樁基濕陷負摩阻力問題研究論述

魏成國 張志輝 高宏義

1 概述

隨著樁基礎(chǔ)在濕陷性黃土地區(qū)的廣泛使用，涌現(xiàn)出了一系列不同于其他地質(zhì)地區(qū)的樁基事故問題，那就是當樁基礎(chǔ)遇水時，建筑物會產(chǎn)生很大的附加沉降，造成建筑物大面積的開裂以及建筑物不同程度的傾斜甚至倒塌，究其原因主要是濕陷性黃土的濕陷特性對樁基承載力的影響，這種影響又集中體現(xiàn)在樁基設計時如何考慮并計算因樁周土濕陷而產(chǎn)生的那部分負摩阻力的大小。因此濕陷性黃土地區(qū)的樁基礎(chǔ)設計考慮的一個重要問題就是如何計算這部分負摩擦力。本文暫且把由于黃土濕陷而產(chǎn)生的樁基負摩阻力稱為樁基濕陷負摩阻力。

2 現(xiàn)行的樁基濕陷負摩阻力的計算方法

2.1 規(guī)范方面

GB 50025-2004濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范規(guī)定:在非自重濕陷性黃土場地，當自重濕陷量的計算值小于 50mm時，單樁豎向承載力的計算應計入濕陷性黃土層內(nèi)的樁長按飽和狀態(tài)下的正側(cè)阻力。在自重濕陷性黃土場地，除不計濕陷性黃土層內(nèi)的樁長按飽和狀態(tài)下的正側(cè)阻力外，尚應扣除樁側(cè)的負摩擦力。對樁側(cè)負摩擦力進行現(xiàn)場試驗確有困難時，可按表 1中的數(shù)值估算。

2.2 理論研究方面

梁守信在“濕陷性黃土地基中單樁負摩阻力”一文中建議:濕陷性黃土地基中樁基，當浸水方式為從上到下時，單樁平均單位負摩阻力可按下式計算:

計算時，式中系數(shù)對非擠土樁取低值，且計算結(jié)果大于15 kPa時取15 kPa;對擠土樁取高值，且計算結(jié)果大于25 kPa時取25 kPa。z為負摩阻力的影響深度，并建議將樁周土濕陷系數(shù) δzs≥0.015的土層作為負摩阻力的作用范圍。

表1 樁側(cè)平均負摩擦力 kPa

劉明振通過理論分析，探討了排土樁的擠密效應、承臺的卸載作用、群樁的屏蔽作用等對群樁負摩阻力效應的影響，首次提出了含有自重濕陷性黃土夾層的場地上群樁負摩擦力的計算公式，由于群樁現(xiàn)場浸水試驗難度大、費用高，所以他提出的公式未能用試驗和實測結(jié)果來驗證。

張厚先用改進的有效應力法并結(jié)合分層總和法來計算濕陷性黃土地基大直徑單樁濕陷負摩阻力，經(jīng)與實測結(jié)果相對比，證明此法比改進前的有效應力法更接近實測結(jié)果，并有可觀的經(jīng)濟效益。

孫軍杰指出樁周土體有效沉降所產(chǎn)生的負摩阻力，其實質(zhì)是重力作用的結(jié)果，即樁周土體在沉降過程中重力對樁身做功。若將此功視為樁的負摩阻力的來源，則可由重力功的表達式構(gòu)造一個與之相仿的式子，用以計算負摩阻力最大值出現(xiàn)的深度，從而得出單樁總的濕陷負摩阻力。

2.3 現(xiàn)場原位試驗方面

張廣林 1979年在 10m×10 m的浸水試坑中用“懸掛法”在西安進行了國營 524廠金工車間單樁濕陷負摩擦力試驗，指出由于黃土的性質(zhì)不同，該場地負摩擦力值比起蘭州地區(qū)要小得多;黃土層的實測自重濕陷量與負摩擦力值之間究竟有何關(guān)系，是需要進一步研究探索的課題;黃土的濕陷速率與負摩擦力的關(guān)系，也需要更多地通過試驗予以研究。

李大展采用當時先進的量測技術(shù)對蒲城電廠大直徑擴底灌注樁作了現(xiàn)場的浸水載荷試驗，發(fā)現(xiàn)浸水期間樁頂有無載荷對樁的沉降影響很大，試驗結(jié)果還表明，對于非自重濕陷性黃土也應考慮其負摩擦力的問題。

張獻輝在關(guān)中平原西部干河二級階地上作了 30m×50m試坑的樁基浸水試驗，對浸水過程中樁側(cè)負摩阻力的變化規(guī)律及浸水對樁豎向承載力的影響等進行了研究，指出浸水對樁的最終豎向承載力影響不大，但對設計承載力有較大影響，設計時需要準確計算這部分負摩阻力。

