天津市软土地区桩端土层情况对桩侧阻力影响的探讨

崔维灿

上海广联环境岩土工程股份有限公司 上海 200444

1 概述

以软土沉积为主的天津地区，在经历了海陆变迁后，形成了巨厚的沉积物，其桩基承载力的实现主要是通过桩与土的摩擦力，因此桩侧摩阻力的重要性不言而喻。但无论是在现有的规范中，还是实际的应用中，桩侧摩阻力的大小往往被认为是一个常数，同时桩的承载力也只是桩端阻力和桩侧阻力的简单相加，并将桩侧摩阻力的大小简单地认为只取决于地层情况，但自20世纪70年代以来，一些试验数据表明，桩端情况影响着桩侧摩阻力的大小。一般的规律是桩端土的强度越大，那么桩侧摩阻力也会随之增大，而桩端土强度较低时，桩侧摩阻力会随之变小。对此，席宁中[1]、刘利民等[2]、张忠苗等[3]、张建新等[4]针对桩端强度对桩侧阻力的强化效应也进行了阐述。

上述的情况说明，桩端持力层的情况是影响桩侧摩阻力发挥的一个因素，对于以摩擦桩为主的天津软土地区则显得尤为重要。

因此，深入探讨这个问题，对于优化今后的桩基设计、改进传统意义上的桩基承载力计算方法等都有着非常积极的意义。

2 桩端土层强度情况对桩侧阻力影响的分析

通过查阅大量的资料，表明桩端土层强度对于桩侧摩阻力的影响一般都集中于桩端位置。

文献[2]中提供了焦—枝复线某工程钻孔灌注桩在不同加载条件下桩侧阻力的实测结果（图1），通过结果分析就反映了以上事实。

图1 焦—枝复线桩侧阻力实测曲线

由图1看到，一开始轴力较小，桩-土的相对位移量有限，因此侧摩阻力较小。当轴力逐渐增大，位移随之增大，此时桩土相互作用逐渐明显，侧阻力有了明显增大，产生了侧阻力强化现象。

这种现象可以解释为在轴力逐渐变大的过程中，桩端土的强度逐渐发挥作用，而此时桩端附近的侧摩阻力也会逐渐增大。

3 天津软土地区桩端土层强度情况对单桩承载力的影响分析

对于天津软土地区，文献[5]中提供了天津地区15个典型工程的载荷试桩资料，通过对比不同桩端条件情况下单桩承载力计算值和实测值的关系，来分析桩端土层强度不同对桩侧阻力的影响。因此将上述15个工程分为2大类进行统计（表1、表2），得到了如下结果：

表1 试桩结果与计算结果的比较（一）

表2 试桩结果与计算结果的比较（二）

1）由表1我们看到，当桩端土是粉土或者粉砂时，通过计算得到的单桩承载力计算值和试 桩值有较大区别，除了序号2和8的工程以外，其他工程的计算值与试桩值的比值大约都为1.4。

2）由表2我们发现，当桩端土是粉质黏土时，通过计算得到的单桩承载力计算值和试桩值基本一致，试桩值与计算值的比值在1.03附近。

由以上2组数据我们可以发现，当桩端土层为粉质黏土时，计算值和实测值相比出入不大，但是当桩端土强度较大，为粉砂或粉土时，按照规范计算得到的计算值却与实测值有较大差别，这也说明了在天津地区，对于单桩承载力的计算，按照规范计算的承载力在桩端土层强度较高的时候显得有些保守。

4 桩端土层情况对桩侧阻力影响作用的机理

4.1 桩端土层情况对桩侧阻力影响的几种原因

对于桩侧阻力强化效应的解释有以下几种：

1）径向压力增强的原因。由于桩端土体密实度不尽相同，在桩端土密实的情况下，破坏时，其剪切面可连续开展达到桩身侧面，这相当于对桩身施加了一个附加径向压力，因而增加了极限侧阻力。

2）桩下部土体的挤密原因。当桩受到较大荷载破坏时，在桩端附近的土体由于受到土压力的作用，其滑动面不能达到地面，只是在桩端附近形成了一个封闭的塑性区，而在这个塑性区内，土体逐渐被挤密，从而导致桩侧阻力变大。

3）Meyerhof提出的桩基础破坏模式（图2）。在桩端荷载P的作用下，Ⅰ区土体向下移动，并且作用到Ⅱ区和Ⅲ区的土体，而Ⅱ区和Ⅲ区的土体又作用到了Ⅳ区。通过以上的运动，会使桩端土体密实度增加，桩身下部的法向应力增加，并且随着桩端荷载P的逐渐增大，这种效果逐渐明显，也因此造成了摩阻力的增大。

