一、靜壓管樁承載力
(一)對(duì)靜壓管樁承載的討論
在承載模型的建立過(guò)程中，均把樁周和樁端巖土體看成是連續(xù)均勻的彈性介質(zhì)，并用線性彈簧去模擬樁周和樁端巖土體與樁身的相互作用。但是在身承受大型荷載作用的時(shí)候，樁周和樁端巖土體會(huì)因應(yīng)力水平較高而表現(xiàn)出明的非線性和彈塑性。對(duì)于大直徑鉆(沖)孔灌注樁而言上述載模型是不能予以采用的。然而對(duì)于靜壓管樁來(lái)說(shuō)，由于受到沉樁機(jī)械能量的響，樁端最多只能進(jìn)入強(qiáng)風(fēng)化巖層3～5m，而且當(dāng)持力層較深或遇到常見的巖溶地質(zhì)時(shí)靜壓管樁樁端通常都無(wú)法入巖，再加上樁徑較小，這就造成了靜管樁的端阻力發(fā)揮極其有限，同時(shí)樁徑小也會(huì)降低側(cè)阻力的數(shù)值(因?yàn)闃渡肀砻娣e與樁徑成正比)，從而使得靜壓管樁的單樁承載力比大直徑灌注樁要小得多。而由于靜壓管樁的單樁承載力小，所以靜壓管樁在極限荷載作用下樁和樁周(端)巖土都處于較低的應(yīng)力水平，樁土都表現(xiàn)出較為明顯的線性特征。因此，把靜壓管樁樁周(端)巖土看成是連續(xù)均勻的線彈性介質(zhì)，并用線性彈簧去模擬是具有一定的合理性。
(二)靜壓管樁承載的修正
在靜壓管樁壓入土層的過(guò)程當(dāng)中必然會(huì)伴隨著擠壓樁側(cè)巖土體這一附加效應(yīng)的產(chǎn)生，一般會(huì)在靜壓管樁的一側(cè)形成一個(gè)堆土區(qū)域(如圖1a所示)。在該擠土區(qū)域當(dāng)中土顆粒將重新排列并趨于密實(shí)，土體的強(qiáng)度和剛度也會(huì)相應(yīng)地增大。而作為反映樁側(cè)土體強(qiáng)度和剛度綜合效應(yīng)的計(jì)算參數(shù)k值，在土體受到擠密的情況下同樣也應(yīng)該得以提高。因此，必須把擠土效應(yīng)考慮到k值的計(jì)算當(dāng)中。
為此，引入擠密函數(shù)J(r)=a+br(如圖1b所示)，J(r)的物理意義為樁側(cè)擠土區(qū)中的土體被擠密后單位體積內(nèi)土顆粒質(zhì)量的增加量和原有土顆粒質(zhì)量的比值，即J(r)表示擠土過(guò)后土體中某點(diǎn)土顆粒質(zhì)量的增加率。
為求解J(r)當(dāng)中a和b這兩個(gè)參數(shù)，必須尋找兩個(gè)條件予以計(jì)算。首先可以得知的是，在擠土區(qū)最外邊緣處擠密函數(shù)J(r)的值應(yīng)為零，即當(dāng)r=R3(擠土區(qū)最外邊緣到樁中心距離)時(shí)，J(r)=0；由此可得到關(guān)系式b=-a/R3。此外，在靜壓管樁完全壓入到土層之后，管樁就會(huì)把和樁身等體積的土體往擠土區(qū)擠壓。根據(jù)質(zhì)量守恒定律，擠土區(qū)范圍內(nèi)土顆粒質(zhì)量的總體增加量應(yīng)等于與樁身等體積的土體中土顆粒的質(zhì)量。在考慮到J(r)的物理含義之后，我們知道擠土區(qū)范圍里某一微小體積內(nèi)的土顆粒質(zhì)量的增加量為dM1=J(r)dv。ρs，(ρs為土體的干密度，即單位土體體積內(nèi)土顆粒的質(zhì)量)，由此可知對(duì)上式進(jìn)行體積積分(體積積分范圍為樁側(cè)擠土區(qū)范圍，并取單位厚度進(jìn)行計(jì)算)后應(yīng)能得到單位厚度擠土區(qū)范圍內(nèi)土顆粒質(zhì)量的總體增加量M1。同時(shí)可知，與單位長(zhǎng)度樁身等體積的土體中土顆粒的質(zhì)量M2=πR12。ρs，并且根據(jù)上述觀點(diǎn)應(yīng)有M1=M2。
眾所周知，隨著土體密(實(shí))度的增長(zhǎng)，土顆粒之間的咬合作用也將加強(qiáng)，而作為土顆粒之間相互咬合作用綜合體現(xiàn)的土體剪切模量G值也應(yīng)得以提高。同時(shí)注意到擠密函數(shù)J(r)不但是土體土顆粒質(zhì)量的增加率，而且也等價(jià)于土體干密度的增加率。
值得一提的是，地面以下一定范圍內(nèi)(根據(jù)經(jīng)驗(yàn)大概為5m)的土層由于缺乏上覆土體的重力反壓，所以該范圍內(nèi)的土體在靜壓管樁的壓入過(guò)程中并不會(huì)產(chǎn)生擠密效應(yīng)(主要表現(xiàn)為土體隆起)。因此，在該部分土體k值的計(jì)算過(guò)程中不應(yīng)考慮管樁擠密所產(chǎn)生的強(qiáng)化。
