盖挖法施工中抗拔桩承载力特性分析

2012-09-04胡奇凡

铁道标准设计 2012年1期

胡奇凡

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津 300251)

城市建设的大力发展使越来越多的地下空间被开发利用，地铁车站、大型地下室、人防工程等地下工程建设如雨后春笋纷纷涌起。盖挖法作为地下工程修建的主要工法，能有效控制基坑周围土体变形和地表沉降，有利于保护临近建筑物和构筑物，尤其是在城市繁华街区和就交通复杂的车站闹市区施工时，可尽快恢复路面，对道路交通影响较小。因此，暗挖法在城市地下工程施工中得到了广泛的应用。

在盖挖法施工中，作为结构顶板或临时盖板的支撑，中间桩柱和围护结构先行施工。在地下水位埋深较浅的地区，施工期间工程桩承受上部结构的压力荷载，发挥抗压桩作用;工程完工后，随着地下水位逐渐恢复，当结构所受浮力大于结构自重时，工程桩又充当抗拔桩作用。因此，在地下水埋深浅的区域，盖挖法施工地下工程中，工程桩受力往往要经一次转换，为确保工程桩全程满足承载力要求，对工程桩的受力过程和承载力特性进行探讨，以期为设计和施工提供参考。

1 荷载传递机理分析

1.1 抗压阶段荷载传递机理

在抗压阶段，工程桩主要依靠桩周土提供的侧摩阻力和桩端土反力提供支撑，可用下式表示:

式中，P为桩顶承受荷载;G为桩身自重;p为桩尖土反力;T为桩侧土摩阻力。

大量研究资料表明，桩从开始受力到最终破坏的完整受力过程，根据桩侧摩阻力T和桩尖土反力p的变化可以分为以下3个阶段。

(1)第一阶段为桩顶荷载较小阶段，此时桩周土体的剪切变形很小，根据罗维德提出的全深度-变深度剪切弹簧模型［1］，此时桩侧土属于弹性阶段，对于中长桩，桩端反力很小或为零［2］，可不考虑桩端土的压缩，采用经典的荷载传递法对桩体荷载-位移关系(p-s曲线)进行研究，该阶段内荷载-位移曲线关系成比例增长，荷载传递函数可取为线性传递函数

式中，z为桩截面自地面向下的深度;q(z)为桩在z处截面的应力;u(z)为z处截面的位移;λ1为侧摩阻力刚度。

由式(1)可得桩满足的微分方程和边界条件为

解方程(3)得:

因此，桩顶位移为

式(5)表明，桩顶位移大小取决于荷载、桩身刚度以及桩周土体的侧摩阻刚度，符合一般试桩资料结果。

(2)第二阶段为随着桩顶荷载加大，桩土间相对位移逐渐增加，桩侧土从桩顶至桩尖渐渐由弹性过渡至屈服状态，桩尖土反力逐渐发挥阶段。桩侧土进入屈服阶段后，侧摩阻力不会随着桩土相对位移的增加而增加，此时侧摩阻力可采用库伦摩擦模型求解

式中，τ为桩土间摩擦应力;σ为桩土界面上法向应力;φ为桩土外摩擦角。

根据式(6)可得桩侧土全屈服后提供的侧摩阻力为

式中，d为桩直径，Kz桩侧土侧压力系数，γz为土体有效重度;其中Kz、γz、φz均为在土层分界面处分段的分段函数。对于钻孔灌注桩来说，成孔过程中土体存在卸荷过程，桩周土体水平应力比原位应力小，因此，侧压力系数较原位状态为小，介于原位于静止土压力系数K0和主动土压力系数Ka之间。

对于打入桩来说，在沉桩过程中，桩周土存在被挤密过程，引起土体水平有效应力σh显著增加，而对竖向有效应力σv的影响相对要小，因此，侧压力系数介于原位静止土压力系数K0和被动土压力系数Kp之间［3］。桩侧土荷载位移曲线见图1。

图1 桩侧土荷载位移曲线

(3)第三阶段桩侧土全部进入屈服状态，桩尖土承载力逐渐发挥，随着桩端荷载增加最终进入屈服状态。对于正常使用工程桩一般桩尖土均为进入屈服状态，学者们对桩尖土的荷载-位移曲线进行研究，有多种不同的意见:王伯惠，上官兴［4］认为P-u呈线弹性关系;杨从军，单华刚［5］认为桩尖荷载趋于极限荷载时，土体变形将趋于无穷大，建议采用双曲线模型对荷载-位移曲线进行模拟;张明华等［6］研究认为P-u之间的关系可用抛物线描述;蒋益平等［7］在抛物线关系假设基础上，为求解方便，同时考虑沉渣对桩尖受力的影响，采用三折线模型模拟传递函数，增加对沉渣的厚度和性质的反应，取得了良好的效果。各种桩尖土的荷载-位移曲线详见图2。

