余建飛 張 靜 楊石飛
(1.浙江石油化工有限公司, 浙江舟山 316021; 2.上??辈煸O(shè)計(jì)研究院(集團(tuán))有限公司, 上海 200093)
為緩解沿海地區(qū)人地矛盾,我國(guó)大面積填土擴(kuò)展工程日益增多,新近填土下常常分布有深厚軟土層諸如淤泥質(zhì)土。深厚軟土含水量高、壓縮性高、滲透性差,在附加應(yīng)力作用下,軟土固結(jié)過(guò)程持續(xù)時(shí)間長(zhǎng),固結(jié)沉降在地基沉降中占主要部分。近年來(lái)樁基礎(chǔ)由于良好的受荷特性而作為建筑物基礎(chǔ)日趨普遍,在大面積填土場(chǎng)地深厚軟土中興建基礎(chǔ)設(shè)施,一旦樁周土體沉降大于樁身沉降,將產(chǎn)生負(fù)摩阻力[1],進(jìn)而增加作用于樁身的豎向荷載,如果在工程設(shè)計(jì)中未考慮負(fù)摩阻力的影響,將會(huì)不同程度地引起樁基礎(chǔ)的附加沉降以及建筑結(jié)構(gòu)的不均勻變形,進(jìn)一步增大樁端變形甚至引起樁身的破壞[2-5]。
目前,國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)樁基負(fù)摩阻力的形成機(jī)理及發(fā)展規(guī)律、影響因素、計(jì)算理論及減摩措施等進(jìn)行了一系列探究[6-14],張建新等進(jìn)行了軟黏土中單樁模型試驗(yàn),模擬樁周土逐級(jí)加荷沉降,基于超孔壓、土體沉降及樁身軸力變化實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),分析軟黏土進(jìn)入次固結(jié)階段時(shí)樁側(cè)負(fù)摩阻力及樁身中性點(diǎn)位置的變化情況[15];周為采用粉砂、細(xì)砂、粗砂作為填土的模型材料,設(shè)計(jì)了11組室內(nèi)模型試驗(yàn),研究新近填土中樁的負(fù)摩阻力[16];王殿龍等針對(duì)不同壓實(shí)度填土場(chǎng)開(kāi)展基樁承載性狀模型試驗(yàn),研究不同壓實(shí)度填土對(duì)基樁負(fù)摩阻力的影響[17];Walker等通過(guò)鋼管樁負(fù)摩阻力現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn):?jiǎn)螛吨車(chē)? m高的地面堆載可使樁周地基產(chǎn)生35 mm的沉降,產(chǎn)生的負(fù)摩阻力足以發(fā)展到18 m的深度[18];馬時(shí)冬對(duì)某高速公路中橋橋臺(tái)的28 m長(zhǎng)的鋼筋混凝土灌注樁進(jìn)行了樁身應(yīng)力、應(yīng)變和樁周土分層沉降測(cè)試,其填土高4.5 m,淤泥層厚度約13 m;[19]Indraratna等在曼谷軟土中進(jìn)行預(yù)應(yīng)力空心管樁基負(fù)摩阻力長(zhǎng)期測(cè)試,其填土厚度為2 m[20];葉觀(guān)寶等基于Indraratna試驗(yàn)建立單樁有限元分析模型,研究大面積填土場(chǎng)地工程中摩擦樁下拉荷載和中性點(diǎn)的影響因素[21];肖俊華等基于日本、加拿大和泰國(guó)的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果,采用雙曲線(xiàn)擬合下拉荷載與時(shí)間的關(guān)系[22]。調(diào)研表明:近年來(lái),通過(guò)室內(nèi)模型試驗(yàn)對(duì)軟黏土或新近填土中樁基負(fù)摩阻力特征進(jìn)行了初步研究,國(guó)內(nèi)外學(xué)者積累了一定的填土作用下軟土地層中樁基負(fù)摩阻力現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),一些學(xué)者基于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果開(kāi)展了負(fù)摩阻力影響因素?cái)?shù)值模擬和理論分析??傮w而言,大面積填土場(chǎng)地深厚軟土中樁基負(fù)摩阻力研究偏少,尤其是以樁基工程原型試驗(yàn)作為評(píng)價(jià)負(fù)摩阻力的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)資料很少。
