摩阻力在岩土工程勘察中的应用

摘要：岩土工程勘察的主要成果之一是提供场区地层分布状况及其分层摩阻值，为基桩设计提供初始参数。但勘察报告提供的摩阻值多数情况下无法与试桩获得的实测桩身极限摩阻相吻合，其中原因是桩的极限侧摩阻影响因素众多，其极限侧摩阻的概念与勘察提供的极限侧摩阻并不完全一致，必须辨明其中的差别才能正确指导设计实践。

关键词：摩阻力；工程勘察；地基基础；桩侧土

1 桩身侧摩阻的影响因素简析

1.1 简单条件下桩身侧摩阻的解析解为便于查找影响桩身侧摩阻的影响因素，列举一最简单的工程条件进行分析。设桩周土层为均质、弹性一塑性变化特征（模型如图1所示，简称模型1，以下同），其数学描述为：

f_sk×s s_z≤s_u

f_sf_u, s_z≤s_u（1）

式中f_s——侧摩阻；

S_z——桩身轴向沉降；

f_u摩阻最大值。

侧摩阻与轴力的微分关系为：

f_s-· （2）

式中：T_Z——轴力；

u—— 桩的周长；

z——轴向埋深。

根据式（1）的模型假设及桩顶边界条件SZ0S_i，TZ0Q_i得到符合不同限制条件的轴力解。

当桩身周围土层全弹性变化时：

T_ZS_i-e^λZ-（S_i+）e^-λZ （3）

式中:

A——桩身横截面积；

E——桩身等效弹性模量；

Q_i ——桩顶荷载；

S_i ——桩顶沉降；

其余符号同前。

当桩身周围土层全部塑性变化时：

T_ZQ_i-UZ（4）

将式（3）、（4）分别代入式（2）得到：

当桩身周围土层全弹性变化时：

f_sS_i-e^λZ+（S_i+）e^-λZ（5）

当桩身周围土层全部塑性变化时：

f_sf_u （6）

实践表明，实际的地层土除了表现为模型1外，还有另一种模型也很常见，如图2所示（简称模型2，以下同）。该模型的摩阻解将更加复杂（为节约篇幅本文不再列举），当桩身周围土层全部塑性变化时，其摩阻值将变为f₀，根据k₂的符号，f₀即可能大于f_u（k₂＞0），也可能小于f_u（k₂＞0）。

1.2 对摩阻解析解的分析

根据2.1节推导结果，在桩周土完全塑性变形的极限状态下，摩阻值为一常数，该常数对于模型1相当于桩身实测摩阻的最大值，与勘察提供的土层摩阻值相当。而对于模型2则与勘察提供的摩阻值会有不同。而在其他情况下，轴力随深度的变化是由多种因素共同决定的，桩身侧摩阻为介于式（5）与式（6）之间的变化值。

对于非均质地层，由于摩阻发挥的进程无法达到均衡，则更多的情况是桩周土层既有塑性状态也有弹性状态，使得桩身侧摩阻值依赖于桩顶荷载（Q_i）、埋深（Z）、桩型（、E、A）、土的工程力学性质（kf_o）等。

因此，桩身侧摩阻的决定因素可归结为：桩身的变形量（Si）、桩顶荷载（Q_i）、埋深（Z）、桩型（u、E、A）、土的工程力学性质（kfu）。工程勘察中提供的极限侧摩阻通常并未完全考虑这些决定因素，因此造成勘察结果与试桩结果不能完全一致，甚至产生很大的偏差。因此更准确地说，岩土工程勘察提供的地层极限摩阻在概念上是与桩的极限侧摩阻不一致的。岩土工程勘察提供的地层极限摩阻相当于桩在加载过程中出现的f_u，而桩的极限侧摩阻是与桩的极限承载力所对应的桩身摩阻，这一摩阻值与特定的桩型、加荷状态及桩身变形有关，在量值上既可能是f_uf₀，也可能是介于0与，f_u及f_o之间的值。二者在全桩长范围内并不一定相等，存在差别正反映了二者在概念上的不同。

2 桩身实测摩阻与勘察提供极限摩阻的对比示例

图3为某工程试桩获得的成果资料，图中曲线为各测试点摩阻随沉降的变化关系，不同埋深的土层其表现形态并不一致。在极限荷载作用下，其实侧摩阻与勘察提供的摩阻值的对应关系见表1。显然从总体趋势上看，勘察提供的摩阻值浅部偏大，深部偏小，土的受力模型多符合模型2。即桩身压缩时，上部桩身压缩变形大，摩阻发挥充分，土层受力符合模型2中k₂<0即f_ou的情形，下部桩身压缩变形小摩阻发挥不充分，土层受力符合模型2中k₂>0即f_o>f_u的情形。因此土层的性质和桩身的变形量决定了实测桩身摩阻与勘察提供摩阻的相对关系。而桩身的压缩量与桩型参数有关，就此可推断对于同一地层不同的桩型，实测的桩身摩阻也会因桩身压缩变形量的不同而产生差别，这一现象可通过模型1、2得到很好的解释。

表1 摩阻对比表

3 对工程勘察中提供土层摩阻的建议

由于桩的极限侧摩阻是与桩的极限承载力对应的，因此传统的勘察报告所提供的土层极限摩阻应该做改进以适应基桩设计的需要，主要包括如下方面：

（1）岩土工程勘察中提供的土层极限侧摩阻应针对不同的桩型进行修正，在未做修正的情况下，应说明所提摩阻值为土层摩阻的f_u。

（2）基桩承载力的演算应结合基桩的竖向变形进行，并针对不同的土层性质确定极限承载力时摩阻的折减系数。

（3）在没有引入桩身变形校核单桩承载力时，直接采用摩阻的 。值估算单桩承载力是不严谨的，勘察报告应摒弃这种做法。

（4）勘察报告应提出建议，告知使用者应按照同场区内原型桩竖向应力测试成果确定实际的单桩极限承载力及适用的桩侧土层摩阻值。

4 结语

桩侧土的极限摩阻是对应于桩的极限承载力时的桩侧摩阻值，工程勘察提供的极限侧摩阻力标准值并不一定等同于试桩获得的桩侧极限摩阻力值，基桩设计时应考虑多种因素后选定适宜的摩阻计算参数，而不宜照搬勘察报告提供的摩阻值，这样试桩设计才能得到与试桩结果相一致的结论。

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