茍堯泊，俞 峰，楊 予
（浙江理工大學 建筑工程學院，浙江 杭州 310018）
摘 要：基坑開挖引起的坑底土卸荷回彈會使既有樁基產(chǎn)生受拉的不利影響，而樁身拉力在中性點位置達到最大值。利用簡化的附加側(cè)摩阻力分布模型，對中性點的變化規(guī)律進行了理論分析，再結(jié)合相關(guān)的研究數(shù)據(jù)，通過匯總分析，得出了中性點深度隨樁長、開挖深度、樁側(cè)土體性質(zhì)等因素的變化規(guī)律。分析顯示，中性點深度與樁長的比值、開挖深度與樁長的比值近似滿足線性正比關(guān)系，樁側(cè)土體重度、內(nèi)摩擦角的增加會引起中性點位置的下移，未設(shè)置圍護結(jié)構(gòu)、樁端擴底等條件也會引起中性點位置的下移。在此基礎(chǔ)上，提出了預(yù)測中性點位置的計算模型，預(yù)測結(jié)果與數(shù)值分析結(jié)果較為吻合。
關(guān) 鍵 詞：基坑開挖；樁基礎(chǔ)；附加摩阻力；中性點
1 引 言
隨著地下空間開發(fā)的興起，各地的深基坑工程層出不窮。樁基礎(chǔ)通常先行設(shè)置，深基坑開挖將打破原有的平衡狀態(tài)。由于土體卸荷，坑底土和既有樁基均會產(chǎn)生不同程度的回彈。在坑底附近，土體位移大于工程樁位移，土對樁產(chǎn)生向上的摩阻力；而樁端附近，土體位移小于樁的回彈位移，土對樁產(chǎn)生向下的摩阻力，這就導致了樁身受拉。對于深大基坑，這種作用更加顯著。Iwasaki等
[1]最早報道了土體卸荷回彈影響樁基受力性狀的工程現(xiàn)象。朱火根等
[2]分析了一個因深基坑開挖引起坑底土體回彈致使工程樁斷裂的工程實例，并著重強調(diào)了工程樁的受拉作用。如果能夠準確地判斷出受拉作用的集中區(qū)域，將對預(yù)防此類事故意義重大。
中性點的概念往往與負摩阻力的產(chǎn)生有關(guān)，傳統(tǒng)意義上，當樁周土因自身固結(jié)、浸水濕陷、場地填土、地面堆載、地下水位下降等原因而產(chǎn)生的沉降大于樁體沉降時，樁側(cè)將產(chǎn)生負摩阻力
[3]，通常將一根樁上由負摩阻力過渡到正摩阻力的分界點稱為中性點，該點同樣是樁土相對位移相等、摩阻力等于0的特征點
[4]。樁身軸力也在中性點處達到最大值，所以判斷出中性點位置，也就等于確定出樁身最不利位置。
本文研究的負摩阻力特指基坑開挖時坑內(nèi)土體相對既有樁基向下位移引起的附加側(cè)摩阻力。通過匯總其他學者的研究數(shù)據(jù)，結(jié)合理論分析，總結(jié)出基坑開挖過程中坑底工程樁中性點位置的變化規(guī)律，繼而提出預(yù)測樁身中性點位置的方法。
2 基坑開挖的樁身中性點
有關(guān)基坑開挖的示意簡圖如圖1所示。其中：
為基坑開挖深度，L為樁長，l為中性點深度。
圖1 開挖過程示意簡圖
與傳統(tǒng)意義上的中性點有所不同，基坑開挖過程中，樁身上部產(chǎn)生向上的正摩阻力，樁身下部產(chǎn)生向下的負摩阻力，即樁頂?shù)綐抖说膫?cè)摩阻力由正變負，中性點處側(cè)摩阻力為0。中性點以上軸向拉力隨深度遞增，中性點以下軸向拉力隨深度遞減，在中性點處拉力達到最大。
2.1 理論分析
2.1.1 基坑開挖后樁側(cè)摩阻力計算
以圖1為例，基坑開挖后的樁側(cè)單位面積極限阻力
為
式中：
為土的側(cè)壓力系數(shù)；
為樁土接觸面摩擦角；
.jpg)
為計算點的豎向有效應(yīng)力。為便于分析，樁側(cè)取單一土體，則
為惟一變量。