舟山某石化基地工程填土厚度最高約15 m,堆載預(yù)壓卸土后填土厚度仍可達(dá)10 m左右,下臥的流塑、軟塑狀軟弱土層最大厚度達(dá)50 m,具備大面積填土、深厚軟土的典型場(chǎng)地特征,張浜申采用離心模型試驗(yàn)和有限元數(shù)值模擬研究持力層對(duì)中性點(diǎn)位置影響[23];方越基于樁身應(yīng)力測(cè)試研究堆填過(guò)程中樁基持力層不同,中性點(diǎn)位置的變化情況[24]。為考慮樁基受荷工況為堆載預(yù)壓卸土后土體長(zhǎng)期固結(jié)作用,以該工程項(xiàng)目為依托,采用懸吊法[25]直接測(cè)試卸土后不同樁長(zhǎng)的下拉荷載隨時(shí)間變化數(shù)值,分析下拉荷載與樁土相對(duì)位移及樁土相對(duì)位移速率的相關(guān)關(guān)系,研究負(fù)摩阻力系數(shù)與中性點(diǎn)計(jì)算方法,并應(yīng)用于該工程樁基承載力驗(yàn)算,以期為今后同類(lèi)工程提供參考。
舟山某石化基地二期工程總用地面積約450萬(wàn)m2,二期工程場(chǎng)區(qū)呈由島側(cè)向海域傾斜,泥面標(biāo)高為+0.700~-7.300 m,吹填砂至標(biāo)高+2.000 m,形成出水陸域,分區(qū)陸上打設(shè)塑料排水板,正方形布置,間距為1.2 m,插板頂標(biāo)高為+2.000 m,插板底標(biāo)高-28.000 m,采用回填開(kāi)山石進(jìn)行堆載預(yù)壓處理地基,場(chǎng)地分為11個(gè)地塊,試驗(yàn)區(qū)域位于地塊9,堆載頂標(biāo)高為+10.000 m,待具備卸載條件后卸載整平至標(biāo)高+4.800 m,形成最終陸域。
場(chǎng)地屬于海島前緣濱海淤積灘涂和水下淺灘地貌,地勢(shì)總體較平整,局部稍有起伏。地層主要為第四紀(jì)海相沉積的軟弱土、沖洪積形成的含黏性土礫石、砂土及風(fēng)化層。地下水位標(biāo)高為±0.000 m,天然泥面以下埋深30~50 m以?xún)?nèi)均為流塑—軟塑淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土或粉質(zhì)黏土,淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土呈流塑狀,壓縮性高,且塑料排水板尚未打穿,在大面積、高填方作用下排水固結(jié)時(shí)間長(zhǎng),卸載后土體繼續(xù)發(fā)生沉降,此時(shí),施工樁基礎(chǔ),一旦樁周土沉降大于樁身沉降,樁基承擔(dān)下拉荷載,即產(chǎn)生負(fù)摩阻力,因此,亟需研究卸載后工后沉降對(duì)樁基摩阻力的影響。地塊9卸載整平至標(biāo)高+4.800 m后,地基土層主要物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。
表1 地基土層主要物理力學(xué)參數(shù)
下拉荷載試驗(yàn)將水平橫梁兩端架設(shè)于反力樁上,試樁成樁后頂端懸吊在橫梁中間,并安裝測(cè)力裝置。
