軟基樁側負摩阻力彈塑性分析及幾個關鍵問題

袁燈平

(上海市巖土工程檢測中心 上海 200072)

1 概述

在軟土地基中，當樁周土層下沉量大于樁身下沉量時將產生樁周負摩阻力，可能會造成樁身破壞、樁端地基屈服或破壞以及上部結構不均勻沉降。如何合理地考慮樁基表面負摩阻力對樁基礎的作用，是樁基設計中長期存在的問題之一[1]，[2]。特別是在軟土地基的樁基實踐中，工程設計人員對于要不要考慮負摩阻力以及如何考慮負摩阻力等問題一直模糊不清，常常感到較為棘手甚至束手無策。目前，大多數關于負摩阻力的研究都是針對端承樁，而軟土地區常采用的摩擦型樁樁側表面負摩阻力的研究則相對薄弱。基于此，為了真實反映樁土共同作用機理，本文考慮樁土接觸面效應，以三維彈塑性有限元為手段，模擬了某軟土地區樁基在填土堆載作用下不同影響因素下的工作性狀；同時，對以后關于負摩阻力的研究中仍亟需解決的幾個關鍵問題等進行了探討，期望能為類似條件下樁基礎的設計及施工提供一定的參考。

2 數值試驗模型

2.1 幾何模型及單元選取

樁土共同作用屬于空間問題，考慮到模型的對稱性，可取1/4原型進行數值試驗研究。本文選取某典型軟土地區一工程樁（樁徑D=700mm）作為原型樁來進行數值模擬分析。經試算，本文實體模型土體寬度方向取約20R（R為樁的半徑），由于2倍樁長范圍內存在中、微風化基巖，因此土體深度方向取到基巖面。

模擬時，土體單元選用具有塑性功能的三維八節點實體單元，樁體單元選用三維八節點混凝土單元。為了模擬樁土共同作用的實際情況，在樁土界面間設置了零厚度接觸面單元，選用的接觸模式如圖1所示。利用該接觸面單元能夠較好地反映樁土在荷載作用下的相互作用性狀。

圖1 樁土接觸模型

2.2 數值試驗模型參數

模型中所用土層的物理力學參數根據工程地質報告提供參數選取。

樁體模型物理力學參數為：E=30GPa，ν=0.17，γ=25.0kN/m3。

由于無實際的樁土接觸面試驗參數，因此只能根據工程地質報告提供的土體力學性質參數，參考有關資料和作者的經驗進行綜合確定。為保證樁土之間不發生過大的法向嵌入變形，樁土界面的法向剛度kn取一個較大的值，切向剛度ks取一個較小的值。

2.3 邊界條件及模型求解

模型邊界條件設置如下：上表面取地表自由邊界；下表面取X、Y、Z三方向位移固定位移邊界；樁體及其兩側土體邊界面為對稱位移約束邊界；背后兩界面分別取相應水平向位移固定約束。根據以上條件建立樁土相互作用彈塑性有限元分析模型如圖2。

圖2 樁土相互作用三維有限元分析網

3 影響因素分析

模擬發現，在無填土堆載時，在樁頂荷載作用下，樁身荷載和樁身位移隨深度遞減，樁側摩阻力自上而下逐步發揮。由于樁的長徑比過大（本算例原型樁長徑比L/D≈93.6），荷載傳遞以樁側摩阻力為主，在豎向工作荷載下，端承力不足樁頂荷載的5%，體現出摩擦樁的特點。在填土堆載作用下的分析結果表明，考慮到樁土的相互作用，樁側負摩阻力受許多因素影響，圖3～圖6分別為土體特性、樁土界面參數、堆載及土體結構性等對負摩阻力的影響分布規律圖。

3.1 土體特性影響

模擬表明，在無填土堆載作用時，僅受樁頂荷載作用下，樁身承受正摩阻力，此時當樁側土體的壓縮模量增加一倍時，樁身軸向應力略有降低，端承力約占樁頂荷載的3%，由原來的310kPa降低到284kPa，較原來降低了8.4%，樁頂沉降量顯著降低，由原來約7.54cm降低到4.37cm，降幅達40%以上，表明樁土荷載分擔比有所降低，即土體的承載力得到了較充分發揮。在填土堆載作用下，樁身承受負摩阻力，隨著樁側土體壓縮模量的增加，樁身所受到的負摩阻力略有降低，當土體壓縮模量增大一倍時，樁側土體沉降量降低約50%，樁頂沉降量降低達40%，軸向力最大值約降低10%。圖3為樁端土體壓縮模量增大一倍時樁土體應力、變形圖，表明樁身下拉荷載有所增加，由原來5466.5kPa增加到5610.1kPa，增加幅度僅2.6%，傳遞到樁端的軸向應力變化不明顯，這可能與樁的長徑比過大有關；另一方面，由于下拉荷載的增量相對于樁體彈性模量仍較小，因此樁的彈性壓縮變形量基本不變，但由于樁端土體壓縮沉降量明顯減小，故樁頂沉降量也相應顯著遞減。

