著直接影響，即樁周土密實度的大小會對樁側摩阻力產生影響。現場在經過沉管擠密法和預鉆孔夯擴擠密法［7］處理后的地基土上進行了非擠土挖孔樁側摩阻力測試。沉管試驗區坑底以下依次為松散填土（厚約17．6m）、沖填土（厚約11．5m）、黃土狀粉土（厚約2m）、卵石層，沉管擠密法處理后地基土的平均密實度ηc為0．90；而預鉆孔夯擴擠密試驗區坑底以下地層依次為人工填土（厚約11m）、黃土狀粉土（厚約31．6m）、卵石層，預鉆孔夯擴擠密法處理后地基土的平均密實度ηc為0．94。樁側摩阻力測試采用受壓空底樁法。空底樁在鋼筋籠底部焊接一個20mm厚圓形鋼板，鋼板直徑略小于樁孔直徑，澆筑混凝土時將鋼筋籠吊住，使其底部懸空1m，由此得的摩阻力更接近實際，測試結果如表1所示。從表中可以看出，樁周土平均密實度達到0．90時，對應的非擠土挖孔樁的極限側摩阻力平均值為64～82kPa，而樁周土平均密實度達到0．94時，對應的非擠土挖孔樁的極限側摩阻力平均值為86～117kPa，樁側摩阻力提高34％～44％。非擠土挖孔樁一般施工在以同一密實度均勻分布的天然地基和人工地基（人工地基經擠密處理后，土體由于多樁擠土效應的重疊，而且隨機布樁，近似可看成密實度是均勻分布的）上，所以非擠土挖孔樁的樁周土密實度是均勻分布的；而擠土成孔樁和螺旋擠土樁在成孔過程中，發生了側向擠密作用，導致靠近樁體的土體密實度較高，而遠離樁體的土體密實度較低，所以擠土成孔樁和螺旋擠土樁的樁周土體密實度是沿著徑向逐漸減小的漸變分布。灌注樁成孔型式和樁周土密實度分布形式的不同，對樁側摩阻力的影響也不同，室內試驗分別進行了測試。

2非擠土挖孔對樁側摩阻力的影響

在室內模型試驗中，所用土樣取自蘭州市榆中縣的黃土，土質均勻，屬粘質粉土。采用分層夯實法配制不同密實度的均勻地基土，三種樁的樁徑均為60mm，樁長為280～300mm。非擠土挖孔樁是利用自制洛陽鏟取土成孔，擠土成孔樁是利用反力架和千斤頂將擠土鉆頭壓入地基土中成孔，螺旋擠土樁是人工控制扭矩和豎向壓力掘進螺旋鉆頭成孔，成孔后均灌注水泥砂漿成樁，之后在自然條件下養護28天。最后利用反力架、千斤頂和應力環進行樁側摩阻力測試，以研究樁周土體均勻的密實度對樁側摩阻力的影響。所測的非擠土挖孔樁極限側摩阻力隨樁周土密實度的變化結果如表2、圖1所示。由表2和圖1中可知，非擠土挖孔樁的極限側摩阻力會隨著樁周土密實度增長而提高，每提高0．01的密實度，增長幅度為3～5kPa，但增長幅度逐漸變小。可見，工程中使用非擠土挖孔樁，當樁承載力難以滿足設計要求時，可先對地基土進行處理，使其密實度達到一定數值，從而提高樁側摩阻力，滿足承載力的要求。表2中還列出了現場試驗的兩組數據，由此可以看出，室內模型試驗與現場試驗數據比較吻合，說明本次室內模型試驗的數據還是比較接近實際情況，具有很好的實際參考價值。

3擠土成孔對樁側摩阻的影響

通過試驗研究擠土成孔樁樁周土密實度的分布規律、對樁側摩阻力的影響以及樁側摩阻力的計算。室內模型試驗得到擠土成孔和非擠土挖孔兩種工藝的灌注樁極限側摩阻力，結果如圖2所示。由圖2可知，當地基土初始密實度相同時，擠土成孔樁的極限側摩阻力相對于非擠土挖孔樁提高了28％～68％，且隨著地基土初始密實度增長，極限側摩阻力的提高幅度逐漸變小，原因就是非擠土挖孔過程中幾乎不改變樁周土的密實度，而擠密成孔過程中的側向擠密作用會提高樁周土體的密實度，增大側向土壓力強度，極限側摩阻力也相應提高；隨著地基土初始密實度的增長，逐步接近最大密實度，擠土成孔的難度增大，樁周土體密實度的增長緩慢，極限側摩阻力的提高幅度也相應減小。擠土成孔樁的樁周土密實度為沿著徑向逐漸減小的漸變式，其對樁側摩阻力的影響應取決于樁周一定范圍內土體的密實度，首先取地基土初始密實度為0．85的擠土成孔樁作為研究對象。測試得到擠土成孔樁樁周土密實度沿徑向距離的分布如圖3，可以看出，密實度變化呈下降趨勢，而且在一定范圍內，樁周土的密實度變化很快，然后變化較緩，密實度沿徑向的分布規律符合冪指數函數，可以用式（2）表示。由圖3可知，在0．5d～1．5d范圍內，樁周土密實度急劇變化，其間變化近似于直線，稱之為“有效擠密區”，故采用“有效擠密區”的平均密實度評價擠土成孔的擠土效果，以此來進行樁側摩阻力數值的分析。對式（2）積分求取“有效擠密區”內的平均密實度為ηc＝0．91，此時對應的擠土成孔樁的極限側摩阻力為94kPa。而樁周土均勻分布的密實度為0．91的非擠土挖孔樁對應的極限側摩阻力為85kPa。擠土成孔樁的極限側摩阻力相對于非擠土挖孔樁提高了10．6％。其他情況也按上述方法操作，得到的結果如表3所示。如表3所示，擠土成孔樁的極限側摩阻力都高于非擠土挖孔樁。盡管兩種樁型的樁周土一定范圍內的平均密實度相同，但擠土成孔樁周土體漸變的密實度更有利于側摩阻力的發揮。擠土成孔樁離樁土界面近的土體密實度偏高，而距離樁土界面越近的土體對樁側摩阻力的貢獻越大，這樣高密實度的土體會對側摩阻力產生很大貢獻，導致側摩阻力的提高。這種擠土成孔樁周土體漸變的密實度對樁側摩阻力的影響用系數β1修正，β1可取1．15。所以，擠土成孔樁樁身極限側摩阻力與樁周土密實度關系可以用式（3）表示。