試驗(yàn)?zāi)康脑谟跍y(cè)試大面積填土后樁土相對(duì)位移引起樁身承擔(dān)下拉荷載隨時(shí)間的變化規(guī)律,并基于平均負(fù)摩阻力實(shí)測(cè)值和有效應(yīng)力法研究負(fù)摩阻力系數(shù)和中性點(diǎn)位置。為此,在試驗(yàn)場(chǎng)地打設(shè)5根試樁(D2、D4、D5、D6、D8),以4根持力層進(jìn)入粉砂層的樁基(Q1、Q3、Q7、Q9)作為反力樁,預(yù)應(yīng)力管樁參數(shù)如表2所示。架設(shè)5根雙拼反力梁,反力樁呈正方形布置,樁間距為8 m,試樁布設(shè)在四邊中點(diǎn)及斜對(duì)角線(xiàn)中點(diǎn),各試樁樁頂安裝錨索計(jì)測(cè)定荷載,錨索計(jì)安裝位置如圖1所示,試驗(yàn)樁平面布置如圖2所示。
表2 預(yù)應(yīng)力管樁參數(shù)
圖1 錨索計(jì)安裝
圖2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)布置平面
試驗(yàn)監(jiān)測(cè)目的在于測(cè)試樁土相對(duì)位移及樁基下拉荷載,包括地表沉降和反力樁樁頂沉降監(jiān)測(cè)、錨索計(jì)測(cè)讀。地表沉降采用埋設(shè)沉降板,沉降板由底板與金屬測(cè)桿垂直焊接而成。樁頂沉降布設(shè)8 cm帶帽鋼釘于反力樁樁頂。錨索計(jì)選用JTM-V1800系列振弦式錨索測(cè)力計(jì),可通過(guò)測(cè)量四個(gè)方向軸力值獲取平均值,并具備測(cè)溫功能。
試驗(yàn)區(qū)域兩邊及中心位置共布置3個(gè)地表沉降測(cè)點(diǎn),反力樁樁頂布設(shè)4個(gè)樁頂沉降測(cè)點(diǎn),試樁樁頂共安裝5個(gè)錨索測(cè)力計(jì),具體測(cè)點(diǎn)布置如圖2,監(jiān)測(cè)時(shí)長(zhǎng)共60 d,監(jiān)測(cè)頻率為每5 d進(jìn)行1次。
根據(jù)下拉荷載試驗(yàn)方案,現(xiàn)場(chǎng)施工試樁和反力樁,在試樁樁頂焊接鋼板,吊裝并架設(shè)型鋼反力梁,安裝錨索測(cè)力計(jì),做好樁號(hào)標(biāo)記;埋設(shè)地表沉降板和設(shè)置樁頂沉降標(biāo);最后做好試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)保護(hù),試驗(yàn)區(qū)域向外圍擴(kuò)展15 m范圍設(shè)置硬圍。
試驗(yàn)開(kāi)始于4月中旬,歷時(shí)2個(gè)月,試驗(yàn)期間四周進(jìn)行強(qiáng)夯和打樁,南側(cè)4月下旬卸土,北側(cè)5月初進(jìn)行靜載試驗(yàn)。強(qiáng)夯和打樁情況如表3所示。
表3 試驗(yàn)期間現(xiàn)場(chǎng)強(qiáng)夯和打樁工況
5月底,地表沉降達(dá)到最大值10.45 mm,之后由于北側(cè)、東側(cè)在距離試驗(yàn)區(qū)域20~50 m范圍進(jìn)行打樁,地表隆起,地表沉降速率最大達(dá)0.58 mm/d,實(shí)測(cè)曲線(xiàn)見(jiàn)圖3。
—D2(30 m)-北側(cè); —D5(40 m)-中間;—D8(20 m)-南側(cè)。
西側(cè)(Q1、Q7樁)樁頂最大沉降達(dá)4 mm,樁頂沉降速率變化為0.2~0.32 mm/d;東側(cè)(Q3、Q9樁)在5月中旬后,打樁距離試驗(yàn)區(qū)域越來(lái)越近,最近約20 m,樁頂出現(xiàn)抬升,實(shí)測(cè)曲線(xiàn)見(jiàn)圖4。
—Q1(西北); —Q3(東北); —Q7(西南);—Q9(東南)。
軸力測(cè)力計(jì)剛安裝完成,螺栓擰緊后產(chǎn)生一定的松弛,壓力減小,軸力測(cè)力計(jì)第2次測(cè)值為負(fù)值,在此期間地表沉降增量很小,下拉荷載以第2次測(cè)值為初始值計(jì)算增量。隨著時(shí)間增長(zhǎng),樁周土體沉降大于樁身沉降,試樁承受下拉荷載,軸力測(cè)力計(jì)受壓為正,最大值約100 kN,實(shí)測(cè)曲線(xiàn)見(jiàn)圖5。
