钙质砂地基桩侧摩阻力影响因素分析

摘要:钙质砂是一种海洋生物成因的特殊岩土介质,在钙质砂地基中的桩基工程又很常见。桩侧阻力的研究是桩基承载力性状研究中的一个重点,由于受到诸多因素的影响,桩侧阻力的计算变得十分复杂,本文通过对桩长、桩径、桩周土性质、桩端土强度、时间长短等诸多影响因素的讨论,发现不同条件下桩侧阻力的变化具有一定的规律性,且这些因素有着相互的联系,并提出今后重点研究方向。

Abstract: Calcareous sand is a cause of special marine geotechnical medium, pile foundation works are not uncommon in the calcareous sand. Study of pile shaft resistance is a key point of the research on the pile bearing performance.Because of being influenced by many factors,the calculation of the shaft resistance become a very difficult problem.According to the discussion of the influencing factors,such as the length of the pile,the radius of the pile,the feature of the soil layer,the strength of the pile end,the influence of time etc,they contact with each other.Some important study tendencies in the future are proposed.

关键词:钙质砂;侧摩阻力;桩基;颗粒破碎;群桩效应

Key words: calcareous sand;shaft resistance;pile foundation;grain crushing;efficiency of pile groups

中图分类号:TU473文献标识码:A文章编号:1006-4311(2010)17-0086-02

0前言

珊瑚礁类岩土体包括珊瑚礁岩、钙质砂、钙质土以及珊瑚碎屑混淤泥土。其中钙质砂通常是指由海洋生物(珊瑚、海藻、贝壳等)成因的、富含碳酸钙或碳酸镁等物质的特殊岩土介质[1-3]。由于其沉积过程大多未经长途搬运,保留了原生生物骨架中的细小孔隙等原因,形成了颗粒多孔隙、形状不规则、易破碎、粒间易产生胶结等特点,使得其工程力学性质与一般陆相、海相沉积物相比有较明显的差异[4]。目前国内外有关勘察、地基设计规范中,尚未列出珊瑚礁类岩土。因此,进行珊瑚礁岩土工程方面的研究是十分必要和有益的。

1钙质砂地基中桩基工程特性

钙质砂中桩基工程特殊性质很多,概括起来主要为以下几点[4]:①虽然钙质砂内摩擦角较高,但是打入桩桩侧阻力却很低,桩端阻力也较低,一般认为是有颗粒破碎和胶结作用破坏造成的;②打入桩桩侧阻力远低于钻孔灌注桩或沉管灌注桩(在打入钢管桩壁预先设置喷嘴,钢管桩打入后再向桩内注水泥浆,浆液通过喷嘴注入钙质砂中而成桩);③原位测试数据难以确定桩基承载力,桩基承载力往往受胶结程度的影响较大,即使同一个地区也难以确定地区经验;④桩侧阻力与钙质砂压缩性有关;⑤珊瑚礁浅部地层中胶结层与未胶结层交互出现,给桩基承载力计算、工程设计和施工带来很大困难。

2桩侧摩阻力问题

桩侧摩阻力是桩基竖向承载力的重要组成部分。在桩基工程实践中,桩侧摩阻力是一个受到许多因素影响的复杂问题。导致如此低的桩侧阻力原因很多,总的来说有以下四个根本原因[6]:①成桩和承载过程中,钙质土颗粒破碎导致桩侧土产生较大的体积收缩现象;②成桩和承载过程中,胶结作用的破坏;③钙质土颗粒棱角度大,而且大小极不均匀,使颗粒问容易生成疏松的点―点接触;③碳酸盐的可溶解性产生较多的类似溶洞的小孔洞和钙质土独特的自然沉积方式。

3影响桩侧摩阻力发挥的因素

桩侧摩阻力是桩基竖向承载力的重要组成部分。在钙质砂桩基工程实践中,桩侧摩阻力是一个受许多因素影响的复杂问题。钙质砂具有高的摩擦角,一般比石英砂高10°左右,但没有高的桩侧摩阻力值,远小于石英砂。极低的桩侧摩阻力是钙质砂工程性质的主要特点之一。

