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摘要：文章根据工程实际，通过使用静力触探法，对比分析了软土地基不同土层的极限摩阻力及压缩模量，认为砂性土层摩擦桩承载力随时间增长率比粘性土层的增长率要大，不足之处敬请同行指正。
关键词: 摩擦桩承载力；极限摩阻力；压缩模量
TU473.1
根据国内外多年多种类型摩擦桩的实验成果,可以发现一条规律：桩承载力随时间而增加,初期很快,逐渐减缓,最后趋于某个极限值。然而,上述实验成果未能反映不同土层的增长情况,软土地基中砂性土(包括粘质粉土、砂质粉土、粉砂和细砂) 随时间而增长速度很快,软土(包括粘土、粉质粘土、淤泥质粘土和淤泥质粉质粘土) 则需比较长的时间才能达到某个极值。通过杭州滨江某办公大楼桩基工程打桩前后的静力触探对比实验,桩群中(深度20m以内)粘质粉土层的Ps,由打桩前的4MPa,在打桩28d后增加到10MPa,增长2.5倍。深度20m以上粉砂土层的Ps值,由5.5MPa增加到16.5MPa,增长3倍。桩群外围边缘以外4～5m处,上部(20m以内)粘质粉土的Ps值也增加50%,说明砂性土层随时间增加得很快。
1 Ps值增长机理分析
一根桩打入、压入或振入软土中,主要在两个方面改变了地基土的状态,一是破坏了地基土的天然结构。二是使土受到急速的挤压,导致孔隙水压力急剧上升,有效应力相应减少。这二种作用均使桩周和桩尖土层的强度大为降低,致使桩周摩阻力和桩端支撑力都处于最低值。桩入土后随时间的推移,空隙水压力逐渐消散,土层不断重新固结,桩侧摩阻力不断增加,桩端支撑力不断恢复,桩的承载力也就随之增长,这些变化主要表现在以下4个方面:
(1) 由于软土具有触变性,打桩扰动所损失的强度,随时间推移逐渐得到恢复,但恢复时间很长,少则一年,多则数年。
(2) 随着桩周土中水分的逐渐迁移,孔隙水压力逐渐消散,有效应力随这增大。由于桩周土受挤压而密度提高,砂性土层尤为明显,随时间增加的强度都会超过原始强度。软土的排水固结过程缓慢,固结后的强度略高于原始强度。
(3) 樁进入土中,桩周形成3个区域。第Ⅰ区中土的结构完全破坏,这部分土紧贴桩身表面,成为桩身一部分。第Ⅱ区为过渡区,土的结构部分被破坏。第Ⅲ区土的结构保持原状,打桩时该区域未受挤压扰动。第Ⅰ区在打桩时受挤压,而后固结到静置。经过相当时间后,强度得到恢复,甚至超过原始强度。该区的土牢固地粘结于桩身而随桩一起移动,这一现象在木桩、混凝土桩及钢桩中都普遍存在,只不过粘附层厚度视土质、桩径、桩材及表面粗糙程度而有所差别。第Ⅰ、Ⅱ区土的分界面乃是桩破坏时的剪切滑动面,极限摩阻力则取决于第Ⅱ区土的逐渐增长着的抗剪强度。
(4)桩端土的强度也同样由于压密与固结作用而逐渐得到增长,同时,与桩端粘结在一起的第Ⅰ区土,又使端部受力面积有所扩大,桩端承力也随时间而增长。
2 地基土层Ps对比实验
滨江某广场地下商场和停车库的桩基工程中，建筑面积15000m2,桩径30cm×30cm ,长度分别为18m、24m和27m的钢筋混凝土方桩,总桩数为2169根,采用静压桩施工工艺,桩基施工结束30d后,在桩群中选择桩入土前的静探孔J12和J13原始位置,进行桩入土30d后的C1和C2静探孔对比实验,获得Ps对比曲线(图1)和(图2)。
根据桩入土前的J12、J13孔的Ps 值,与其原位对应的桩入土后的C1、C2孔的Ps 值进行对比(表1) 。
3 试验资料对比分析
3.1 桩基明显降低砂性土液化指数
本次试验场区深度13m以上均为中等-严重液化的灰色砂质粉土层。经试验分析，桩基确实能够降低液化土层的等级。由于桩的挤密作用,液化等级至少降低一级。这次试验为周边拟建的34幢高层和小高层的桩基设计提供了依据。
3.2 摩擦桩承载力随时间增加幅度的分析
软土地基不仅工程性质复杂,且其性质的区域性和个性都特别强。砂性土层和软土层的厚度、颗粒级配和先期固结压力的大小等,都直接影响桩承载力随时间而增加的幅度。现将各土层桩入土前后的极限摩阻力fs值列于表2。
备注:用Ps估算fs ,粘性土: 当Ps≤1000( kPa)时,fs=PsP20(kPa)；当Ps>1000(kPa)时, fs= 0.025Ps+25(kPa)。粉性土及砂性土: fs=Ps/50(kPa) 。
