上海地区桩基侧摩阻力折减原因分析①

谢 宾

(同济大学地下建筑与工程系，上海200092)

0 引 言

桩基设计时，选取正确合理的桩侧极限摩阻力和桩端极限端阻力标准值是非常重要的.上海地区规范中规定:对于桩身大部分位于淤泥质土中且桩端支撑于第⑤层土的预制桩，单桩竖向承载力宜通过静载试验确定;当采用规范中的推荐值时，宜取下限值并作适当折减. 对于折减的原因，条文说明中解释可能是由施工因素引起.但同样施工条件的预制桩，当桩端进入第⑦层强度较高的持力层时，桩侧极限摩阻力和桩端极限端阻力标准值却不用折减.显然，将桩侧极限摩阻力和桩端极限端阻力降低解释为施工因素造成是缺乏说服力的.为了探求对于桩身大部分位于淤泥质土且桩端支承于第⑤层土的预制桩其承载力降低的原因，本文通过对现场桩基试验对其进行解释分析.

1 静载荷现场试验

1.1 工程概况

场地位于上海嘉定娄塘开发区，拟建建筑为厂区办公楼，上部结构为框架结构. 该场地地处深厚软土地区，地质剖面图如图1，土层物理力学性质指标见表1.

表1 土体物理力学性质指标

1.2 试验方法

试验场地打入两根试验桩基，分别编号为桩Z1 和桩Z2. 桩Z1 长为30m，以⑤2层砂质粉土为桩端持力层;桩Z2 长为16m，以⑤1-1层为桩端土层.制作时，在桩身里面埋设钢筋计，其埋设的数量和深度依据桩孔柱状图及静力触探划分的土层做决定，在土层分层附近或可能反映侧摩阻力变化的部位埋设钢筋应力计.同一断面埋设2 个钢筋应力计，纵向上各断面的钢筋计对焊在钢筋笼的两根主筋上.桩Z1 上，埋设7 组钢筋计(桩顶一组供标定使用)，距离桩顶距离分别为0m，4.7m，7m，9.8m，19m，28.9m，29.5m;桩Z2 上埋设5 组钢筋计，距离桩顶距离4.7m，6.8m，9.8m，12.8m，15.5m. 桩起吊就位，在打入前提起桩锤的状态下测量一次钢筋应力计读数，然后将桩锤放在桩顶，再测一次钢筋应力计读数，留作轴力计算标定使用.

图1 地质剖面图

图2 桩Z1 的荷载-沉降曲线

桩打入一个月后进行静载荷试验，试验采用堆载提供反力，加载方式为慢速维持荷载法. 每级加载时观测桩顶沉降，同时通过埋设在桩身内的钢筋应力计，观测计算桩身各断面的应力应变.

2 试验结果分析

2.1 桩的荷载-沉降关系

桩的荷载-桩顶沉降曲线见图2 和图3.

图3 桩Z2 的荷载-横轴沉降曲线

结果表明，桩Z1 的极限承载力为1920kN，对应的沉降为29.63mm;桩Z2 极限承载力480kN，对应沉降22. 63mm. 桩Z1 的承载性能明显优于桩Z2，主要表现在:首先桩Z1 的极限承载力远高于桩Z2 的极限承载力;在相同的载荷情况下，如480kN 荷载时，桩Z1 的沉降只有2.5mm，而桩Z2的沉降达到22.63mm;当达到极限荷载后，桩Z1的荷载—沉降曲线的下降趋势相对于桩Z2 的趋势也较缓.

2.2 桩身轴力的分布情况

桩的轴力沿桩身的分布情况见图4 和图5.试桩Z1 桩端阻力分担比为17%，因而桩Z1 属于端承摩擦型桩;试桩Z2 的桩端阻力分担比为7%，是摩擦型桩.图4 中，桩Z1 轴力线比较陡，说明桩身轴力沿桩身向下衰减速度慢，也就是说桩侧摩阻力小，对桩轴力的向下传递没有多少“阻挡”作用.随着荷载的不断增大，曲线逐渐地变缓，这表明此时桩侧阻力逐渐的发挥出来. 在较大荷载作用下，轴力曲线在桩端处出现了非常明显的转折，说明此处的侧摩阻力突然增大.桩Z2 的轴力图与桩Z1 的轴力图有一些区别，首先是各轴力线在桩端附近汇聚，表示轴力基本上已由桩侧摩阻力分担;其次，随着荷载的增加曲线出现斜卧的反“S”型，这说明桩侧阻力的发挥由上至下有个先增后减的过程.

图4 桩Z1 轴力沿桩身的分布情况

图5 桩Z2 轴力沿桩身的分布情况

2.3 桩的侧摩阻力分布情况

两根试桩的侧摩阻力沿桩身的分布情况见图6 和图7.桩Z1(图6)在第一级荷载(320kN)作用的情况下，桩侧摩阻力从上至下先增大后减小，桩端附近几乎为零;随着荷载的加大，桩身各处的侧阻都相应增大，但变化幅度不同，当荷载为2080kN时，最大侧摩阻力出现在桩端位置.桩Z2(图7)在荷载较小时侧摩阻力随深度的变化情况与桩Z1 类似，当荷载达到480kN 时，在深约11.3m 位置处出现最大侧摩阻力，以下部分的侧阻出现显著地下降.