图2 桩尖土荷载位移曲线

1.2 抗拔阶段荷载传递机理

抗拔阶段，桩尖土对于桩的抗拔贡献几乎为零，可以不予考虑，桩侧土摩阻力是抗拔力的主要来源。根据桩侧土最终破裂面的形态，可将抗拔桩的破坏分为3种基本形式［8］，如图3所示。不同的破裂面形式对应不同的荷载传递机理，一旦破裂面形式确定，相应的桩的承载能力也即确定。目前对于抗拔桩的承载能力特性研究中，大多采用了沿桩土接触面剪切破坏的假设，诸如经典的荷载传递法;朱碧堂、杨敏［9］基于统一极限摩阻力分布推导弹塑性差分求解方法;黄锋等［10］利用剪切位移原理预测得到抗拔桩的弹性变形，有限元模拟中接触单元的设置等，并且研究结果得到了大量试桩资料的验证，充分说明了该假设在桩实际工作中的普遍性，为此本文对桩的抗拔特性探讨也主要针对破裂面沿桩土接触面的情况展开。

图3 抗拔桩破坏面形式

根据破裂面沿桩土接触面展开的假设，桩侧土摩阻力的发展大致可分为两阶段，第一阶段为完全弹性阶段，第二阶段为桩侧土从桩顶逐渐向桩尖进入屈服状态，根据荷载传递模型，在第一阶段，抗拔桩模型满足方程和边界条件为

解方程(8)得

因此，桩顶位移为

在第二阶段，随着桩顶荷载增加，桩土间相对位移不断加大，桩侧土逐渐由桩顶至桩尖进入屈服状态，对应屈服范围的侧摩阻力不再随桩土相对位移的增加而增加，基本保持为定值，因此，根据库伦摩擦模型，当桩侧土全部进入屈服状态时可根据式(7)求得最大侧摩阻力值Tm，桩的最大抗拔力为

2 土方开挖对桩承载力影响

根据式(6)可知，桩侧土提供的极限摩阻力与桩土接触面上的法向应力成线性关系，法向应力的大小取决于土的侧压力系数和土体在竖直方向的应力水平，即

在盖挖法施工中，随着土方被挖出，桩侧各层土的竖向应力σv均相应减小，对于第二阶段，根据式(6)和式(12)，不难得出，桩侧土提供摩阻力亦有减小趋势;对于第一阶段，此时桩侧土尚未到达屈服状态，随着土体开挖，桩侧土被不断卸荷，存在一定的向上反弹，这种趋势导致桩土间相对位移加大，先期会增加桩侧摩阻力，如图4所示。

图4 回弹引起摩阻力示意

因此，处在第一阶段的抗压桩，土方开挖深度不大的情况下对其承载能力影响不大;胡琦等［11］研究表明，随着开挖深度加大，受土体回弹影响而进入塑性状态的桩侧土范围逐渐增大，而这部分桩土界面在后期加载过程中侧摩阻力将不再增长，直接导致桩基刚度减小，影响其承载力。徐枫等［12］对土方开挖时不同位置的桩进行了研究，结果表明，靠近基坑中心处的工程桩受基坑开挖的影响较坑边的桩大，这与基坑开挖时靠近基坑中心处的土体回弹量较周边的大相一致。

对于抗拔阶段，根据式(6)和式(12)可知，工作于第二阶段时，基坑开挖期间减少的覆土压力直接导致最大侧摩阻力的减小，降低其抗拔承载能力。黄茂松等［13］研究表明开挖条件下，抗拔桩的极限承载力最大损失将达40%～50%。对于工作在第一阶段的抗拔桩，开挖导致土体回弹会给桩附加拉应力，同时延缓桩顶附近土层侧摩阻力极限值的发挥，导致桩端位移的加大。徐枫等［12］的模拟研究表明:基坑开挖深度越大，附加桩身的拉力越大，并且随着开挖深度增加，附加拉应力的范围将逐渐向下延伸，这对抗拔桩极其不利，附加应力过大甚至可能导致桩身断裂。

3 抗压-抗拔转换对侧摩阻刚度的影响

工程桩在抗压和抗拔转换中，桩土相对运动趋势发生反向，这将导致桩土间相对位移的反向调整，引起桩侧土内部结构的调整以及桩土接触面咬合状态的改变，导致接触面的承载能力的改变。

