軟土固結及樁基負摩阻力研究

楊慧芳

河北省秦皇島市昌黎縣水務局 河北秦皇島 066600

1 概述

天然沉積的軟粘土一般具有結構強度，結構強度是土的固體顆粒的特定排列及相互接觸處由于周圍環境的改變，結構性的強弱可用結構屈服應力比來表征，我國大部分軟粘土的結構屈服應力比為1.1-2.5左右，湛江粘土可達10左右，結構性增大了土體的剛度，使其力學性質與應力水平密切相關，應力水平較低時，土體的壓縮性低，應力水平高時土體的結構受到破壞，壓縮性較高，二者相差3-4倍甚至更高。

軟土的固結試驗研究。沉降是一個古老的話題，但傳統固結理論受其自身三個簡化假定的限制：①傳統的固結理論假定Cv是常量，然而，Cv隨著壓力的增長而減小，作為這些影響的結果，Cv隨著土層深度而變化，隨著固結時間而變化。這些變化會導致與用傳統方法計算出的沉降不同。②傳統固結理論假定土骨架的應力應變關系是線彈性的，實際上，土的壓縮性不是線性的也不是彈性的。這對計算固結有較大的影響。③采用均一的應變剖面。在實際工程中，固結過程中的應變是不均一的，因為隨謀度的增加、表面荷載的減小而引起的應力增加，或是隨深度減小的壓縮能力，或兩者都有，所以應變總是隨深度而減小的。

這是因為在高于結構屈服應力的壓力下，粘土的壓縮性將比低于結構屈服應力的壓力下的壓縮性大10倍?？紤]不同的結構屈服應力，將得到不同的沉降計算結果。傳統的設計方法將Cv視為定值，并選擇一個單一的Cv來計算沉降速率，然而現實中，選擇一個單一Cv值來代表整個固結過程中整個土層是不合適的。Cv在土的欠固結狀態和超固結狀態下是不同的，這樣，當粘土中大部分土體的有效應力最初是小于結構屈服應力的，而當固結發展過程中，其有效應力逐漸大于結構屈服應力，那么，整個固結過程中，Cv將有相當大的變化[1]。因此，沉降的精確分析要求計算機的分析應用，能夠考慮Cv在土層中的變化。

2 軟土中樁基負摩阻力問題

當樁位于尚在固結沉降的土層時，就會在樁側土層與樁身有相對向下位移的部分產生負摩阻力，而在樁側土層與樁身有相對向上位移的部分產生正摩阻力。正、負摩阻力變換處的位置稱為中性點，因此，中性點是樁土位移相等的斷面。

事實上，因為土體結構性的存在，軟土地基及其受到擾動的固結沉降用傳統的太沙基固結理論是無法描述的，而且，隨著人們對土體結構性的認識發展，發現天然結構性土體K0值及泊松比，在固結過程中是不能用一定值描述的。為此，本文從樁一土相互作用的機理出發，在地基固結沉降計算中考慮結構性的因素，且在樁土界面考慮K0及，隨固結的變化，以此推求結構性軟土地基中的樁基負摩阻求解方法，并編制了計算程序，通過詳細的算例對比，得出了對工程有較強指導意義的結論[2]。

3 樁基所受負摩阻的試驗研究

負摩阻力對樁基工程有較大影響，如果在樁基礎設計時未考慮或未能充分合理的考慮到負摩阻力的影響，對于端承樁，就有可能造成樁身或樁端地基破壞；對于摩擦樁，上部結構就會加大沉降或產生不均勻沉降。

土工離心模型試驗是一種行之有效的物理模型，是以相似理論為理論基礎，將原型材料按一定比尺制成模型后，置于由離心機生成的離心場中，通過加大土體的體積力，使模型達到與原型相等的應力狀態，從而使原型與模型的變形和破壞過程保持良好的相似性，并以此來研究原型的變形與破壞。因此，可以通過離心機模型實驗模擬軟土固結孔隙水壓力變化，軟土與樁的沉降，以及軟土固結對樁負摩阻力的影響。

根據目前對樁基負摩阻力的試驗研究，主要有以下成果：

（1）摩擦樁中性點位置在現場試驗和離心機模型試驗中基本一致，都小于規范所提供的中性點深度。

（2）摩擦樁中性點位置，隨著土層固結沉降減緩而略有上移，但是隨著超靜孔壓的消散，樁側土有效應力增大，中性點上部的負摩阻力也隨之增大，所以上移后的中性點處樁身軸力并不減小。端承樁位于堅硬持力層上，樁端沉降很小，所以中性點位于可壓縮土層下部[3]。

（3）確定樁的類型是摩擦樁或是端承樁后，樁徑和樁長對負摩阻力的影響不大，成樁工藝對負摩阻力的影響較大，離心機模型試驗中鉆孔后放入預制模型樁的工藝所得樁側摩阻力系數遠比現場試驗小，說明該工藝與現場試驗對樁基負摩阻力的影響是不同的。與規范相比處于一個較高的水平。建議在工程中充分考慮成樁工藝對負摩阻力的影響。