4螺旋擠土對樁側摩阻的影響

螺旋擠土樁屬于典型的擠土成孔樁類型，其樁徑為250～800mm，最大樁長可達30m，其利用特制的螺旋鉆頭將樁孔中的土體擠入樁周和樁下土體之中，并在擠擴成的樁孔中進行混凝土壓灌成樁，最終形成圓柱形的擠擴樁。此樁適用于可壓縮的砂土、粉土、黃土、黏土和強風化土地層，且在蘭州新區已有工程采用螺旋擠土灌注樁。螺旋擠土樁的樁周土體密實度的徑向分布型式與擠土成孔樁相同，都是漸變式，如圖4所示。分析比較“有效擠密區”內的兩種樁周土體的密實度，螺旋擠土樁比擠土成孔樁只高出約0．5％，也就是說，螺旋擠土樁與擠土成孔樁的擠密效果相差不大。但螺旋擠土樁的極限側摩阻力卻大于擠土成孔樁的6．2％，如圖5所示。分析原因可知，螺旋擠土鉆頭下旋過程中，土體受到螺旋鉆頭旋轉擠擴作用的情況下，螺紋削切土體，類似于土體受到剪切作用，鉆頭螺紋接觸的土顆粒發生重新排列，擠密后的土體表面成螺紋型，造成灌注樁與樁周土有相較于擠土成孔樁更明顯的“嚙合”效應［8］，這增加了土體與樁接觸面的粗糙程度，因而螺旋擠土樁的樁側極限摩阻力會大于擠土成孔樁的。這種“嚙合”效應對樁側摩阻力的貢獻可用系數β2修正，通過對比試驗測得的樁側摩阻力值，螺旋擠土樁的樁側摩阻力修正系數β2可取1．05。

5結論

1）通過現場工程試驗可知，地基土平均密實度達到0．90，0．94時，對應的非擠土挖孔樁的極限側摩阻力分別為74kPa，100kPa，相比原狀土的極限側摩阻力有了很大提高。2）非擠土挖孔樁的極限側摩阻力隨著樁周土密實度的增長而提高，變化關系符合對數函數，可用公式psk＝187＋52ln（ηc－0．77）表示。3）當地基土初始密實度相同時，擠土成孔樁的極限側摩阻力相對于非擠土挖孔樁的有了明顯提高，但隨著地基土初始密實度增長，極限側摩阻力的提高幅度逐漸變小。4）采用“有效擠密區”內的平均密實度評價擠土成孔的擠土效果，這樣，擠土成孔樁周土體漸變的密實度對樁側摩阻力的影響可用系數β1＝1．15修正。5）螺旋擠土樁與擠土成孔樁的擠土效果相差不大，但螺旋擠土樁的“嚙合”效應也會使樁側摩阻力提高，其貢獻可用系數β2＝1．05修正。

參考文獻：

［1］中華人民共和國住房和城鄉建設部．建筑樁基技術規范：JGJ94—2008［S］．北京：中國建筑工業出版社，2008．

［2］李輝，李進軍，丁永君．樁側摩阻力和端阻力的影響因素分析及其應用［J］．工業建筑，2007，37（增刊）：1897－1902．

［3］MASSAKIROK，TAMMOTSUM，KENJIM．Verticalloadingtestsoflargeboredpileandtheirestimation［C］∥Anon．Proc，1stInternationalGeotechnicalSeminarorDeepFoundationsonBoredandAugerPile．PublRotterdam：ABalkema，1988．

［4］施峰，蔡來炳．人工挖孔擴底樁承載力試驗研究［J］．工程勘察，1999（2）：21－25．

［5］《樁基工程手冊》編寫委員會．樁基工程手冊［M］．北京：中國建筑工業出版社，1995．

［6］李志毅，劉鐘，趙琰飛，等．新型螺旋擠土灌注樁現場試驗研究［J］．巖石力學與工程學報，2011，30（2）：411－417．39第1期張豫川，等：灌注樁的成孔型式對樁側摩阻力影響的研究

作者：張豫川 劉辰麟 盧連長 李春輝 單位：蘭州大學 土木工程與力學學院，西部災害與環境力學教育部重點實驗室