二、工程實(shí)例
(一)工程概況
建筑工地場(chǎng)區(qū)內(nèi)建筑群均采用φ500的高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力管樁，長(zhǎng)度介于20～30m，其承載力特征值為3000～4000kN不等。
根據(jù)巖土工程勘察報(bào)告及開挖所揭露的地層資料，本場(chǎng)地與工程樁相關(guān)的地層自上而下可分為：吹填砂；吹填土；素填土；淤泥；粉砂；粉質(zhì)粘土；粉質(zhì)粘土；全風(fēng)化混合花崗巖；強(qiáng)風(fēng)化混合花崗巖。
(二)承載力理論計(jì)算結(jié)果與靜載試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比
選取該場(chǎng)區(qū)內(nèi)某根具有現(xiàn)場(chǎng)靜載試驗(yàn)結(jié)果的管樁進(jìn)行承載力理論計(jì)算，并與相應(yīng)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果詳見表1。計(jì)算過(guò)程中須要提供各土層的剪切模量G，但由于巖土工程勘察報(bào)告一般不提供這一參數(shù)，因此G往往要靠經(jīng)驗(yàn)來(lái)進(jìn)行取值。
表1樁承載力理論計(jì)算結(jié)果與靜載試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比
(樁長(zhǎng)：27.6m；樁徑：500mm)
序號(hào) 樁頂沉降
(mm) 樁頂實(shí)際施加
壓力(kN) 承載力理論值
(kN) 計(jì)算偏差率
(%)
1 1.10 720 433 -39.86
2 1.71 1080 673 -37.69
3 2.70 1440 1063 -26.18
4 3.91 1800 1513 -15.94
5 5.32 2160 1999 -7.45
6 6.90 2520 2497 -0.91
7 8.44 2880 2944 2.22
8 9.69 3240 3290 1.54
9 11.37 3600 3745 4.03
(三)結(jié)論分析
在實(shí)力計(jì)算比較中，除頭三四級(jí)的實(shí)際施加荷載與理論計(jì)算結(jié)果偏差較大外(雖然相對(duì)偏差最大達(dá)42.95%，但由于荷載水平較低所以最大絕對(duì)偏差只有407kN)，其他數(shù)據(jù)都能與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)有較好的吻合。特別是在最后一級(jí)荷載(即兩倍承載力特征值)中，誤差基本都能控制在10%以內(nèi)，這樣的計(jì)算精度對(duì)于工程應(yīng)用而言已經(jīng)足夠。
出現(xiàn)上述這種情況的主要原因在于k值的計(jì)算上，眾所周知土體的模量實(shí)際是隨著應(yīng)力水平的改變而改變，而且應(yīng)力水平越大則模量就越小(由于土的塑性變形)，而作為樁側(cè)土等效彈簧的剛度系數(shù)k也應(yīng)該如此。由于k值的計(jì)算問題所造成的求解誤差可通過(guò)以下兩個(gè)方法進(jìn)行修正：從k值的計(jì)算模型入手，將線性土彈簧轉(zhuǎn)變成與應(yīng)力水平相關(guān)的非線性土彈簧。但要注意，要求解出能反映土體實(shí)際受力變形特征的非線性土彈簧剛度系數(shù)k是比較困難的。此外，在土彈簧為非線性的情況下求解工作會(huì)變得較為繁復(fù)而不利于工程應(yīng)用；不改變k值的計(jì)算模型，但根據(jù)大量的工程實(shí)例歸納總結(jié)出在不同荷載水平中承載力理論計(jì)算數(shù)值與實(shí)測(cè)靜載試驗(yàn)數(shù)據(jù)間的偏差范圍，以系數(shù)修正的方法來(lái)糾正理論計(jì)算結(jié)果的誤差。
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