（4）相同工況下，端承樁和摩擦樁所受負摩阻力大小在摩擦樁中性點附近以上區域基本一致，工程中兩者可以相互借鑒。

（5）離心機模型試驗中對現場試驗中由于施工等因素所引起的不足有一個很好的彌補作用。

4 小結

在軟土壓縮特性研究成果的基礎上，通過理論計算和試驗研究，可得到以下結論：

（1）軟土的固結試驗表明原狀土和重塑土具有不同的壓縮曲線性狀、固結系數、壓縮系數隨著壓力的變化趨勢；且加壓率對其的影響也是不同的。①原狀土的壓縮曲線為前緩后陡的曲線形，而重塑土的壓縮曲線近似為一條直線。②原狀土和重塑土的壓縮系數具有不同的變化趨勢。原狀土的壓縮系數在初始加荷階段較小，逐漸增大到一定的峰值之后開始減?。划攽Τ^一定的值之后，減小到與重塑土的壓縮系數接近。而重塑土的壓縮系數在初始階段較大，后逐漸減小到一定的值。③加壓率對原狀土的壓縮系數隨著壓力的變化趨勢影響較大；而對重塑土的壓縮系數隨著壓力的變化趨勢影響不大。加壓率越大，原狀土壓縮系數的峰值所對應的應力越??；且在較小的應力下大于重塑土的壓縮系數。

（2）本文認為土體結構性指土體組構和土顆粒的膠結，假定擾動影響主要表示為膠結強度的喪失程度。結合結構性軟土壓縮特性研究提出了結構性軟土的一維固結半解析計算方法，壓縮指數分段式的取值可以較好的考慮到結構性對土體固結的影響。研究表明：①結構強度對固結有著顯著的影響，且較小荷載作用下該影響尤為突出。因此堆載預壓時應全面評估加載大小的影響，盡可能的發揮結構強度對固結的作用。②受到擾動的土體固結速率較原狀土慢，且擾動度越大、擾動影響的深度越大，則固結速率越慢。原狀土和擾動土按沉降定義的固結度在固結初期大于按孔壓定義的固結度，而固結中后期兩者出現交替，且該性狀與結構強度，擾動程度及加載大小相關。③擾動不但會減緩固結速率，還會引起附加沉降，增大地基最終沉降量，且擾動度及擾動影響的深度越大，則附加沉降量越大，這點在上覆荷載較小時表現尤為明顯。實際工程中，應在預壓堆載的施工中盡量減小擾動。

（3）由單層結構性軟土的一維固結半解析計算方法，推廣運用到變荷載下成層結構性軟土。通過算例表明結構性軟土上部如果有結構強度較高土層則對整個地基的固結起到了加快的作用，不同加載速率對固結速率有著不同的影響，相同情況下，加載速率越快固結速率也越快。

（4）從樁一土相互作用的機理出發，在地基固結沉降和樁土界面計算中考慮結構性的因素對負摩阻問題進行了求解，得到以下結論和建議：①固結初期，樁基位于原狀土中所受負摩阻力較大，在摩擦樁中還表現為中性點位置偏下，在摩擦樁中表現為中性點位置偏上。說明在工程實際中對地基的擾動會使初期監測得到樁基負摩阻力偏小，而在原狀土中的監測反而偏大，且在原狀土中的摩擦樁中性點位置偏下。②固結完全后，受到擾動的結構性軟土地基最終沉降量比原狀土大，樁基位于原狀土地基中所受的負摩阻力最終值要小于樁基位于完全擾動土地基中所受的負摩阻力最終值。這一點在地基上覆荷載較小的情況下尤為突出。地基上覆荷載對樁基所受負摩阻有顯著的影響，上覆荷載增大時，在端承樁中表現為樁身摩阻力增大，而在摩擦樁中表現為樁身所受摩阻力增大，且中性點位置下移。因此，在工程中因充分評估堆載對樁基負摩阻力的影響。③有效應力法對樁基負摩阻力的評估在中點附近是偏大的，而對于原狀土來講，因為結構性的存在使其在固結速率、地基最終沉降和K0特性方面與完全擾動土是不一樣的，因此采用有效應力法對樁基負搖阻的計算是偏保守的。

通過樁基負摩阻的試驗研究表明樁徑和樁長對負麟阻力的影響不大，而成樁工藝對負摩阻力的影響較大，離心機模型試驗中鉆孔局放入預制模型樁的工藝所得樁側摩阻力系數p值遠比現場試驗小，說明該工藝馬現場試驗中先沖擊成孔再灌注混凝土的施工工藝對樁基負摩阻力的影響是不同的，因為灌漿過程中，有混凝土滲入或擠入樁周土體中，實際有效樁徑增大。與規范相比，p值處于一個較高的水平。建議在工程中充分考慮成樁工藝對負摩阻扣的影響。