摘要：桩基负摩阻力是指桩周土由于自重固结、湿陷、地面荷载作用等原因而产生大于桩的沉降所引起的对桩表面的向下摩阻力。桩基因负摩阻力而受损的事故多发, 严重影响上部结构的正常使用。因此, 深入开展桩基负摩阻力的研究对于我国西北黄土地区的工程建设意义重大。系统评述了近年来桩基负摩阻力在理论计算、模型试验和现场试验等方面的研究现状, 重点讨论了不同桩基负摩阻力消减措施的特点和负摩阻力纠偏技术存在的问题, 并对今后黄土场地桩基负摩阻力研究重点和发展方向提出了展望。
关键词：湿陷性黄土; 桩侧负摩阻力; 桩基; 研究进展;
在我国西北地区分布着大面积的湿陷性黄土, 随着西北城市规模的不断扩大, 越来越多的高层建筑和大载荷建筑都面临着采用何种基础类型以及如何处理地基湿陷的难题。桩基础因其具有稳定性好、承载力高、沉降稳定快、抗震性能好等特点使得其成为黄土地区高层建筑物的主要基础形式之一。黄土在天然湿度下具有压缩性低、强度高的特点, 当受到降水浸湿后, 土的强度会显著下降, 在自重和上覆物的重量等一定压力作用下, 结构会迅速破坏并产生显著附加沉陷的性能[1]。黄土的特殊性对桩基的承载能力产生负面影响, 而且可以导致桩身的过大沉降量, 甚至导致建筑物差异沉降、桥墩倾斜等工程事故。如某住宅楼位于兰州市, 属于典型的自重湿陷性黄土地区, 由于建成后未对建筑物四周地坪做硬化处理, 且由于受到连续降雨天气的影响, 部分地基遇水沉陷, 桩侧出现负摩阻力最终使得桩基承载能力急剧降低, 最终导致楼房墙面出现裂缝[2]。由此可见, 负摩阻力的存在将引起结构基础面临稳定性和安全问题, 故此, 深入开展桩基负摩阻力的研究, 必然对推动我国西北地区的工程建设产生深远影响。本文总结了近年来桩基负摩阻的研究进展, 评述并讨论黄土场地桩基负摩阻力的有效消减措施、负摩阻力在建筑纠偏工程中的应用以及黄土震陷对桩侧负摩阻力的影响, 对今后黄土场地桩基负摩阻力的研究发展方向进行展望。
1 黄土场地桩基负摩阻力研究现状
负摩阻力的问题由来已久, 目前国内外桩基负摩阻力的研究成果颇多, 研究主要从理论计算、试验研究及数值仿真等方面进行。
1.1 理论研究现状
1.1.1 有效应力法 (规范法)
我国现行《建筑桩基技术规范》中建议采用有效应力法来计算桩基负摩阻力并建议了中性点位置的确定方法并且给出了计算公式[3]。杨明宇对桩基规范中提出的方法做出改进, 利用对桩身长度范围内求积分的数学方法得到更方便准确的桩侧负摩阻力的计算公式[4]。肖俊华等采用有效应力迭代法计算了某实体工程结构的桩基负摩阻力, 将计算值与实测值进行对比发现, 该方法简单方便可行[5]。
有效应力法虽然计算公式简单, 便于工程应用, 但是该方法还存在局限性: (1) 利用该法求得的负摩阻力在桩身全长范围内与实际情况并不完全相符;具体来说, 在桩身上部结果接近实际值, 而在靠近桩端的桩身下部, 得到的桩基负摩阻力与实际值偏差较大; (2) 由于该法所得的结果是桩侧负摩阻力的极限值, 故求出的桩基负摩阻力值一般偏于保守; (3) 该法与桩土的实际相对位移密切相关, 对于桩土相对位移较小时, 计算值与实际值还存在一定差距, 因此只适用于桩土相对位移较大的情况; (4) 采用该法计算中性点位置时仅凭经验确定, 所得结果与实际有所差别。
1.1.2 荷载传递法
众多学者对于荷载传递函数进行了大量试验, 得到了一些典型的荷载传递函数;周万欢等研究了在堆载固结过程中单桩负摩阻力的性状, 建立了改进后的双曲线模型, 在太沙基一维固结理论的基础上提出了不同桩土截面条件以及不同工况下桩负摩阻力计算方法[6]。赵明华等基于土的固结非线性特征, 选用双曲线应力应变模型对桩侧土沉降计算公式进行推导, 并建立反应桩土界面剪切刚度系数与深度关系的荷载传递函数[7]。