—H8(20 m)-南側(cè); —H6(25 m)-東側(cè); —H2(30 m)-北側(cè); —H4(35 m)-西側(cè); —H5(40 m)-中間。
試驗(yàn)最大下拉荷載不超過(guò)100 kN,型鋼變形可忽略,即樁土相對(duì)位移等于地表沉降減去反力樁樁頂沉降,對(duì)下拉荷載與樁土相對(duì)位移的相關(guān)關(guān)系進(jìn)行分析,如圖6~8。
—樁土相對(duì)位移; ---樁土相對(duì)位移趨勢(shì)線(xiàn);—下拉荷載; —·下拉荷載趨勢(shì)線(xiàn)。
—樁土相對(duì)位移; ---樁土相對(duì)位移趨勢(shì)線(xiàn);—下拉荷載; —·下拉荷載趨勢(shì)線(xiàn)。
—樁土相對(duì)位移; ---樁土相對(duì)位移趨勢(shì)線(xiàn);—下拉荷載; —·下拉荷載趨勢(shì)線(xiàn)。
根據(jù)表2,試驗(yàn)期間現(xiàn)場(chǎng)工況可分為三個(gè)階段:1)4月中旬—5月上旬,以強(qiáng)夯施工為主(簡(jiǎn)稱(chēng)“工況1”);2)5月中旬—5月下旬,在距離試驗(yàn)區(qū)域較遠(yuǎn)范圍(200~300 m)打樁(簡(jiǎn)稱(chēng)“工況2”);3)5月底—6月中旬,在距離試驗(yàn)區(qū)域較近范圍(20~50 m)打樁簡(jiǎn)稱(chēng)“工況3”)。根據(jù)圖6~8,可見(jiàn)20,30,40 m試樁具有相同的規(guī)律:
1)“工況1”。樁土相對(duì)位移增大,下拉荷載增大,兩者呈正相關(guān)。
2)“工況2”。樁土相對(duì)位移增速變小,下拉荷載增速減小更為顯著,表明下拉荷載與樁土相對(duì)位移速率有關(guān)。
3)“工況3”。樁土相對(duì)位移減小(回彈),下拉荷載減小。
為進(jìn)一步探究下拉荷載與樁土位移速率的相關(guān)關(guān)系,見(jiàn)圖9~11,可見(jiàn)20,30,40 m試樁具有相同的規(guī)律:
—樁土相對(duì)位移速率; ---樁土相對(duì)位移速率趨勢(shì)線(xiàn);—下拉荷載; —·下拉荷載趨勢(shì)線(xiàn)。
1)“工況1”。樁土相對(duì)位移速率維持在較大值0.3~0.6 mm/d時(shí),下拉荷載增長(zhǎng)較快,20,30,40 m試樁最大下拉荷載分別約50,70,35 kN。
2)“工況2”。樁土相對(duì)位移速率降低至0.1~0.2 mm/d,下拉荷載整體幾乎保持不變,20,30,40 m試樁最大下拉荷載分別約52,77,31 kN。
3)“工況3”。樁土相對(duì)位移速率減小,甚至回彈,下拉荷載減小。
—樁土相對(duì)位移速率; ---樁土相對(duì)位移速率趨勢(shì)線(xiàn);—下拉荷載; —·下拉荷載趨勢(shì)線(xiàn)。
—樁土相對(duì)位移速率; ---樁土相對(duì)位移速率趨勢(shì)線(xiàn);—下拉荷載; —·下拉荷載趨勢(shì)線(xiàn)。
根據(jù)下拉荷載與樁土相對(duì)位移速率關(guān)系分析,工況2樁土相對(duì)位移沉降速率減小,下拉荷載增長(zhǎng)速率減小,甚至不變。為進(jìn)一步探究下拉荷載變化速率與樁土相對(duì)位移速率的關(guān)系,繪制圖12,可見(jiàn),下拉荷載相對(duì)樁土相對(duì)位移速率變化具有滯后特性。采用階段平均速率進(jìn)行分析:
圖12 下拉荷載變化速率與樁土相對(duì)位移速率關(guān)系(20 m,南側(cè))
1)“工況1”。樁土相對(duì)位移速率為0.3~0.6 mm/d,下拉荷載平均變化速率為1.3~2.6 kN/d;