图2 Meyerhof桩基破坏模式示意

4）运用莫尔-库仑理论分析桩端土强度对桩侧阻力影响的作用机制。

当桩端土强度较低而上部荷载较大时，桩端处会出现刺入变形情况。因此位于桩端处的土会往桩端方向移动，这就会减小桩端附近土与桩的相对位移，相对位移的减少直接影响到了桩侧摩阻力的发挥，导致侧阻力降低。

对于桩端土强度比较大的情况，上部荷载导致桩向下移动，在桩端荷载作用下，形成如图3所示的变形。这一成拱作用的发生，使桩端及以上桩土相对位移增大，在没有塑性变形范围内的土的应力加大，在桩端发生塑性变形范围的土体应力降低。在塑性变形区域，土向桩端附近发展，而桩端位置的土向下移动。同时对于桩端上部的塑性变形区也会如此。由于上部有覆土以及成拱作用的存在，在成拱范围内桩侧壁上的水平应力增大，在上部覆土与成拱的共同作用下，最后会在某个区域范围内稳定下来，形成类似于梨形的塑性破坏圈。

当土层强度较低时，桩端阻力较小，桩端的范围同样较小，其压缩性也就会比较小，这也造成了桩端上部塑性区对桩侧壁影响的降低。

但当桩端土层强度较大时，在压力的作用下，桩端下部的土体会发生明显压缩，会把成拱作用的范围和塑性变形的范围扩大到上部更大的范围，从而使桩端附近土相对位移变大，而且桩端附近土体的应力相应地也会变大。综合上述种种原因，在桩端强度不同的情况下，桩端附近的侧阻力并不是一个固定值，而是受桩端土层情况影响的，桩端土强度较大时，更有利于桩端侧阻力的发挥。

图3 成拱作用模式示意

4.2 成孔后的应力释放以及施工情况对桩端处桩侧阻力的影响

上述观点都能部分说明在桩端土层不同的情况下，其对桩侧壁摩阻力的作用机理，但是这种作用的机制并不是单一的。

通过研究，认为桩端条件对桩端处桩侧阻力的影响原因可能有以下几方面：

1）成孔后的应力释放。单桩承载力的发挥依赖的是桩和土的相互作用，对于侧阻力，受桩-土之间的相对位移、变形以及周围土体性质的影响，当桩基础采用钻孔灌注桩时，桩端土层强度越低，那么在成孔后的应力释放就会越明显，此时土体受到扰动后，抗剪强度因此降低，这也会导致桩侧摩阻力发挥受限，但当桩端土层强度较大时，成孔后土的软化作用影响较小，这对桩侧摩阻力的发挥是有利的。

2）施工情况的影响。在钻孔灌注桩施工时，受成孔时间等因素的影响，成孔后的泥皮有时会形成困难，在混凝土灌注时，在孔壁会形成一层水泥浆硬层，这种硬层主要是由渗入的水泥浆形成的，而滑移的位置发生在该硬层的外部，该硬层在桩发生位移时，桩的有效桩径以及侧面积都会加大，桩的总侧阻力也会相应加大[6]。对于桩底，由于成孔时间最短，其泥皮形成的效果也是最差的，因此桩身侧壁水泥土硬层的影响也将加大，直接导致了在桩端位置的侧壁摩阻力增大。

3）沉桩时的影响。沉桩时，桩端向下的位移会直接造成桩端下部土体的位移，在桩端土强度不同的情况下，桩端移动对下部土体发生位移的影响范围不尽相同，而影响范围的不同也会使土体侧阻力的发挥不尽相同，因此对于不同的桩端土层情况，桩侧阻力的发挥也受到了不同的影响[7-9]。

5 结语

根据如上探讨，桩端持力层土层情况的不同会影响到桩端附近桩侧阻力的发挥，而这种影响是十分普遍的。天津软土地区同样存在这种现象，即桩端土层强度较大会使得桩端附近桩的侧阻力值得到提高，桩端土层强度较低会使得相应的桩端附近桩的侧阻力值变小。这一变化受多种因素的影响，如沉桩情况、施工情况、桩土的混合作用，都会对桩端侧阻力的发挥产生影响。因此，在天津软土地区，针对不同桩端土层情况与桩侧阻力影响进行更近一步的研究十分有必要，这对于传统的桩基承载力的计算也有着参考、改进意义，尤其对于勘察工作，在与设计提供相应桩基的设计参数时，适当地考虑桩端土层条件不同对桩侧阻力的影响是有一定意义的，这样既能满足设计要求，又能产生更好的经济效益。