荷载传递方法简单明了, 可以考虑桩侧土的非线性特征和变截面桩的应力应变关系。但是, 该法忽略了土的连续性和应力场效应, 从而导致无法计算桩与桩之间的相互作用 (群桩效应) , 计算结果的精度很大程度上取决于荷载传递曲线的选择, 且不能考虑软弱下卧层的影响, 更无法反映桩侧阻力的强化或退化效应, 在理论上存在一定的局限性[8]。
1.1.3 弹性理论法
弹性理论法是将桩体分成若干个单元, 并认为土在满足弹性条件下的每个单元的桩土位移相等, 基于此来得到剪应力沿桩身的分布, 分别建立桩身位移方程和土的位移方程, 并引入边界条件进行求解。李素华等结合理论分析与数值仿真, 对复杂地基中的桩基承载性能进行了研究, 提出一种新的优化计算方法[9]。杨敏等通过比较荷载传递法和弹性理论法的各自特点, 提出一种兼有两者优点的新的耦合算法, 研究了在侧向位移作用下的桩基承载特性[10]。
弹性理论法的优点是考虑了土体的连续性, 可用于分析群桩负摩阻特性, 有比较完善的理论基础和较完整的理论体系, 但计算较为复杂, 对于土体参数和重要指标的确定方面都有待进一步研究确定。该法假定土体为理想弹性体, 忽略了土体的非线性特性和桩———土相对滑移的影响, 与工程实际值相比还是存在较大偏差, 适用范围受限, 但可用于程序开发。
1.1.4 剪切位移法
剪切位移法假设桩与土间无相对位移, 通过将桩周土进行单元划分, 桩侧摩阻力会在这些单元周围均匀传递, 并在土体单元周围形成环形应变场, 由相邻单元的静力平衡关系和位移协调方程, 对各单元界面上列出计算方程, 得到桩周土剪切变形位移与环形单元场径变化关系。聂更新等对剪切位移法进行了改进, 提出了适用于塑性变形阶段的广义剪切位移理论, 建立了一种新型的桩土力学模型并用于理论计算, 经过与实测结果对比, 发现该理论能很好地解决工程中的复杂问题[11]。赵明华等对剪切位移法进行了推广并应用于桩基承台梁分析中, 结合算例研究了桩距、承台梁刚度及桩身压缩性对桩顶荷载和位移的影响[12]。
与荷载传递法和弹性理论法相比, 剪切位移法能得到桩周土体的空间位移场, 该法是根据叠加原理来考虑群桩的组合效应, 这是一种相对简单的方法。然而, 该方法没有考虑桩———土之间的相互作用和相对位移, 忽略了桩自身的压缩变形, 桩的工作性状与实际不完全相符, 应在使用时考虑该法的可用范围。
1.2 试验研究现状
1.2.1 模型试验
目前, 桩基负摩阻模型试验主要是研究桩端阻力、桩侧阻力、中性点位置等方面问题。李晋通过现场测试和离心试验研究, 利用数值仿真技术, 结合理论推导, 系统分析了黄土地区桥梁桩基桩–土–承台共同作用[13]。王长丹等为研究和分析黄土的湿陷变形性质与桩基的负摩阻力, 通过离心模型试验, 分别对原状自重湿陷性黄土与重塑湿陷性黄土进行模拟浸水试验[14]。徐亚利等采用室内模型试验, 对黄土地基中大直径超长群桩基础受载沉降关系、桩土承载特性、承台下土体附加应力的分布发展规律以及不同位置桩的承载性能进行全面研究[15]。
模型试验因其具有经济性好, 针对性强、模拟性强等优点而被专家和学者广泛用于桩基负摩阻性质的研究中。但是模型试验受到尺寸效应、边界条件及环境因素等影响, 不可能与工程实际情况完全相符, 因此试验数据的准确性还需进一步结合其他方法进行对比验证, 经常作为大型现场试验的辅助试验开展。
1.2.2 现场试验
关庆华等基于某风电场的风机工程实例, 在湿陷性黄土场地进行单桩静载浸水试验, 对单桩承载力进行计算和验证, 对试验的浸水进行全程观测, 对负摩阻力长度的取值在类似场地桩基设计中提供参考[16]。宗雪梅等以西安市东北二环立交工程为工程依托, 在现场湿陷性黄土场地进行浸水试验以及桩基静载试验, 对湿陷性黄土层中桩基侧摩阻力特性、桩端阻力分布规律以及桩周土的沉降关系进行了系统研究[17]。黄雪峰等在大厚度自重湿陷性黄土场地基于宁夏扶贫扬黄灌溉工程国家重点工程建设项目, 进行了挖孔灌注桩的大型现场载荷-浸水试验, 得出的负摩阻力参考值和中性点位置都远远超出黄土规范规定的范围, 该成果可供今后类似场地的灌注桩的设计及修订黄土规范参考[18]。