2)“工況2”。樁土相對(duì)位移速率為0.1~0.2 mm/d,下拉荷載平均變化速率趨于零。
為研究不同時(shí)刻的下拉荷載與樁長(zhǎng)的關(guān)系,繪制圖13,可見(jiàn)20~30 m試樁下拉荷載隨著樁長(zhǎng)的增加而增加,30~40 m試樁下拉荷載隨著樁長(zhǎng)的增加而減小,據(jù)此,初步判定中性點(diǎn)位置位于標(biāo)高-20.000 m(樁長(zhǎng)25 m)~-25.000 m(樁長(zhǎng)30 m)。
—4/26; —5/21; —5/26; —5/31。
Johannessen等通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)樁側(cè)負(fù)摩阻力的大小與樁周土體的豎向有效應(yīng)力成正比關(guān)系,并以此提出了有效應(yīng)力法[26]。JGJ 94—2018《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》[27]即采用有效應(yīng)力法來(lái)計(jì)算樁基負(fù)摩阻力值:
qsi=ζiσ′i
(1)
式中:qsi為第i層土樁側(cè)負(fù)摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值;ξi為樁周第i層土負(fù)摩阻力系數(shù);σ′i為樁周第i層土平均豎向有效應(yīng)力。
試驗(yàn)通過(guò)設(shè)置不同樁長(zhǎng)試樁,采用懸吊法測(cè)定樁側(cè)的平均負(fù)摩阻力,推求不同地層的負(fù)摩阻力及中性點(diǎn)位置。根據(jù)場(chǎng)地地層條件試樁深度范圍內(nèi)可分為填土和軟弱土層(粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土),分析步驟如下:
1)計(jì)算20,25 m試樁填土層和軟弱土層的平均豎向有效應(yīng)力,以填土層和軟弱土層的負(fù)摩阻力系數(shù)ξ1、ξ2為變量,建立20,25 m試樁填土層和軟弱土層的樁側(cè)負(fù)摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值表達(dá)式:
(2)
2)選擇計(jì)算時(shí)刻,根據(jù)實(shí)測(cè)20,25 m試樁的下拉荷載Qg(20)和Qg(25),聯(lián)立方程組(式(3)),求解ξ1、ξ2:
(3)
3)假設(shè)30 m試樁全長(zhǎng)均承受負(fù)摩阻力,試算下拉荷載(式(4)),若計(jì)算結(jié)果大于30 m試樁實(shí)測(cè)下拉荷載,表明中性點(diǎn)位于標(biāo)高-20~-25 m(試樁受力如圖14),樁頂實(shí)測(cè)下拉荷載為中性點(diǎn)以上負(fù)摩阻力引起的下拉荷載與中性點(diǎn)以下正摩阻力引起的上抬力之差:
圖14 試樁受力示意
11.38σ′1ζ1+18.42σ′2(30)ζ2=Qg(30)/(πd)
(4)
4)根據(jù)試樁與地層的相對(duì)位置,40 m試樁樁端位于②3a,靠近樁端的正摩阻力較小,因此通過(guò)30,35 m試樁下拉荷載差值,估算正摩阻力q(式(5)):
(35-30)qπd=Qg(30)-Qg(35)
(5)
5)假設(shè)中性點(diǎn)與填土層層底的距離為H,根據(jù)30 m試樁實(shí)測(cè)下拉荷載(式(6))求得H,即確定中性點(diǎn)位置。
(18.42-H)q=Qg(30)/(πd)
(6)
根據(jù)上述計(jì)算方法,求解不同時(shí)刻的負(fù)摩阻力系數(shù)、中性點(diǎn)位置及填土層、軟弱土層的負(fù)摩阻力均值,如表4所示。