对于粗粒土，如粗砂、中砂、碎石土等，在低围压状态下，土颗粒的移动受围压的约束小，容易发生剪胀现象，剪胀将导致桩侧土对桩的挤压力增加，提高了桩侧土的极限摩阻力［14］。然而处于剪胀状态的粗粒土其内部结构较简剪胀前松散，当荷载变向时，土颗粒将沿着剪胀的逆过程返回原来的位置，此时，由于剪胀增加的侧向压力导致土层沿桩径向往外压缩并形成一定的塑性变形，因此，当该部分颗粒返回时，原本紧密的空间变大，使得桩土接触面范围内土体较原来松散，导致侧压力降低，减小桩侧土极限摩阻力值，表现为桩土接触面抗剪强度的降低。剪胀致应力松弛示意见图5。

图5 剪胀致应力松弛示意

对细粒土，如黏土，粉质黏土，淤泥质土等，由于其抗剪过程不存在剪胀现象，因此荷载变向主要影响桩土接触面的咬合和粘结强度。丁佩民等［15］对抗拔桩侧摩阻力发挥规律进行研究，结果表明荷载反向将引起桩周土颗粒重新排列，导致桩土界面摩擦角减小，对砂土特别显著，强度甚至会降低到原来的60%;对黏性土，荷载方向的改变也可能使界面摩擦角下降至接近残余摩擦角。这些结果与上述原理都有较好的符合，因此，荷载在桩土接触面的反向对桩抗拔承载力的影响必须引起足够的重视。

4 桩的优化设计

通过上文分析，在盖挖法施工中，工程桩成桩后要经过抗压和抗拔2种受力模式，同时在基坑土方开挖过程中，桩侧土的竖向应力、桩侧土的承载能力特性发生变化，工程桩由受抗压桩转变为抗拔桩过程中，桩侧土的承载能力特性同样发生变化，这些变化都将使得工程桩的承载力较成桩时有所减小，使得常规设计结果偏于不保守。为此，针对盖挖法中工程桩的受力特点提出如下优化设计。

4.1 桩侧注浆及坑底加固

在土方开挖过程中，覆土减少直接导致坑底土的卸荷回弹，在基坑底适当深度进行注浆加固，以及对桩侧适当位置进行注浆能有效减小桩侧土卸荷回弹工程桩受力的影响。潘林有，胡中雄［16］通过室内土工试验对深基坑卸荷回弹问题进行深入研究，建议回弹区下边界定义在卸荷比R≤0.2处，强回弹区下边界定义在卸荷比R≤0.8处;李建明，藤延京［17］通过实验研究认为，在不考虑基坑边界条件及地下水等影响下，回弹变形有效影响深度为如下式所述

式中，H为基坑开挖深度;R为卸荷比均值，取值详见表1。

表1 不同土样临界卸荷比均值

通过计算，不同土样的回弹变形深度见表2。

表2 不同土样回弹变形深度值

根据文献［16］计算可得强回弹临界深度为

回弹变形影响深度为:

文献［16］研究结果还表明，强回弹区的回弹量占总回弹量一半以上，并且随着深度继续增加，回弹量变化率逐渐减小，因此本文建议对坑底0.25H深度，桩周2.5倍桩径范围内进行注浆加固，同时在桩顶以下1.5H范围内进行桩侧注浆。

针对盖挖法中工程桩在受力方向转化中，桩周土颗粒重新排列导致承载力下降，桩侧注浆可有效稳定桩周土的结构组成，改善桩土接触面的咬合状态，使得荷载变向的影响有效减小，甚至不受影响。

4.2 试桩资料的修正

现场试桩是确保工程满足承载能力要求的有效保障，也是桩基设计参数可靠的来源，随着高大建筑的日益增多，单桩承载力也越来越大，传统的试桩方式中需要提供更大的反力装置，致其应用受到限制，尤其在空间狭窄地段，庞大的堆载物体或反锚装置根本没有足够空间。自平衡试桩是一种新的静荷载试桩方法，由于其不需外部提供反力，在高承载力桩基测试中具有明显的优点，在实际工程中得到而来越来越广的应用。