3.1 成桩方法的影响实验表明,成桩方法对钙质砂承载力性状影响较大。对于一般陆源硅质砂,打人桩由于具有挤出效应,其桩侧摩阻力往往大于钻孔灌注桩,而钙质土中桩侧摩阻力则刚好相反。据多个文献报道,钙质砂中,打入钢管桩极限摩阻力值fu一般在10-40 kPa之间,多为20 kPa以内,而钻孔灌注桩则达160―200kPa,若为胶结层则有的高达300-400kPa。并且指出沉管灌注桩摩阻力类似钻孔灌注桩,但有施工方便,造价相对较低等特点。

针对成桩方法不同桩侧摩阻力相差极大这一问题的解释,一般认为原因有以下几个方面。首先,打人桩打人过程中,对桩侧土产生一定的挤压作用,一方面由于侧向挤压而产生桩侧土的压密,侧向压力提高,而另一方面,也造成桩侧土结构破坏、颗粒破碎或胶结体的破坏,导致桩侧土变松,侧向压力减小。其次,在桩受竖向荷载而产生相对位移时,桩侧土的剪缩进一步引起桩侧土体积收缩,桩侧法向压力减小,桩侧阻力降低。

3.2 压缩性对侧摩阻力的影响钙质砂中桩侧阻力远小于石英砂中的一个很大因素是砂的压缩性不同。试验表明,桩侧阻力与砂的压缩指数具有如图1所示的双对数曲线关系。石英砂的压缩性小,侧阻力较大,而钙质砂的压缩性大,侧阻力较小。这是Nauroy等人(1983) 在钙质砂中模型桩试验中得出的结果。试验还表明,钙质砂桩侧阻力随砂的围压增大而增加缓慢,而石英砂桩侧阻力却增加较快。主要原因是钙质砂的压缩性比石英砂大的缘故。

3.3 桩的几何特征的影响桩的几何特征不同,桩侧和桩端土被影响的范围不同,桩侧摩阻力的发挥值也不相同。例如楔形桩,其桩身侧面在工作中同时处于摩擦力和支承力(即切向力和法向力)的受力状态。另一方面,桩的总侧摩阻力与其表面积成正比,因此为了提高桩的承载力,可以采用较大的比表面积(即表面积与桩身体积之比)的桩身几何外形,如三角形、十字形桩等。王新志等人(2009)对钙质砂进行室内载荷试验研究表明:大方板的承载力最大而相同面积圆板的承载力最小,小方板介于二者之间。相同底面积的方形桩比圆形桩的桩端承载力更大, 因此在地基承载力不够的情况下可以考虑大截面方桩以使地基承载力满足设计要求。

3.4 桩径的影响在一般地层中,对于一般直径的桩而言,桩径对桩侧摩阻力的影响是可以忽略的。但对于直径大于800mm的大直径桩就不完全相同了。对于粘性土中的大直径桩,其桩侧摩阻力随桩径的增大变化较小,对于无粘性的砂类土、碎石类土中大直径桩,桩侧摩阻力最大值发挥所需要的位移远大于常规直径的桩。Massakiro Koike等的试验结果表明,非粘性土中的桩侧摩阻力存在着明显的尺寸效应,这种尺寸效应源于钻、挖孔时侧壁土的应力松弛。桩径越大、桩周土层的内聚力越小,侧阻力降低的就越明显。

3.5 桩的刚度系数的影响郑刚(1999)的室内对比试验研究表明:在同等条件下,水泥土桩具有高于混凝土桩的侧摩阻力。而实际工程中水泥土搅拌桩没有表现出高于灌注桩的承载力,主要是因为桩身强度低,水泥土的弹性模量也相对较低,试桩时容易发生材料破坏或桩身压缩量大导致桩顶沉降超过判定复合地基承载力对应的沉降标准s=0.04~0.01b(b为荷载板的宽度)。本课题研究的劲性搅桩就是利用刚度系数较大的混凝土桩将荷载传递到深部土层,利用刚度系数较低的水泥土环桩将荷载扩散至桩侧土,充分利用了两种桩身材料的强度及其长处。

3.6 桩端条件的影响许多学者通过对大量试验资料的分析,发现桩端条件不仅对桩端阻力,同时对桩侧摩阻力的发挥有着直接的影响。桩端阻力的发挥会影响侧摩阻力的发挥,桩端阻力增大,桩侧摩阻力会减小,其原因Vesic曾指出:桩端抵抗力的增大会引起桩端以上附近(约为三倍桩径)土中产生较大的向外径向应力,促使侧摩阻力降低。