现场试验是目前研究方法中最能直接反映实际桩基特性, 有助于推进对桩基负摩阻力规律的掌控, 特别是在大厚度湿陷性黄土地区, 现场试验对系统准确地研究桩基的负摩阻力发挥了重要作用。
1.3 数值仿真研究现状
20世纪以来, 由于计算机科技的突飞猛进, 数值分析方法被人们应用到桩负摩阻力研究中来。Lee、Bolton&Al-Tabbaa首次利用ABAQUS分析软件进行一系列的三维群桩数值模型的建立, 对群桩的负摩阻力进行了分析。李晋基于Visual Fortran平台, 对岩土有限元软件Marc进行二次开发, 对黄土地区桥梁桩基础的桩———土———承台共同作用进行了系统分析[13]。董晓明对非均匀湿陷黄土地区群桩基础承载特性进行了ADINA数值仿真分析, 确定合理准确的米莫修正法的修正系数, 成功模拟湿陷性黄土的湿陷变形[19]。
总体来看, 有限元法计算桩基负摩阻力可对诸多的影响因素同时考虑, 但是这种数值分析方法所得结果建立在模型的假定、众多参数的人为输入及边界条件的设定等基层上, 因此结构的可信度还需大量的工程实践来进行检验。
2 桩基负摩阻力的消减措施
2.1 承台底部的欠固结土层处理
处理方法一般分为两种情况: (1) 对于承台底部欠固结土层厚度不大时, 可以考虑直接将表面的欠固结土层人工挖除换填成好土, 消除欠固结土层引起的桩侧负摩阻力; (2) 承台底部欠固结土层厚度较大, 无法直接挖除时, 可采取的措施较多, 强夯挤淤或土层注浆法都是行之有效的方法, 可达到承台底部欠固结土层迅速固结的目的, 以此消除此部分的负摩阻力。
2.2 加强中性点处材料强度
桩身产生负摩阻后, 桩身轴力的最大值出现的位置并不位于桩顶截面, 而是出现在中性点的位置, 而且负摩阻的存在会使得桩基承载力下降, 因此在设计时要对桩的竖向承载力设计值进行折减, 基于上述两种原因, 对中性点所在截面处应采取加强措施, 一般可以提高该截面处钢筋及混凝土的材料强度, 且应对该位置的强度进行验算。
2.3 套管保护法
该法目前是减小负摩阻效应最重要的一种方法, 其原理为:在负摩阻存在的桩段, 即桩顶到中性点的桩身范围套上一段直径大于桩的套管, 使得桩周土的负摩阻力作用在套管上而不是直接作用于桩身上, 避免了这段桩身受到桩周土负摩阻力的影响, 实践证明, 该法效果明显降低了下来荷载, 但施工时工作量较大, 会影响到整个工程的进度及造价。
2.4 桩身表面涂层法
相比于套管保护法, 桩身表面涂层法在施工工艺上并无过高要求, 施工操作较为简单, 实用性强。该方法是将桩周土存在负摩阻力的区段即桩顶到中性点之间的桩段表面涂抹涂料 (一般为沥青) , 当桩土发生相对位移, 此时桩周土产生的负摩阻力 (下拉荷载) 将作用于涂层材料上, 间接地减小甚至消除负摩阻力对桩基承载力的影响。该方法是目前工程界公认的一种效果最优的降低桩侧负摩阻的方法。
2.5 预钻孔法
对于打入桩与钻孔灌注桩该方法均适用。也就是在插入预制桩前预先在桩位处钻孔, 在中性点以下不出现负摩阻力的桩段用桩锤打入确保其承载力, 在中性点以上桩周土存在负摩阻力的区段, 预制桩与钻孔之间灌入膨润土泥浆来增强该区段的土体的密实度提高土体承载性能, 以达到减小负摩阻力的最终目的[20]。
对于大厚度自重湿陷性黄土场地, 可利用黄土性质采用下列方法: (1) 预浸水法:首先将桩所在位置选取一定范围进行预先浸水, 使场地土的孔隙水压力增加、土的有效应力减少, 黄土湿陷变形量在后期减小, 所产生的负摩阻力降低, 然后再将桩打入; (2) 砂井预压法加固:在预先浸水的前提下, 采用砂井预压法对场地土进行加固, 使土体提前固结, 再将桩打入, 也可大大降低桩侧负摩阻力。