从表2中fs2∕fs1的增长幅度来分析,软土fs2∕fs1在1.11～1.24之间,砂性土在1.78～2.38之间。本工程最长桩27m,桩尖持力层为⑥暗绿—黄色粉质粘土层,压桩时对⑦灰色砂质粉土层产生竖向压应力,使Ps值增大2.38倍。笔者认为,滨江地区软土地基中的摩擦桩承载力随时间而增加,从极限摩阻力fs来看,砂性土层fs2∕fs1取1.80～2.20,软土层取1.10～1.20比较合理。桩端极限摩阻力f p:砂性土层增加倍数取1.5 ,软土层增加倍数取1.10为妥。按增长率系数来说,深圳软土地基应分为粉砂性土增长率a=0.75～1.00(砂质粉土a=0.75～0.85,粉砂a=0.85～1.00)；软土a=0.1～0.2(粘土取0.1,粉质粘土取0.2)。以往提出的增长率a= 0.263是不区别砂性土和软土的一个综合性系数,并不符合软土地基实际情况。
3.3 桩入土后土层压缩模量Es的分析
根据桩入土后Ps值的提高幅度,粘性土: Es=5.1Ps(MPa)砂性土: Es=3Ps (MPa)。将入土前后各地基土层的Es值对比列于表3。其显示,桩入土后,砂质粉土的Es值提高1.79～2.45倍；软粘土Es值提高1.10倍；粉质粘土Es值提高1.24 倍；硬粘土Es值提高1.14倍。同样说明砂性土的Es值提高幅度远大于粘性土。
4 结 论
通过摩擦桩入土前后地基土层的Ps值对比试验,打桩对软土地基土层起到3 个方面的改善作用:
(1) 打桩后对降低砂性土层的液化指数有明显效果,至少降低液化等级一级。
(2) 软土中摩擦桩承载力随时间而增加,就深圳软土地基而言,砂性土层的增长速度快,增长幅度大,增长率a =0.75～1.00；软土层的增加速度慢,增长幅度小,增长率a=0.10～0.20。
(3) 打桩后软土地基土层的压缩模量Es值得到提高,砂性土层的Es值提高1.79～2.45倍；软土层的Es值提高1.10倍；粉质粘性土层和硬粘土的Es值提高1.24 倍。
参考文献:
[1] 孙更生,郑大同.软土地基与地下工程[M]. 北京:中国建筑工业出版,1998.
[2] 陈孝培,甘德福. 论软土地基压缩模量Es 的定值问题[J]. 工程勘察,1999, (6):16-18.
[3] 甘德福.岩土工程论文集[C]. 北京:地质出版社,1998.
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
关键词: 摩擦桩承载力；极限摩阻力；压缩模量
TU473.1
根据国内外多年多种类型摩擦桩的实验成果,可以发现一条规律：桩承载力随时间而增加,初期很快,逐渐减缓,最后趋于某个极限值。然而,上述实验成果未能反映不同土层的增长情况,软土地基中砂性土(包括粘质粉土、砂质粉土、粉砂和细砂) 随时间而增长速度很快,软土(包括粘土、粉质粘土、淤泥质粘土和淤泥质粉质粘土) 则需比较长的时间才能达到某个极值。通过杭州滨江某办公大楼桩基工程打桩前后的静力触探对比实验,桩群中(深度20m以内)粘质粉土层的Ps,由打桩前的4MPa,在打桩28d后增加到10MPa,增长2.5倍。深度20m以上粉砂土层的Ps值,由5.5MPa增加到16.5MPa,增长3倍。桩群外围边缘以外4～5m处,上部(20m以内)粘质粉土的Ps值也增加50%,说明砂性土层随时间增加得很快。
1 Ps值增长机理分析
一根桩打入、压入或振入软土中,主要在两个方面改变了地基土的状态,一是破坏了地基土的天然结构。二是使土受到急速的挤压,导致孔隙水压力急剧上升,有效应力相应减少。这二种作用均使桩周和桩尖土层的强度大为降低,致使桩周摩阻力和桩端支撑力都处于最低值。桩入土后随时间的推移,空隙水压力逐渐消散,土层不断重新固结,桩侧摩阻力不断增加,桩端支撑力不断恢复,桩的承载力也就随之增长,这些变化主要表现在以下4个方面:
(1) 由于软土具有触变性,打桩扰动所损失的强度,随时间推移逐渐得到恢复,但恢复时间很长,少则一年,多则数年。
(2) 随着桩周土中水分的逐渐迁移,孔隙水压力逐渐消散,有效应力随这增大。由于桩周土受挤压而密度提高,砂性土层尤为明显,随时间增加的强度都会超过原始强度。软土的排水固结过程缓慢,固结后的强度略高于原始强度。