圖3 Esb增大一倍時應力變形圖（填土1.0m）

3.2 樁土界面參數影響

分析發現，在無填土堆載作用時，僅受樁頂荷載作用下，樁身承受正摩阻力，當樁土界面強度增大一倍時，傳遞到樁端的軸向應力由原來的310.4kPa降低為300.3kPa，樁端沉降量略有降低，而樁體彈性壓縮變形量基本不變，故總體表現為樁頂沉降量略有降低，樁體軸向應力有所減小，因此增大樁土界面強度，可以降低樁土荷載分擔比。圖4為在填土堆載作用下，樁身承受負摩阻力時，樁土界面參數增加一倍時的樁土體應力、變形圖，可發現樁土界面強度增大時，樁身下拉荷載增加，樁端軸向應力有所增加，樁端土體沉降量略有增加，樁體彈性壓縮變形量由原來0.76cm增加到0.87cm，故樁頂總沉降量也由原來7.48cm增加到7.59cm，增加幅度約1.5%。

圖4 界面參數增加一倍時應力變形圖（填土1.0m）

3.3 堆載影響

圖5為樁身軸向應力與填土堆載高度關系曲線圖。模擬表明土體承擔堆載后，在樁頂處擴散的應力值較小，然后在樁體中沿深度的分布先遞增后遞減，其拐點即中性點深度約為（0.61～0.64）L（L為樁長），下拉荷載與堆載強度呈非線性正相關系。同時模擬還表明，堆載一定時，樁附近地面沉降較遠離樁處小，隨著距樁越遠，土體沉降量增加，但逐漸趨于均勻；隨著堆載增加，地面各點處沉降均增大，樁基下拉荷載也急劇增加。

圖5 樁身軸向應力與填土高度關系曲線圖

3.4 土體結構性影響

軟土具有明顯的結構性[4]，大多數土體經過擾動或重塑以后要喪失部分強度，根據文獻[5]的研究成果：當軟土的原位結構遭破壞后，其凝聚力基本喪失，土體內摩擦角變化不大。因此在數值模擬時，考慮到計算的收斂性，將樁周各土層材料參數C值均降低到0.1kPa，而φ值基本不變，以此來考慮土體結構性的影響。

圖6為土體結構性破壞后在填土1.0m時樁土體的應力圖、變形圖。結果表明：在受填土堆載作用時，因土的結構性被破壞，樁身受到的下拉荷載急劇減小，降低幅度超過50%，樁頂沉降量變化不大。從表面上看來，土體的擾動“似乎有利于”降低樁側表面負摩阻力，但實際上樁基在樁頂荷載作用下，因土體擾動導致的地基強度不足使樁基沉降量過大而喪失繼續承受外部荷載的能力，因此在工程施工中應盡量避免對樁周土體擾動。

圖6 土體結構破壞后應力、變形圖（填土1.0m）

4 仍待解決的幾個關鍵問題初探

文中通過彈塑性有限元法對軟土地基樁負摩阻力的影響因素進行了分析，但由于樁土相互作用的復雜性，仍有一些關鍵問題急需加強研究。在此，作者根據自己的研究體會，初步探討幾個有待解決的問題，以期為以后該問題的研究能夠提供一點借鑒。

4.1 現場原位測試及測試技術急需加強

鑒于原位測試費用昂貴等原因，我國關于樁側表面負摩阻力的現場原位測試較為少見。有些生產單位甚至寧愿把樁基設計得很保守也不愿去做負摩阻力的現場試驗，這種現狀一方面浪費了資金，另一方面也可能沒有解決因負摩阻力可能造成的隱患。長此以往，我國的樁側負摩阻力的研究就不會有大的根本性的進步，僅僅依靠那些層層簡化的理論公式或者實測數據不多的經驗公式是解決不了問題的。特別是隨著城市經濟建設的發展，將會出現越來越多的負摩阻力問題，如城市中的環境巖土工程問題、沿海沿江超高填土碼頭、圍海造陸工程等都不可避免遇到負摩阻力問題。因此，建議從規范角度強調應做一定比例的樁負摩阻力原位試驗，這對于驗證并完善樁基負摩阻力的計算方法等具有重要意義。有條件的情況下可選取有代表性的某些樁基采用消減負摩阻力的措施進行處理并進行實測，這可為以后類似工程設計奠定基礎。

另外，在存在負摩阻力的樁基中，樁基的靜載試驗如何反映負摩阻力的存在及大小一直也是一個難點。目前的常規樁基承載力檢測方法，要準確評估負摩阻力的影響是很困難的。

4.2 樁土界面摩擦試驗亟待加強

考慮到樁土相互作用的復雜性，正確了解樁土接觸面力學特性并選定合適的力學參數，對于正確計算樁側表面負摩阻力等具有重要意義。目前，我國關于樁土接觸面的試驗研究資料相對還較少，對樁土界面的力學特性及參數進行專門研究很有必要。目前國內水利水電系統的壩基工程對界面摩擦試驗研究較多，而實際上壩基與巖土體的摩擦界面與樁土體摩擦界面的受力條件不同，前者的法向壓力多為常壓力，而后者的法向壓力多呈線性變化。另外，各種材料類型的樁與土體的界面的粗糙程度也不一樣，其對接觸面力學性質和變形機理的影響也不同。