3.7 加荷速率及时间效应的影响对于打入桩,在淤泥质土和黏土中通常快速压桩瞬时阻力较小,其后随着土体固结桩侧阻力会增大较多;在砂土中,快速压桩由于应力集中瞬时摩擦加大,侧阻也大,其后砂土容易松弛。特别是钙质砂存在剪胀效应。

3.8 桩顶荷载水平的影响每层土桩侧摩阻力的发挥与桩顶荷载水平直接相关,在桩荷载水平较低时,通常桩顶上层土的摩阻力会得到发挥;到桩顶荷载水平较高时,桩顶下层乃至桩端处桩周土摩擦力得到发挥,上部土层有可能产生桩土滑移(要视桩土相对位移而定);随着荷载进一步提高,只有桩端附近土摩阻力得到发挥及桩端阻力得到发挥。所以桩顶荷载水平是决定侧阻与端阻相对比例关系的主要因素之一。

3.9 循环荷载作用的影响钙质沉积物一般分布于海岸带、大陆架、浅海珊瑚礁等地。服务于近海石油平台、港口建筑、海洋航标等工程设施的钙质土中的桩基必受到各种海洋动荷载和机器振动的作用,这些动力循环荷载通过桩基作用于桩侧土中,降低了桩侧土的承载力。Poulos指出轴向循环荷载导致桩侧摩阻力降低,降低程度与循环荷载水平和循环位移量有关。而随循环次数增加,灌注桩比打入桩减小快。另外,桩顶位移与循环应力水平也有关[4]。

3.10 钙质砂相对密度的影响在钙质砂中,挤土加密效应并不明显。对于普通砂土,相对密度的增加会导致桩周水平有效应力的增加,从而导致桩侧摩阻力增加;但对于钙质砂,在相对密度增加的同时,沉桩过程中的高应力促使更多的钙质砂颗粒产生了破碎,钙质砂越密,颗粒破碎越多,这将导致桩周水平有效应力迅速减小,在这两个因素的相互影响下,桩周水平有效应力增加有限,因此钙质砂中桩侧摩阻力随相对密度的变化很小[13]。

4结论

①钙质砂具有高孔隙比、高内摩擦角、颗粒形状不规则、易破碎、颗粒间易胶结等特殊物理性质,其中颗粒破碎特性是引起钙质砂力学性质不同于一般石英砂的主要因素。②极低的打入桩桩侧阻力是钙质砂的一个重要的工程特性,一般认为是由颗粒棱角度大、颗粒破碎和胶结作用破坏造成的。③具体分析了钙质砂桩侧阻力性状,研究了桩侧阻力因素。桩侧摩阻力的影响因素很多,这些影响因素多是在成桩过程,超孔隙压力的平衡过程以及桩的承载过程中对桩侧阻力产生影响的。桩侧阻力之所以不能很准确地估算,是因为这些因素往往又不是独立的,而是有着相互的联系。注意各影响因素间的联系对于提高工程用桩中桩基承载力有着十分重要的作用。对于影响桩侧阻力发挥的因素如何量化进行计算是个比较复杂的问题,还有待进一步研究和探讨。

参考文献:

[1]MURFF J D. Pile capacity in calcareous sands[J]. State of the art. Journal of Geotechnical Engineering, 1987,113(5): 490-507.

[2]POULOUS H G. Pile behaviour-theory and application[J]. Geotechnique, 1989, 39(3): 365-415.

[3]JEWELLRJ. An introduction to calcareous sediments[C]//Proceedings of International Seminar in Kagoshima, Kagoshima University. Kagoshima: Blkema,1993: 1-45.

[4]单华刚, 汪稔.钙质砂中的桩基工程研究进展评述[j].岩土力学, 2000, 21(3): 299-304.

[5]吴京平, 楼志刚.钙质土的基本特性.第七届土力学及基础工程学术会议论文集[C].中国建筑工业出版社,1994,10:267-271.

[6]刘崇权,单华刚,汪稔.钙质土工程特性及其桩基工程[J].岩土力学与工程学报,1999,18(3):331-335.