(3) 樁进入土中,桩周形成3个区域。第Ⅰ区中土的结构完全破坏,这部分土紧贴桩身表面,成为桩身一部分。第Ⅱ区为过渡区,土的结构部分被破坏。第Ⅲ区土的结构保持原状,打桩时该区域未受挤压扰动。第Ⅰ区在打桩时受挤压,而后固结到静置。经过相当时间后,强度得到恢复,甚至超过原始强度。该区的土牢固地粘结于桩身而随桩一起移动,这一现象在木桩、混凝土桩及钢桩中都普遍存在,只不过粘附层厚度视土质、桩径、桩材及表面粗糙程度而有所差别。第Ⅰ、Ⅱ区土的分界面乃是桩破坏时的剪切滑动面,极限摩阻力则取决于第Ⅱ区土的逐渐增长着的抗剪强度。
(4)桩端土的强度也同样由于压密与固结作用而逐渐得到增长,同时,与桩端粘结在一起的第Ⅰ区土,又使端部受力面积有所扩大,桩端承力也随时间而增长。
2 地基土层Ps对比实验
滨江某广场地下商场和停车库的桩基工程中，建筑面积15000m2,桩径30cm×30cm ,长度分别为18m、24m和27m的钢筋混凝土方桩,总桩数为2169根,采用静压桩施工工艺,桩基施工结束30d后,在桩群中选择桩入土前的静探孔J12和J13原始位置,进行桩入土30d后的C1和C2静探孔对比实验,获得Ps对比曲线(图1)和(图2)。
根据桩入土前的J12、J13孔的Ps 值,与其原位对应的桩入土后的C1、C2孔的Ps 值进行对比(表1) 。
3 试验资料对比分析
3.1 桩基明显降低砂性土液化指数
本次试验场区深度13m以上均为中等-严重液化的灰色砂质粉土层。经试验分析，桩基确实能够降低液化土层的等级。由于桩的挤密作用,液化等级至少降低一级。这次试验为周边拟建的34幢高层和小高层的桩基设计提供了依据。
3.2 摩擦桩承载力随时间增加幅度的分析
软土地基不仅工程性质复杂,且其性质的区域性和个性都特别强。砂性土层和软土层的厚度、颗粒级配和先期固结压力的大小等,都直接影响桩承载力随时间而增加的幅度。现将各土层桩入土前后的极限摩阻力fs值列于表2。
备注:用Ps估算fs ,粘性土: 当Ps≤1000( kPa)时,fs=PsP20(kPa)；当Ps>1000(kPa)时, fs= 0.025Ps+25(kPa)。粉性土及砂性土: fs=Ps/50(kPa) 。
从表2中fs2∕fs1的增长幅度来分析,软土fs2∕fs1在1.11～1.24之间,砂性土在1.78～2.38之间。本工程最长桩27m,桩尖持力层为⑥暗绿—黄色粉质粘土层,压桩时对⑦灰色砂质粉土层产生竖向压应力,使Ps值增大2.38倍。笔者认为,滨江地区软土地基中的摩擦桩承载力随时间而增加,从极限摩阻力fs来看,砂性土层fs2∕fs1取1.80～2.20,软土层取1.10～1.20比较合理。桩端极限摩阻力f p:砂性土层增加倍数取1.5 ,软土层增加倍数取1.10为妥。按增长率系数来说,深圳软土地基应分为粉砂性土增长率a=0.75～1.00(砂质粉土a=0.75～0.85,粉砂a=0.85～1.00)；软土a=0.1～0.2(粘土取0.1,粉质粘土取0.2)。以往提出的增长率a= 0.263是不区别砂性土和软土的一个综合性系数,并不符合软土地基实际情况。
3.3 桩入土后土层压缩模量Es的分析
根据桩入土后Ps值的提高幅度,粘性土: Es=5.1Ps(MPa)砂性土: Es=3Ps (MPa)。将入土前后各地基土层的Es值对比列于表3。其显示,桩入土后,砂质粉土的Es值提高1.79～2.45倍；软粘土Es值提高1.10倍；粉质粘土Es值提高1.24 倍；硬粘土Es值提高1.14倍。同样说明砂性土的Es值提高幅度远大于粘性土。
4 结 论
通过摩擦桩入土前后地基土层的Ps值对比试验,打桩对软土地基土层起到3 个方面的改善作用:
(1) 打桩后对降低砂性土层的液化指数有明显效果,至少降低液化等级一级。
(2) 软土中摩擦桩承载力随时间而增加,就深圳软土地基而言,砂性土层的增长速度快,增长幅度大,增长率a =0.75～1.00；软土层的增加速度慢,增长幅度小,增长率a=0.10～0.20。
(3) 打桩后软土地基土层的压缩模量Es值得到提高,砂性土层的Es值提高1.79～2.45倍；软土层的Es值提高1.10倍；粉质粘性土层和硬粘土的Es值提高1.24 倍。
参考文献:
[1] 孙更生,郑大同.软土地基与地下工程[M]. 北京:中国建筑工业出版,1998.
[2] 陈孝培,甘德福. 论软土地基压缩模量Es 的定值问题[J]. 工程勘察,1999, (6):16-18.
[3] 甘德福.岩土工程论文集[C]. 北京:地质出版社,1998.
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。