杨慧芳

河北省秦皇岛市昌黎县水务局 河北秦皇岛 066600

1 概述

天然沉积的软粘土一般具有结构强度，结构强度是土的固体颗粒的特定排列及相互接触处由于周围环境的改变，结构性的强弱可用结构屈服应力比来表征，我国大部分软粘土的结构屈服应力比为1.1-2.5左右，湛江粘土可达10左右，结构性增大了土体的刚度，使其力学性质与应力水平密切相关，应力水平较低时，土体的压缩性低，应力水平高时土体的结构受到破坏，压缩性较高，二者相差3-4倍甚至更高。

软土的固结试验研究。沉降是一个古老的话题，但传统固结理论受其自身三个简化假定的限制：①传统的固结理论假定Cv是常量，然而，Cv随着压力的增长而减小，作为这些影响的结果，Cv随着土层深度而变化，随着固结时间而变化。这些变化会导致与用传统方法计算出的沉降不同。②传统固结理论假定土骨架的应力应变关系是线弹性的，实际上，土的压缩性不是线性的也不是弹性的。这对计算固结有较大的影响。③采用均一的应变剖面。在实际工程中，固结过程中的应变是不均一的，因为随谋度的增加、表面荷载的减小而引起的应力增加，或是随深度减小的压缩能力，或两者都有，所以应变总是随深度而减小的。

这是因为在高于结构屈服应力的压力下，粘土的压缩性将比低于结构屈服应力的压力下的压缩性大10倍。考虑不同的结构屈服应力，将得到不同的沉降计算结果。传统的设计方法将Cv视为定值，并选择一个单一的Cv来计算沉降速率，然而现实中，选择一个单一Cv值来代表整个固结过程中整个土层是不合适的。Cv在土的欠固结状态和超固结状态下是不同的，这样，当粘土中大部分土体的有效应力最初是小于结构屈服应力的，而当固结发展过程中，其有效应力逐渐大于结构屈服应力，那么，整个固结过程中，Cv将有相当大的变化[1]。因此，沉降的精确分析要求计算机的分析应用，能够考虑Cv在土层中的变化。

2 软土中桩基负摩阻力问题

当桩位于尚在固结沉降的土层时，就会在桩侧土层与桩身有相对向下位移的部分产生负摩阻力，而在桩侧土层与桩身有相对向上位移的部分产生正摩阻力。正、负摩阻力变换处的位置称为中性点，因此，中性点是桩土位移相等的断面。

事实上，因为土体结构性的存在，软土地基及其受到扰动的固结沉降用传统的太沙基固结理论是无法描述的，而且，随着人们对土体结构性的认识发展，发现天然结构性土体K0值及泊松比，在固结过程中是不能用一定值描述的。为此，本文从桩一土相互作用的机理出发，在地基固结沉降计算中考虑结构性的因素，且在桩土界面考虑K0及，随固结的变化，以此推求结构性软土地基中的桩基负摩阻求解方法，并编制了计算程序，通过详细的算例对比，得出了对工程有较强指导意义的结论[2]。

3 桩基所受负摩阻的试验研究

负摩阻力对桩基工程有较大影响，如果在桩基础设计时未考虑或未能充分合理的考虑到负摩阻力的影响，对于端承桩，就有可能造成桩身或桩端地基破坏；对于摩擦桩，上部结构就会加大沉降或产生不均匀沉降。

土工离心模型试验是一种行之有效的物理模型，是以相似理论为理论基础，将原型材料按一定比尺制成模型后，置于由离心机生成的离心场中，通过加大土体的体积力，使模型达到与原型相等的应力状态，从而使原型与模型的变形和破坏过程保持良好的相似性，并以此来研究原型的变形与破坏。因此，可以通过离心机模型实验模拟软土固结孔隙水压力变化，软土与桩的沉降，以及软土固结对桩负摩阻力的影响。

根据目前对桩基负摩阻力的试验研究，主要有以下成果：

（1）摩擦桩中性点位置在现场试验和离心机模型试验中基本一致，都小于规范所提供的中性点深度。

（2）摩擦桩中性点位置，随着土层固结沉降减缓而略有上移，但是随着超静孔压的消散，桩侧土有效应力增大，中性点上部的负摩阻力也随之增大，所以上移后的中性点处桩身轴力并不减小。端承桩位于坚硬持力层上，桩端沉降很小，所以中性点位于可压缩土层下部[3]。

（3）确定桩的类型是摩擦桩或是端承桩后，桩径和桩长对负摩阻力的影响不大，成桩工艺对负摩阻力的影响较大，离心机模型试验中钻孔后放入预制模型桩的工艺所得桩侧摩阻力系数远比现场试验小，说明该工艺与现场试验对桩基负摩阻力的影响是不同的。与规范相比处于一个较高的水平。建议在工程中充分考虑成桩工艺对负摩阻力的影响。