黃雪峰等用直徑 30m的浸水試坑在自重濕陷性黃土場地上進行了人工成孔混凝土灌注樁基樁靜載與浸水試驗，結(jié)果表明大面積浸水引起樁基濕陷負摩阻力的中性點深度位置將隨著浸水量、浸水時間的增加逐漸下移，試樁所受的負摩阻力作用也隨之逐漸增大，并逐漸趨于穩(wěn)定。此次試樁，在浸水坑地面下沉達到穩(wěn)定標準時，試樁的中性點位置接近樁長的一半。確定本場地在浸水飽和條件下，樁濕陷負摩阻力平均值為15 kPa。

3 濕陷負摩阻力研究的不足及下一步研究重點

從以上可知，人們雖然從多方面對濕陷性黃土地區(qū)的樁基濕陷負摩阻力作了很多的研究，但總的說來沒有一個公式可以普遍應用于不同濕陷性黃土地區(qū)的樁基設計，如果要解決這個棘手的問題，筆者認為應該從以下幾方面轉(zhuǎn)變思路:

1)筆者建議從濕陷的機理出發(fā)，從力和水兩方面著手，用現(xiàn)在黃土力學研究的熱點問題“力水等效原理”并結(jié)合有效應力原理來推導樁基濕陷負摩阻力的解析解，為濕陷性黃土地區(qū)的樁基設計提供可靠的依據(jù)。

2)濕陷負摩阻力中性點的確定問題。負摩擦力計算的首要問題是確定中性點的位置。所謂中性點就是樁土相對位移等于零所對應的樁身某一深度上的點，也即樁身負摩阻力等于零所對應的點。如何確定中性點的位置直接關(guān)系到負摩阻力的取值大小，并且穩(wěn)定后中性點的位置還受諸多因素的影響，如自重濕陷性黃土層的厚度、樁端持力層的性質(zhì)及樁頂荷載等。因此我們在確定中性點位置時不僅要憑經(jīng)驗，還要結(jié)合理論公式推導。

3)現(xiàn)場試驗方面。已有的現(xiàn)場試驗大都是采用“懸掛法”，即假定錨樁在浸水過程中不變形，而實際上錨樁的變形不容忽略，有時還相當可觀，量測技術(shù)再先進試驗結(jié)果也肯定存在偏差。因此筆者建議今后樁基濕陷負摩阻力的現(xiàn)場試驗不僅應該采用先進的量測技術(shù)，還應該采用更合理的試驗方法。另外，確定更接近實際工程情況的群樁濕陷負摩阻力具有現(xiàn)實意義，但群樁的現(xiàn)場浸水載荷試驗迄今還沒有人作過，所以下一步現(xiàn)場濕陷負摩阻力試驗的努力方向應該是群樁的現(xiàn)場樁基浸水試驗。

4)有限元模擬。有限元計算能夠模擬多種情況下樁基濕陷負摩阻力的發(fā)展變化過程，這正好可以彌補現(xiàn)場試驗費用高、時間長且情況單一的缺點，但現(xiàn)在還沒有人能夠正確模擬樁基濕陷負摩阻力的濕陷過程，主要原因有兩點:a.有限元模擬中沒有使用正確的本構(gòu)關(guān)系;b.對黃土浸水濕陷過程的認識不夠清晰。所以，今后要用有限元分析解決濕陷負摩阻力問題應從這兩方面重點著手。

5)最終濕陷負摩阻力的確定。筆者認為黃土規(guī)范應結(jié)合正確的理論推導和現(xiàn)場試驗，并考慮不同地區(qū)的不同黃土類型等因素，為濕陷性黃土地區(qū)的樁基設計者們提供一個簡單而合理的樁基濕陷負摩阻力的計算公式。

4 結(jié)語

1)闡述了濕陷負摩阻力的產(chǎn)生及危害，介紹了目前所使用的樁基濕陷負摩阻力的計算方法，指出目前沒有一種普遍適用的方法可以解決這一問題，建議采用“力水等效原理”并結(jié)合有效應力原理來解決此問題。

2)現(xiàn)場樁基浸水試驗方法還存在不當之處，需要改進，群樁的現(xiàn)場浸水載荷試驗是下一步現(xiàn)場試驗努力的重點。中性點位置的確定不僅要憑經(jīng)驗，還要結(jié)合理論公式推導。

3)提出了進一步解決樁基濕陷負摩阻力的建議，并指出了今后解決濕陷負摩阻力需要改進的方面和努力的方向。

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