在抗压桩的自平衡法试桩中，通过在桩身适当位置埋设荷载箱，使得荷载箱以上桩身侧摩阻力极限值近似等于荷载箱以下下部桩身侧阻极限值及端阻极限值之和，使上、下二段桩均能达到极限状态。根据获得的曲线，可分别求得荷载箱上段桩及下段桩的承载力，将上段桩极限承载力经一定处理后，与下段桩极限承载力相加处理，得到桩基极限抗压承载力。试桩过程中，荷载箱下部桩侧及桩端土的受力情况与正常工作中一致，荷载箱上部桩侧的受力情况与工作状态相反而类似于抗拔桩受力屈服状态，根据大量抗拔桩承载力的研究资料显示，桩侧土的极限抗拔摩阻力约为极限抗压时摩阻力的0.6～0.8倍［15］，因此自平衡试桩结果对于抗压桩偏于保守。自平衡试桩示意如图6所示。

图6 自平衡试桩示意

在抗拔桩的自平衡试桩过程中，荷载箱置于工程桩实际工作时的桩尖部位，通过荷载箱下部预先加固基础提供反力，加载使桩体压缩向上，桩侧土摩阻力逐渐由下向上开始发挥，这与抗拔桩在工作时桩身受拉，桩侧土摩阻力由上向下逐渐发挥的情况不尽一致。王向军，吴江斌等［18］研究认为泊松比效应是抗拔桩极限侧摩阻力较相同条件下抗拔桩极限侧摩阻力小的重要原因，聂如松，冷伍明等［19］通过模拟相同条件下抗拔桩和抗压桩的承载能力，结果表明，由于泊松比效应导致抗拔桩侧摩阻力降低为抗压桩极限侧摩阻力的76.81%，这与文献［15］结果较为吻合。因此，试桩中桩身受压，实际工作中桩身受拉的差异需引起重视，有必要对抗拔桩自平衡试桩结果进行折减使用，本文建议侧摩阻力折减系数取0.75为宜。

根据盖挖施工的工序，试桩过程在坑内土方未开挖之前进行，此时桩侧土压力较正常工作大，并且随着开挖深度加大，差异越明显，由此导致的桩正常使用阶段承载力较试桩阶段承载力下降越多，但是针对该方面的详尽研究目前尚缺乏，无具体参数可供设计参考，待后续研究的深入进行。

4.3 设置扩大头

扩孔桩在提高工程桩极限承载能力方面得到了广泛的应用，取得了可观的经济效益，黄茂松等［13］研究结果表明在基坑开挖条件下，等截面抗拔桩的极限承载力最大损失将达50%，而扩孔抗拔桩的极限承载力最大损失不超过40%，其中承载力损失主要来自桩侧摩阻力的减小，扩大头部位承载能力的降低很小，可忽略不计。同时，在本文讨论的桩受力变向导致抗拔桩承载力下降情况中，抗拔桩扩头所提供的竖向压应力将不受影响，并且随着扩头直径的加大，扩头对抗拔的贡献将逐渐加大，这是设计中抗拔桩承载力的有力保障。为此，本文建议，针对施工期抗压，使用期抗拔的工程桩，为尽量多避免基坑土体开挖和荷载变向降低桩基承载力的风险，可将桩尖处做成扩头，根据扩头尺寸对承载力增长效率的研究［13］，扩头直径D宜为桩身直径d的1.5～2倍;同时，在有必要前提下，可在桩身增设扩大头，根据扩头的影响范围，增设区应置于强回弹区临界深度以下(1～3)D，宜设置于相对较硬的土层中。

5 结论

针对地下水浅埋区，在盖挖法施工工程中，工程桩施工期受压，正常使用期受拉的特征，深入分析桩的受力特点以及承载力的组成和影响，主要结论如下。

(1)盖挖法中，土方开挖导致基坑底土体回弹，土体回弹将增加工程桩桩身应力，降低桩侧土的极限摩阻力，降低桩的抗拔承载力。对桩受力影响范围内强回弹区土体进行加固，对土体回弹区内桩侧进行后注浆处理能有效减小土体回弹对桩承载力的影响;桩侧注浆加固还能增加桩的极限承载力，减小桩侧荷载变向导致的桩的承载力损失。

(2)盖挖法中，根据试桩时桩的受力特性与桩在正常工作时的差异，试桩结果用于设计参考时有必要进行相应处理，特别对于抗拔桩自平衡试桩结果偏于不保守，本文建议对桩侧摩阻力进行折减，折减系数为0.75;基坑内土方开挖导致桩侧土压力减小而引起桩承载力下降，目前该方面的深入研究尚缺，有待加强。

(3)在桩尖和桩身适当位置设置扩头将有助于提高桩的极限抗压和抗拔承载力，同时，扩头对于减小坑内土开挖和桩侧荷载变向导致的桩承载力下降有较好的效果。因此，在深基坑工程中，适当设置扩头将对桩的承载力特性有大的帮助。

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