4.3 軟土流變效應對負摩阻力的影響研究

流變性實際上包含蠕變、粘滯、松弛、長期強度等方面，其主要的工程表現為變形的長期性，軟土因具有大孔隙比、高含水量、高壓縮性等特點，其流變性將更加明顯[6]。在樁基沉降課題中，關于軟土流變性的影響研究的較少，目前國內關于軟土流變性對負摩阻力影響的研究基本空白。若在設計中對軟土的流變性認識不足，則對軟土地基中的各類建（構）筑物可能產生的下拉荷載預估不充分，必將導致一些工程隱患。

4.4 加強負摩阻力的施工效應分析

在巖土工程中，施工效應的影響現在越來越顯著和受到重視。同樣，在樁側表面負摩阻力的研究中施工因素的影響也應合理考慮，施工因素將使負摩阻力的產生與變化以及負摩阻力荷載和上部結構荷載的組合過程變得更加復雜。例如，打入樁基的負摩阻力及其對樁基沉降的影響，不僅涉及到樁與樁基幾何尺寸、樁周土類型與滲透性，還涉及到群樁和上部結構施工等因素。事實上，負摩阻力產生的下拉荷載隨施工過程將呈非線性動態變化，由于巖土性質的復雜性以及施工因素的復雜性，對負摩阻力的施工效應需大力研究。

4.5 水平荷載對負摩阻力的影響研究

建在軟土地基上的高速公路、橋涵工程以及港口高填土高樁碼頭工程中，樁基在承受下拉荷載的同時往往還要承受樁側填土或者波浪力等產生的水平推力作用，如何考慮水平荷載作用對樁側負摩阻力及下拉荷載的影響也是一個重要課題。以前的研究多集中于豎向荷載作用對樁基水平承載力的影響或者僅僅在豎向荷載作用下來討論負摩阻力問題，而關于水平荷載對負摩阻力及下拉荷載影響的研究目前還未見有文獻報導。

4.6 群樁負摩阻力計算

當樁以群樁形式出現時，由于群樁效應，群樁中的基樁所承受的負摩阻力在很多方面與單樁不同。由于群樁－土體－承臺的復雜的共同作用，使得中間樁樁土相對位移減少，從而使內部樁段上的負摩阻力大大減弱甚至消除，導致樁體的中性點上移，降低了群樁的總體負摩阻力。因此，研究群樁的負摩阻力及下拉荷載，對于承受負摩阻力的群樁的優化設計、減少工程隱患及節約費用等具有重大的工程應用價值。以往的研究主要是借鑒承受正摩阻力群樁的做法而引入一個負摩阻力群樁效應系數，而截至目前，國內外對承受正摩阻力的群樁效應問題還沒有完全解決，再加上近年來大直徑超長樁及超大規模群樁基礎的出現，對承受正、負摩阻力的群樁的研究均提出了新的更高的要求和挑戰。

5 結論

本文通過三維彈塑性數值試驗，考慮了樁土體接觸面效應，重點分析了一典型軟土地區樁側負摩阻力的影響因素及分布規律。結果表明：

（1）樁側土體壓縮模量增加時，樁身負摩阻力有所降低；對于長徑比較大的樁基，樁端土體壓縮模量的變化對中性點深度及下拉荷載的影響均不顯著。

（2）填土堆載作用下，樁土接觸面強度增加時，下拉荷載增加，樁基沉降量也相應增加。

（3）隨著堆載的不斷增加，下拉荷載不斷增大。

（4）對于靈敏度較大的軟土層，當其原位結構遭到完全破壞后，樁身所受到的下拉荷載顯著減小，但中性點深度增大。

文中提出的幾個關鍵問題值得以后進一步研究。總之，樁側表面負摩阻力及下拉荷載的計算是一個十分復雜的問題。隨著土力學理論的發展和土工測試技術水平的提高，應用各種先進的反演分析方法來進行樁側表面負摩阻力的計算和分析不失為將來的一大研究途徑。

[1]高大釗，趙春風，徐斌.樁基礎的設計方法與施工技術[M].北京:機械工業出版社，1999.

[2]黃強.樁基工程若干熱點技術問題[M].北京:中國建材工業出版社，1996.

[3]王國強.實用工程數值模擬技術及其在ANSYS上的實踐[M].西安:西北工業大學出版社，1999.

[4]沈珠江.軟土工程特性和軟土地基設計[J].巖土工程學報，1998，（1）.

[5]熊傳祥，龔曉南，等.軟土結構性對樁性狀影響分析[J].工業建筑，2000，（5）.

[6]謝寧，孫鈞.上海地區飽和軟粘土流變特性[J].同濟大學學報，1996，（3）.