樁的臨界位移規(guī)律及其影響因素研究

樁的臨界位移是指當(dāng)樁側(cè)的摩擦阻力達到最大值時，樁側(cè)產(chǎn)生的最大樁側(cè)土壤的相對位移。理論和實驗研究結(jié)果表明,樁-土相對位移是產(chǎn)生樁側(cè)摩阻力的先決條件。因此,正確分析樁的臨界位移,充分發(fā)揮和利用樁側(cè)摩阻力,是樁基優(yōu)化設(shè)計的前提,具有重要的工程意義。在此,本文作者根據(jù)大量的實驗研究結(jié)果,分析樁的臨界位移規(guī)律。1樁-土間摩阻力樁-土間產(chǎn)生相對位移是樁側(cè)阻力發(fā)揮的前提。在加載的開始階段,樁-土的相對位移較小,其應(yīng)力-應(yīng)變呈直線關(guān)系,到達極限位移后,剪應(yīng)力不再增加而趨于定值。對于密實的砂土或超壓密的粘土,由于剪脹性及應(yīng)變軟化的結(jié)果,剪應(yīng)力出現(xiàn)峰值。根據(jù)應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的不同,樁-土荷載傳遞模型可以劃分為加工軟化型,非軟化、硬化型和加工硬化型等幾種類型,如圖1所示。其中:qs為樁側(cè)摩阻力;w為樁-土的相對位移;qsi為不同類型土的樁側(cè)極限摩阻力;qsr1為加工軟化型土的樁側(cè)殘余摩阻力;wui為不同類型土的樁-土極限相對位移;wur1為加工軟化型土達到殘余應(yīng)力狀態(tài)的樁-土的相對位移。美國公路橋梁設(shè)計規(guī)范中鉆孔樁的承載力與沉降關(guān)系曲線有關(guān)資料顯示:在樁底沉渣厚度可以忽略的情況下,樁側(cè)極限阻力發(fā)揮時所對應(yīng)的樁頂沉降一般為樁徑的0.5%,而樁端極限阻力發(fā)揮所需要的樁頂沉降為樁徑的5%~20%。也就是說,樁側(cè)阻力和樁端阻力發(fā)揮所需要的位移并不在1個數(shù)量級。在通常情況下,當(dāng)樁的荷載達到極限承載力時,樁側(cè)極限阻力幾乎全部發(fā)揮,而樁端極限阻力還遠沒有發(fā)揮,一般為極限阻力的10%~20%。通過室內(nèi)直剪摩擦試驗可以模擬測定樁-土間的摩阻力與相對位移之間的關(guān)系曲線(即荷載傳遞曲線)。圖2所示為通過室內(nèi)直剪摩擦試驗得到的在不同垂直壓力作用下,南寧膨脹土與混凝土的摩阻力及相對位移之間的關(guān)系。圖3所示為在不同的垂直壓力作用下,株洲黃粘土與混凝土的摩阻力及相對位移之間的關(guān)系。從圖2和圖3可以看出:不同的土具有不同的臨界位移和極限摩阻力,同時可以看出膨脹土和黃粘土都屬于加工軟化型土。隨著土層深度的不同,樁側(cè)土對樁產(chǎn)生的側(cè)壓力不同,樁-土間的相對位移形態(tài)就發(fā)生了變化。對于加工軟化型土,樁-土相對位移達到某一值時,樁側(cè)摩阻力不但不再隨樁-土相對位移增加而增加,甚至還會隨相對位移增加而減小。樁側(cè)阻力達到極限值時所需要的樁-土相對位移就稱為側(cè)阻臨界位移。樁的側(cè)阻臨界位移與樁的類型和樁周土的性質(zhì)密切相關(guān),根據(jù)國內(nèi)外大量試樁資料及本文所做的有關(guān)試驗結(jié)果,對于不同樁周土、不同樁型、不同樁徑等條件,樁的側(cè)阻臨界位移是不同的。2不同單元的臨界位移特性2.1樁側(cè)摩阻力變化規(guī)律圖4所示為通過室內(nèi)試驗測得的株洲粉質(zhì)粘土中某打入樁(d=400mm)各不同深度處的樁-土荷載傳遞曲線。從圖4可以看出,樁側(cè)極限摩阻力為30~100kPa,平均樁側(cè)摩阻力為20~70kPa,樁-土臨界位移為1~2mm。粘性土中打入樁樁側(cè)極限摩阻力發(fā)揮所需的位移較小,國內(nèi)外統(tǒng)計資料顯示在1~10mm之間變化。