3 负摩阻力在纠偏工程中的应用
由于传统的纠倾工程具有施工技术复杂, 纠倾过程风险大等客观特性, 因此在纠倾工程的准备阶段, 要对建筑物的重要程度、倾斜度、裂缝位置、基础类别、结构形式、地质状况、市政管道、周边影响以及导致倾斜的相关因素都要予以全面而充分的掌控, 从而选择最优纠偏方案。
与传统纠偏相比, 利用负摩阻力纠偏技术具有以下特点:施工简单, 造价低, 对原有基础几乎不产生损害, 且纠偏过程中不搬动扰民, 并可改善地基的均匀性, 其最大的优点是效率高, 可快速有效地达到纠偏目的。基于黄土特有遇水沉陷特性, 陈孟春设计了详尽浸水方案和实施过程, 建立了计算模型, 给定浸水纠偏的初始条件, 为湿陷性黄土场地房屋浸水纠偏提供了理论技术指导, 意义重大[21]。朱彦鹏等提出一种将水注入建筑基础下土体诱使地基补偿沉降纠正偏移建筑的方法, 通过对大量纠偏实践进行分析, 证明湿陷性黄土地区采用该方法效果显著, 可进一步完善该方法涉及的工程理论技术问题[22]。按照此种思路, 使负摩阻力在深桩基础建筑物纠偏工程中得到更好的使用, 从而也为负摩擦阻力的应用推广起到一个更好的开端作用。与此同时, 这种方法也存在着一些缺陷, 比如在结构应力调整的过程中有引起邻近地面道路发生形变的可能、部分砌体会出现裂缝等现象, 因此对此种方法进行更为深入的研究就显得极为必要。
4 黄土场地震陷对桩基负摩阻力的影响
据查阅资料可知, 我国对于强烈地震诱发的黄土震陷时桩基负摩阻力的特性研究资料相当匮乏, 在桩基设计之中尚未考虑此问题。赵琦利用有限元理论研究了震陷发生时黄土地层中的桩土相互作用, 通过对黄土震陷的考察及对黄土场地中桩基在震陷时动力效应和工作状态的研究, 从而使相应的土工抗震设计得到了理论上的支持[23]。王兰民基于爆破模拟地震动诱发黄土震陷条件下桩基负摩阻力现场试验, 对桩侧摩阻力的变化特性进行全程观测, 研究了强震诱使黄土震陷时桩基负摩阻力的特性, 结果表明:地震诱发黄土震陷时产生的桩基负摩阻力值得关注, 在桩基设计时不可忽略[24]。综上, 目前黄土震陷时桩基负摩阻的变化特性并未形成完善的理论体系, 由于人工爆破对黄土的影响不等同于地震作用下土的实际破坏情况, 因此尚未做到理论与实践的统一, 需进一步深入该方面的研究。
5 研究展望
综上所述, 针对黄土场地桩侧负摩阻力, 研究的问题方方面面, 但是总地来说却没有形成一个完整的体系, 桩的负摩阻力课题还是没有完全解决, 还应该从以下几方面加深研究:
(1) 虽然对桩侧负摩阻力起到影响作用的因素很多, 但现存关于地下水位下降对桩侧负摩阻力影响的研究却很少。目前深基坑中的降水井都是在基坑边缘布置, 地下水位无法同步下降, 建议对于不同固结度的土在不同水位下降量对桩侧负摩阻力的影响应与地下水位变化以及群桩效应共同考虑。
(2) 当前对于黄土地区复合地基设计的计算理论还处于不成熟阶段, 复合地基中加固桩体的负摩阻力计算与影响等问题尚未解决, 以故无论是桩基还是复合地基中的加固桩体负摩阻力都有深入研究的空间。
(3) 时下关于桩侧负摩阻力受水平荷载影响的研究很少且大部分的研究是以均质或均变地基为依托, 应大力开展水平荷载条件下非均匀黄土场地桩基的负摩阻力特性的研究。
(4) 负摩阻力在深桩基础建筑物纠偏工程中的应用在某些方面还存在一些问题, 比如在结构应力调整的过程中有引起邻近地面道路发生形变的可能、部分砌体会出现裂缝现象等等, 故该纠偏技术还有待完善。
(5) 在地震作用下, 自重湿陷性黄土场地桩基是否会产生负摩阻力, 若产生负摩阻力又在桩基设计中如何考虑, 目前我国对这方面的研究还非常匮乏, 仅凭一两次人工试验还不足以定论, 还需加强该方面的研究。
参考文献
[1]《工程地质手册》编写委员会.工程地质手册 (第四版) [M].北京:中国建筑工业出版社, 2007:418-439.