2.1.2 應(yīng)用Mindlin應(yīng)力解計算
土體地面下
z處的豎向有效應(yīng)力為
式中：
為土層有效重度；
為計算點的豎向附加應(yīng)力。若寬度為
的條形均布荷載
作用在各向同性的均質(zhì)彈性半空間內(nèi)部深度h處，如圖2所示，則邊緣點下z處的豎向附加應(yīng)力公式為
式中：p為土體中作用的條形均布荷載；ν為土體泊松比；a為條形荷載的作用寬度；
；
；
；
。
圖2 Mindlin應(yīng)力解示意圖
考慮基坑開挖的對稱性，假定單樁處于開挖寬度的對稱軸上，即開挖寬度為
，忽略樁體對土中應(yīng)力的影響，則樁周土體由于在深度h處卸載p引起計算點z處的豎向有效應(yīng)力減少為
開挖微小高度
土體時
，則開挖地面下深度h范圍內(nèi)土體引起計算點處的豎向有效應(yīng)力減少量（修正后）為
式中：
為開挖h深度土體引起的計算點處豎向有效應(yīng)力減少量。
則基坑開挖前豎向有效應(yīng)力為
基坑開挖后豎向有效應(yīng)力為
進一步得出基坑開挖后樁側(cè)極限摩阻力為
可以看出，基坑開挖后豎向有效應(yīng)力會減小，但整體呈增長趨勢。這說明基坑開挖后樁側(cè)摩阻力的特殊分布與樁土相對位移有關(guān)，不同的相對位移量引起不同程度的樁側(cè)摩阻力發(fā)揮量。
2.1.3 中性點變化規(guī)律的理論分析
基坑開挖后，坑底土和既有樁基均會產(chǎn)生不同程度的回彈，黃茂松等
[5]指出，樁在上拔時，樁-土相對位移是從上往下形成的。以中性點為界，中性點以上土體回彈大于樁身回彈，樁側(cè)產(chǎn)生正摩阻力，中性點以下土體回彈小于樁身，樁側(cè)產(chǎn)生負摩阻力。將樁-土相對位移與樁側(cè)摩阻力分布聯(lián)系起來，簡化關(guān)系如圖3所示。其中：
、
分別為正、負側(cè)摩阻力的面積，
、
分別為正、負摩阻力的分布長度，
為樁-土界面相對位移，
為樁-土界面極限相對位移，
、
分別為達到正、負極限相對位移所需的深度。
圖3 開挖回彈及樁側(cè)摩阻力形成示意簡圖
需要指出，鄭剛等
[6]的研究表明，基坑開挖后，樁長超過60m時，樁身上部出現(xiàn)側(cè)阻達到極限的現(xiàn)象，且當樁長超過40 m時，樁端附近側(cè)阻可達反向極限。
基坑開挖后，為了維持樁體平衡，在忽略樁體自重的前提下，樁側(cè)摩阻力之和應(yīng)為0，也可理解為正、負摩阻力圍成的面積
、
相等。
當樁長一定，開挖深度增加時，樁土相對位移增加，正、負摩阻力面積
、
均呈增大趨勢。由于中性點以下部分的豎向有效應(yīng)力更大，導致
的增長幅度更大，為了維持樁體平衡，
也需相應(yīng)增加，故正摩阻力的分布長度
增加，中性點位置下移。
當開挖條件深度一定，樁長增加時，樁土間的相對滑動趨勢減弱，但樁端附近的豎向有效應(yīng)力更大，
仍會增大，但其增長趨勢變緩。為了維持樁體平衡，正摩阻力的分布長度
增加，即中性點位置下移，但其下移速率減小。
當開挖深度和樁長一定，樁側(cè)土體土質(zhì)越好，樁長范圍內(nèi)的側(cè)摩阻力越大，導致
、
增大。同樣由于
的增長趨勢更大，為了維持樁體平衡，中性點位置下移。
對于未設(shè)置圍護結(jié)構(gòu)的基坑開挖，坑底的側(cè)向擠壓更嚴重，致使樁土界面的法向應(yīng)力更大，與樁側(cè)土體土質(zhì)加強類似，中性點位置同樣會下移。
對于擴底樁，由于土
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