一般認為土的物理力學(xué)指標(biāo)對臨界位移的影響較小,樁徑對臨界位移的影響也較小。2.2樁-土臨界位移圖5所示為通過室內(nèi)試驗測得的株洲中等密實砂土中某打入樁(d=350mm)各不同深度處的樁-土荷載傳遞曲線。從圖5可以看出,樁側(cè)極限摩阻力為210~270kPa,平均樁側(cè)摩阻力為75~130kPa,樁-土臨界位移為4~5mm。砂土中打人樁的臨界位移也較小,但比粘性土中的臨界位移要大,國內(nèi)外統(tǒng)計資料顯示在3~7mm之間,樁周土的密實程度和樁徑對臨界位移的影響較小。2.3樁側(cè)摩阻力及臨界位移圖6所示為通過現(xiàn)場試驗測得的株洲紅粘土中某鉆孔樁(d=600mm)各不同深度處的樁-土荷載傳遞曲線。從圖6可以看出,樁側(cè)極限摩阻力為55~95kPa,平均樁側(cè)摩阻力為15~50kPa,樁-土臨界位移為8~15mm。國內(nèi)外統(tǒng)計資料均顯示粘性土中鉆孔樁臨界位移在2~20mm之間,要比打入樁大,而且其變化幅度也要比打入樁的大。隨著樁周土強度的增加,鉆孔樁臨界位移逐漸增大,粘土中的中、小直徑樁的樁徑大小對臨界位移無明顯的影響。2.4樁側(cè)摩阻力及樁-土臨界位移圖7所示為通過現(xiàn)場試驗測得的株洲粗砂土中某鉆孔樁(d=600mm)各不同深度處的樁-土荷載傳遞曲線。從圖7中可以看出,樁側(cè)極限摩阻力為115~185kPa,平均樁側(cè)摩阻力為75~150kPa,樁-土臨界位移為21~25mm。砂土中鉆孔樁臨界位移一般在20mm以上。在樁周土均勻砂性土的條件下,不僅鉆孔樁的臨界位移要比打入樁的大,而且其變化幅度也比打入樁的變化幅度大許多。此外,隨著樁徑的增加,鉆孔樁的臨界位移值變化規(guī)律凌亂,變化趨勢不太明顯。2.5孔壁粗糙度與臨界位移嵌巖灌注樁中樁-巖臨界位移不僅與巖石的強度有關(guān),更重要的是取決于孔壁的粗糙程度,即便是強度相同的巖石,在不同的孔壁粗糙度時也具有不同的臨界位移。一般說來,孔壁的粗糙度越大,相應(yīng)的臨界位移就越大;孔壁的粗糙度越小,相應(yīng)的臨界位移就越小。長期以來,工程界所接受的嵌巖中灌注樁的樁-巖臨界位移是根據(jù)巖石的類型及其完整性來確定的,一般為2~4mm。2.6樁-土臨界位移圖8所示為根據(jù)現(xiàn)場靜載試驗測得的株洲某廠房工程大直徑鉆孔樁(d=1.2m,L=18m)的樁側(cè)摩阻力擬合得到的不同深度處的樁-土荷載傳遞曲線。從圖8可以看出,對于直徑大于1.0m的樁,其樁-土臨界位移不僅數(shù)值很大,而且變化范圍也很大。同時,大直徑樁在樁端附近的側(cè)土層具有明顯的加工強化特點,而且越靠近樁端,強化趨勢越明顯。日本MasakiroKoike等在砂與粘性土交互層中進行d=2m,L=40m的Benoto樁試驗,測得了樁側(cè)阻力發(fā)展過程曲線,并且認為:大直徑樁極限側(cè)阻力發(fā)揮所需要的位移在2%D~5%D(D為樁端直徑)之間,即40~100mm。這顯然與一般的樁有很大的差別。關(guān)于大直徑樁的臨界位移問題,尚需進一步研究。3樁側(cè)摩阻力殘余值的確定1)影響樁-土臨界位移的因素是多方面的,它不但與土質(zhì)有關(guān),而且也與土層分布情況、樁的類型及施工方法等有關(guān)。不同類型的樁,樁側(cè)土所產(chǎn)生的極限摩阻力是不同的。2)在一般情況下,樁側(cè)土達到極限摩阻力所需要的樁-土臨界位移較樁端沉降而言要小得多,使得實際的樁身沉降遠大于樁-土臨界位移。因此,對于加工軟化型土,取極限摩阻力作為樁側(cè)摩阻力設(shè)計值是偏于不安全的,應(yīng)取摩阻力殘余值更加合理。3)大直徑樁樁側(cè)臨界位移較中、小直徑