[2]熊小平.桩侧负摩阻力的计算及其研究[D].合肥:合肥工业大学, 2009:1-7.
[3]中华人民共和国行业标准编写组. JGJ94–2008建筑桩基技术规范[S].北京:中国建筑工业出版社, 2008:24-28.
[4]杨明宇.有效应力法计算桩基负摩阻力[J].土工基础, 2004 (6) :44-45.
[5]肖俊华, 袁聚云, 亓兴军.有效应力迭代算法计算桩基负摩阻力[J].山东建筑大学学报, 2006, 21 (5) :401-405.
[6] 周万欢.堆载固结过程中单桩负摩阻力形状研究[D].杭州:浙江大学, 2005:52-61.
[7]赵明华, 胡倩, 杨超炜, 等.考虑地基土非线性固结的桩侧负摩阻力计算方法研究[J].岩土工程学报, 2016 (8) :1417-1424.
[8]孔纲强.群桩负摩阻力研究特性[D].青岛:大连理工大学, 2009:14-21.
[9]李素华, 周健, 杨位, 等.复杂地基中桩基承载机理计算研究[J].岩石力学与工程学报, 2003 (9) :1571-1577.
[10]杨敏, 周洪波.承受侧向土体位移桩基的一种耦合算法[J].岩石力学与工程学报, 2005 (24) :4491-4497.
[11]聂更新, 陈枫.单桩轴向荷载-沉降曲线广义剪切位移解析算法[J].中南大学学报 (自然科学版) , 2005, 36 (1) :163-168.
[12]赵明华, 占鑫杰, 邹新军.基于剪切位移法的桩基承台梁分析[J].公路交通科技, 2011 (7) :94-99.
[13]李晋.黄土桩基桩土共同作用性状仿真与试验研究[D].西安:长安大学, 2006:156-159.
[14]王长丹, 王旭, 周顺华, 等.自重湿陷性黄土与单桩负摩阻力离心模型试验[J].岩石力学与工程学报, 2010 (S1) :3101-3107.
[15]徐亚利, 刘增荣.黄土地基中大直径超长群桩基础受力特性的模型实验研究[J].实验力学, 2010 (6) :696-703.
[16]关庆华, 李振作, 张立英.湿陷性黄土地区单桩竖向承载力静载荷浸水试验[J].西北水电, 2010 (5) :79-82.
[17]宗雪梅, 周新平, 狄谨.湿陷性黄土层桩基侧摩阻力的试验研究[J].防灾减灾工程学报, 2011 (6) :710-716
[18]黄雪峰, 陈正汉, 哈双, 等.大厚度自重湿陷性黄土中灌注桩承载性状与负摩阻力的试验研究[J].岩土工程学报, 2007 (3) :338-346.
[19]董晓明.基于黄土非均匀湿陷变形的桥梁群桩基础承载特性研究[D].西安:长安大学, 2013:108-152.
[20]陈长流.考虑湿陷的大厚度黄土地区桩基负摩阻力特性研究[D].兰州:兰州理工大学, 2014:20-50.
[21] 陈孟春.大湿陷性黄土地区建筑物浸水纠偏技术方法研究[D].西安:长安大学, 2005:1-6.
[22]朱彦鹏, 张贵文, 王秀丽, 等.诱使沉降法纠正偏移建筑的模型试验及案例分析[J].岩石力学与工程学报, 2007 (S1) :3288-3296.
[23]赵琦.震陷时黄土地层中桩土相互作用特征研究[D].西安:西安建筑科技大学, 2007:50-60.
[24]王兰民, 孙军杰, 黄雪峰, 等.黄土场地震陷时桩基负摩阻力的现场试验研究[J].岩土工程学报, 2008 (3) :341-348.