图6 桩Z1 侧摩阻力随深度的变化情况

图7 桩Z2 侧摩阻力随深度的变化情况

从图中还可以看出，桩侧摩阻力的发挥受土层性质和桩的埋深影响，土层性质越差，埋深越浅，其极限摩阻力越容易发挥;反之，土层性质越好，桩埋深越深，桩的极限摩阻力越难发挥. 对比图6 和图7，两根试桩在上部10m 范围内桩侧摩阻力的变化趋势基本一致，都是随着沉降的增大而增大，达到极限位移后又减小(即应变软化效应);沿桩深方向上，桩侧极限摩阻力随深度增加而增大;图中都显示出随着荷载的增加，桩下部的桩侧摩阻力一直在增大，这表明下部侧阻仍有一定的发挥空间.

2.4 侧摩阻力与桩土相对位移的关系

现场试验获得的桩土相对位移与桩侧摩阻力的关系图见图8 和图9.结果显示两根试桩的上部桩侧摩阻力的变化规律基本相同，在相对位移与侧摩阻力的关系曲线上都存在明显峰值;在初始阶段，由于桩下部桩土相对位移较小，其土层的摩阻力没有得到充分发挥，此时土处于弹性阶段;随着相对位移的增大，当达到极限侧阻力后，随着位移的增大，桩上部侧摩阻力逐渐降低，其原因此时周围土体进入了塑性状态，桩体与土体结构之间产生了滑移，从而降低了摩阻力值.

图8 桩Z1 侧摩阻力与相对位移的关系

图9 桩Z1 侧摩阻力与相对位移的关系

2.5 综合分析

图6 中，当荷载加载到1120kN 时，桩顶部分也出现了明显的侧阻力软化现象，与桩Z2 的侧阻随深度变化曲线有所不同的是，桩Z1 的侧阻在桩端附近呈现显著的增大现象，这可用侧阻的桩端强化效用进行解释.Touma 等(1974)提出，桩身产生位移后会在桩端产生两个性质不同的区域:塑性区和成拱区.席宁中［10］在这个基础上提出了成拱理论(图10)，成拱效应之所以能使桩端附近的侧摩阻力增强，主要是因为成拱作用使该处的桩土相对位移量及侧向有效应力增大.桩土相对位移量决定桩侧摩阻力的发挥程度，摩阻力的峰值则与侧向有效应力成线性关系，这是成拱作用造成桩端附近桩侧阻力增强的根本原因.

本次试验场地⑤1-1层粘聚力14kPa，内摩擦角13.5°，压缩系数0.76，压缩模量3.08MPa;⑤2层粘聚力9kPa，内摩擦角31.0°，压缩系数0.22，压缩模量10.69 MPa.显然，⑤2层土的强度性能和压缩性能都要强于⑤1-1层土，因而桩Z1 在荷载作用下，桩端处的塑性区和成拱区延伸的范围大，并且⑤2层土埋深大于⑤1-1层土，上覆土压力对变形区的约束作用强，因而成拱作用影响区即便在发生小应变的情况下，其内部应力也能得到很大程度的提高，这也意味着桩的侧向有效应力得到显著提高，从而形成侧阻力增强效应;对于桩Z2，由于其持力层是⑤1-1层，该层土压缩性大且上覆土压力约束不强，桩在荷载作用下发生的位移被桩端下部处的土吸收，不能在桩端附近形成大范围的受影响区，因而不能形成明显的增强效应. 这便是为什么以⑤2层砂质粉土为持力层的桩，桩侧极限摩阻力不折减，而以⑤1-1层黏土为持力层的桩，桩侧极限摩阻力却要适当折减的原因.

图10 成拱作用

3 结 语

本文通过现场单桩静载荷试验资料，在已有理论的基础上，分析研究了上海地区以第⑤层土为持力层的单桩，其桩侧摩阻力发生折减的工程现象.主要得到以下结论:

(1)桩Z1 为端承摩擦型桩，桩Z2 是摩擦型桩.轴力由上至下都是呈减小趋势，减小的量由相应深度处的桩侧阻力分担.试桩的桩侧阻力在加载的初始阶段都随加载的增大而增加，达到一定载荷后出现侧阻力软化现象.桩的极限侧摩阻力的发挥有个向下传递的过程.以⑤2层灰色砂质粉土为持力层的桩在桩端处有显著的侧阻力增强现象;以⑤1-1灰质黏土为持力层的桩侧阻力增强效应不明显.

(2)以⑤2层灰色砂质粉土为持力层的桩Z1由于桩端处有显著的侧阻力增强作用，抵消上部侧阻的折减效应，因而宏观上表现为侧阻力的不折减.以⑤1-1灰质黏土为持力层的桩侧阻力出现折减的原因是桩的上部出现了侧阻力应变软化现象，而下部侧阻力仍未完全发挥，极限承载力时桩身上部侧阻力减少，桩身下部侧阻力没有明显增强. 因此，总得来说桩侧阻力折减的原因是桩侧摩阻力应变软化效应和桩上下部极限侧阻力的发挥不同步造成.

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