（4）相同工况下，端承桩和摩擦桩所受负摩阻力大小在摩擦桩中性点附近以上区域基本一致，工程中两者可以相互借鉴。

（5）离心机模型试验中对现场试验中由于施工等因素所引起的不足有一个很好的弥补作用。

4 小结

在软土压缩特性研究成果的基础上，通过理论计算和试验研究，可得到以下结论：

（1）软土的固结试验表明原状土和重塑土具有不同的压缩曲线性状、固结系数、压缩系数随着压力的变化趋势；且加压率对其的影响也是不同的。①原状土的压缩曲线为前缓后陡的曲线形，而重塑土的压缩曲线近似为一条直线。②原状土和重塑土的压缩系数具有不同的变化趋势。原状土的压缩系数在初始加荷阶段较小，逐渐增大到一定的峰值之后开始减小；当应力超过一定的值之后，减小到与重塑土的压缩系数接近。而重塑土的压缩系数在初始阶段较大，后逐渐减小到一定的值。③加压率对原状土的压缩系数随着压力的变化趋势影响较大；而对重塑土的压缩系数随着压力的变化趋势影响不大。加压率越大，原状土压缩系数的峰值所对应的应力越小；且在较小的应力下大于重塑土的压缩系数。

（2）本文认为土体结构性指土体组构和土颗粒的胶结，假定扰动影响主要表示为胶结强度的丧失程度。结合结构性软土压缩特性研究提出了结构性软土的一维固结半解析计算方法，压缩指数分段式的取值可以较好的考虑到结构性对土体固结的影响。研究表明：①结构强度对固结有着显著的影响，且较小荷载作用下该影响尤为突出。因此堆载预压时应全面评估加载大小的影响，尽可能的发挥结构强度对固结的作用。②受到扰动的土体固结速率较原状土慢，且扰动度越大、扰动影响的深度越大，则固结速率越慢。原状土和扰动土按沉降定义的固结度在固结初期大于按孔压定义的固结度，而固结中后期两者出现交替，且该性状与结构强度，扰动程度及加载大小相关。③扰动不但会减缓固结速率，还会引起附加沉降，增大地基最终沉降量，且扰动度及扰动影响的深度越大，则附加沉降量越大，这点在上覆荷载较小时表现尤为明显。实际工程中，应在预压堆载的施工中尽量减小扰动。

（3）由单层结构性软土的一维固结半解析计算方法，推广运用到变荷载下成层结构性软土。通过算例表明结构性软土上部如果有结构强度较高土层则对整个地基的固结起到了加快的作用，不同加载速率对固结速率有着不同的影响，相同情况下，加载速率越快固结速率也越快。

（4）从桩一土相互作用的机理出发，在地基固结沉降和桩土界面计算中考虑结构性的因素对负摩阻问题进行了求解，得到以下结论和建议：①固结初期，桩基位于原状土中所受负摩阻力较大，在摩擦桩中还表现为中性点位置偏下，在摩擦桩中表现为中性点位置偏上。说明在工程实际中对地基的扰动会使初期监测得到桩基负摩阻力偏小，而在原状土中的监测反而偏大，且在原状土中的摩擦桩中性点位置偏下。②固结完全后，受到扰动的结构性软土地基最终沉降量比原状土大，桩基位于原状土地基中所受的负摩阻力最终值要小于桩基位于完全扰动土地基中所受的负摩阻力最终值。这一点在地基上覆荷载较小的情况下尤为突出。地基上覆荷载对桩基所受负摩阻有显著的影响，上覆荷载增大时，在端承桩中表现为桩身摩阻力增大，而在摩擦桩中表现为桩身所受摩阻力增大，且中性点位置下移。因此，在工程中因充分评估堆载对桩基负摩阻力的影响。③有效应力法对桩基负摩阻力的评估在中点附近是偏大的，而对于原状土来讲，因为结构性的存在使其在固结速率、地基最终沉降和K0特性方面与完全扰动土是不一样的，因此采用有效应力法对桩基负摇阻的计算是偏保守的。

通过桩基负摩阻的试验研究表明桩径和桩长对负麟阻力的影响不大，而成桩工艺对负摩阻力的影响较大，离心机模型试验中钻孔局放入预制模型桩的工艺所得桩侧摩阻力系数p值远比现场试验小，说明该工艺马现场试验中先冲击成孔再灌注混凝土的施工工艺对桩基负摩阻力的影响是不同的，因为灌浆过程中，有混凝土渗入或挤入桩周土体中，实际有效桩径增大。与规范相比，p值处于一个较高的水平。建议在工程中充分考虑成桩工艺对负摩阻扣的影响。