表4 負(fù)摩阻力及系數(shù)、中性點(diǎn)
1)隨著時(shí)間增長(zhǎng),負(fù)摩阻力系數(shù)逐漸增大,表明負(fù)摩阻力在逐漸發(fā)揮,且上部土層(填土)比下部土層(軟土)增長(zhǎng)較快,因土體沉降由下而上逐漸累計(jì),但遠(yuǎn)小于正摩阻力極限值。
2)隨著時(shí)間增長(zhǎng),中性點(diǎn)深度逐漸增大,約在標(biāo)高-24~-25 m。
3)地表沉降速率較小,且較快減小至0.2 mm/d以下,負(fù)摩阻力幾乎不再增長(zhǎng),下拉荷載小于極限狀態(tài)。
根據(jù)JGJ 94—2008,按較為不利的端承樁驗(yàn)算樁基承載力,單樁承載力特征值R1應(yīng)滿(mǎn)足式(7)的要求:
(7)
式中:Quk為單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值,可由靜載試驗(yàn)確定;K1為安全系數(shù),取值2。
此外,樁身強(qiáng)度考慮下拉荷載,單樁承載力特征值R2應(yīng)滿(mǎn)足式(8)的要求:
(8)
式中:R為樁身軸心受壓承載力設(shè)計(jì)值。
負(fù)摩阻力綜合安全系數(shù)法即單樁承載力特征值不小于單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值除以綜合安全系數(shù)。單樁承載力特征值R3應(yīng)滿(mǎn)足式(9)的要求:
(9)
式中:K2為綜合安全系數(shù),對(duì)該項(xiàng)目取值2.2~2.5。
此外,對(duì)樁身強(qiáng)度進(jìn)行同比驗(yàn)算,單樁承載力特征值R4應(yīng)滿(mǎn)足式(10)的要求:
(10)
舟山某石化基地二期工程根據(jù)負(fù)摩阻力綜合安全系數(shù)法確定單樁承載力特征值建議值。根據(jù)下拉荷載試驗(yàn),負(fù)摩阻力系數(shù)填土取0.025,軟土取0.006,樁頂標(biāo)高和中性點(diǎn)深度分別按+4.8,-25.0 m考慮,根據(jù)不同樁徑的管樁估算其承擔(dān)的下拉荷載,按JGJ 94—2008驗(yàn)算單樁承載力特征值建議值滿(mǎn)足JGJ 94—2008的要求,見(jiàn)表5,表明該項(xiàng)目負(fù)摩阻力綜合安全系數(shù)法取值2.2~2.5可滿(mǎn)足工程應(yīng)用需求。
表5 樁基承載力驗(yàn)算結(jié)果
通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究了堆載預(yù)壓卸載后,隨著時(shí)間變化,不同樁長(zhǎng)試樁的下拉荷載與樁土相對(duì)位移以及樁土相對(duì)位移速率關(guān)系的變化規(guī)律,結(jié)論如下:
1)下拉荷載不僅受樁土相對(duì)位移影響,同時(shí)與樁土相對(duì)位移速率相關(guān),在樁土相對(duì)位移速率0.3~0.6 mm/d時(shí),最大下拉荷載約70~80 kN,當(dāng)樁土相對(duì)位移速率降低至0.1~0.2 mm/d時(shí),下拉荷載趨于穩(wěn)定。
2)隨著時(shí)間增長(zhǎng),負(fù)摩阻力及系數(shù)有一定程度增長(zhǎng),但負(fù)摩阻力遠(yuǎn)小于正摩阻力極限值,中性點(diǎn)深度也逐漸增大,至一定深度后趨于穩(wěn)定(標(biāo)高-25.000 m)。
3)根據(jù)下拉荷載實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)反演負(fù)摩阻力系數(shù)及中性點(diǎn)深度,進(jìn)而估算不同樁徑預(yù)應(yīng)力管樁的下拉荷載,驗(yàn)算綜合安全系數(shù)取值2.2~2.5時(shí),建議單樁承載力特征值滿(mǎn)足工程要求。