桩基的承载力主要由侧摩阻力和端承力承担,对于长桩,其桩基承载力大部分由侧摩阻力承担 ^[1,2,3],而侧摩阻力的大小与桩身表面粗糙度有密切关系。为了探讨桩侧表面粗糙程度变化对桩极限承载力的影响,谭国焕 ^[4]通过室内模型试验分析,认为桩侧粗糙度对桩侧摩阻力有显著影响,随着粗糙度的进一步提高,桩侧摩阻力提高的幅度将减小。邹丹等 ^[5]考虑桩侧摩阻力和桩身表面粗糙度的影响,分别推导了不同相对密实度砂土中的土侧压力系数。

　　 为研究桩基沉降和侧摩阻力发挥的机制,张利新等 ^[6]对后注浆灌注桩单桩承载力影响因素分析及设计取值进行了探讨;郭一斌等 ^[7]通过试验得出超长桩桩身压缩量较大,桩身侧摩阻力由上向下逐步发挥,超长桩侧摩阻力软化现象主要发生在桩身中上部侧摩阻力发挥较早的部分,桩身下部侧摩阻力发挥较晚而未发现侧摩阻力软化现象;梅靖宇等 ^[8]通过室内模型试验,观察到侧摩阻力呈现“驼峰形”分布,侧摩阻力随着荷载增加逐渐向桩端发展,下部桩体的临界桩土相对位移比上部桩体的要小。

　　 在实际工程设计中可按照Horvath ^[9]提出的采用凹凸因子RF来描述桩侧的粗糙度:

　　 $RF=\frac{\stackrel{—}{{\displaystyle \text{Δ}r}}}{r{}_{\text{s}}}\cdot \frac{L{}_{\text{t}}}{L{}_{\text{s}}}(1)$

　　 式中:$\stackrel{—}{{\displaystyle \text{Δ}r}}$为孔壁凸出部分径向扩大尺寸的平均值,mm;r_s为孔壁半径的平均值,mm;L_s为钻孔的深度,mm;L_t为沿着钻孔深度方向剖面曲线的总长度,mm。

　　 因此桩侧粗糙度在实际设计中是可以测量的,但打入或静压预制桩在施工过程中可能会将预制的粗糙度磨平(在砂性土中)或糊平(在黏性土中)。因此需要对成桩进行质量检测,关于复合桩侧的粗糙度,魏继红 ^[10]提出了可采用超声检测的手段对桩身完整性进行分析,建立超声曲线与桩侧表面粗糙度之间的关系,继而建立粗糙度与桩侧摩阻力的关系。

　　 为研究黏土中桩身粗糙度对单桩承载特性的影响,本文设计了室内模型试验,通过对不同表面粗糙度不同桩端条件下的桩进行静载荷试验,分析其荷载-沉降曲线和侧摩阻力沿桩身分布的曲线来探讨桩端、桩侧不同工况下单桩的承载特性。

　　 模型是在长×宽×高为120cm×120cm×180cm的模型箱中进行的,如图1所示。桩周土采用黏土,其物理力学指标如表1所示。模型桩采用a202钢管,直径为38cm,长度1m,长径比为26,入土深度950mm,钢管内灌注水泥砂浆。对钢管用万能试验机进行单轴压缩试验,测得弹性模量为3.06GPa,泊松比2.32。

　　 每次填土埋设两根桩,如图2所示,填土时分层填筑压实,以保证每一次填土的压实度相近。为了了解桩身表面粗糙度对桩侧摩阻力和端阻力的影响,进行了桩端有土和桩端无土两种工况来模拟摩擦端承桩和摩擦桩,试验方案如表2所示。通过在桩身表面用环氧树脂黏贴不同粒径的砂或细砾来控制桩侧粗糙度。埋桩时在桩端套上一个直径比模型桩的直径略大的金属筒,使桩端悬空来模拟纯摩擦桩,如图3所示。

　　 本次试验的目的是研究不同粗糙度下桩基的承载特性,加载时采用慢速维持荷载法,按桩基规范 ^[11]进行加载,加载装置示意图见图4。除了测量桩荷载与沉降的关系,桩侧摩阻力的发挥机理也是试验研究的重点,通过在桩身粘贴电阻应变片来测量桩在加载过程中桩身的应变,从而能计算出桩身轴力,进而求得桩侧摩阻力。试验中采用静态应变采集仪采集应变片和轴力计数据。通过文献[12]可知,桩在加载过程中其侧摩阻力并不是沿着桩身线性分布的,特别是在桩端附近其侧摩阻力与桩端土的性质有关,故本试验在桩身表面粘贴的应变片如图5所示。

　　 图6和图7分别为摩擦端承桩和纯摩擦桩在不同粗糙度下的荷载-沉降曲线。由图可以看出,不同粗糙度下摩擦端承桩和纯摩擦桩的荷载-沉降曲线的变化趋势是一样的,都是突变型,随着粗糙度的增大,桩的极限承载力增大,这与常识是一致的:即增大桩侧表面粗糙度可以提高桩基的承载力。

　　 从图8～13可以看出,在加载过程中摩擦端承桩和纯摩擦桩的荷载-沉降曲线基本重合,只是纯摩擦桩的极限承载力比摩擦端承桩的低,所以纯摩擦桩先达到极限承载力而破坏,荷载-沉降曲线先出现了拐点。

　　 桩顶传来的荷载由桩侧摩阻力和桩端阻力共同承担。桩端阻力发挥作用所需要的位移远比桩侧摩阻力要大,桩顶荷载由上往下传递的过程中,因为桩身上部侧摩阻力先发挥作用,等到桩的位移达到一定值时桩端阻力才开始发挥作用。桩侧摩阻力和桩端阻力的发挥机制为:加载初期荷载较小,桩的位移较小,桩顶施加的全部荷载由桩侧摩阻力来承担,所以此时粗糙度一样的桩的荷载-沉降曲线是一样的;随着桩顶荷载的增加,桩向下的位移增大,桩侧摩阻力逐步发挥作用,对于纯摩擦桩而言,此时已经到达桩侧的极限摩阻力,桩土相对位移忽然增大,桩破坏;而对摩擦端承桩而言,桩顶荷载增加,桩土相对位移增大,桩端侧摩阻力和桩端阻力发挥作用,使桩土之间不会产生较大的位移,所以桩可以继续承担荷载,且荷载由桩侧摩阻力和桩端阻力共同承担。

　　 通过粘贴在桩身表面的应变片,可以测得桩在加载过程中轴力的传递情况,由邻近的两个应变片测得的轴力可以得出两个断面间的平均侧摩阻力,具体的计算如下:

　　 $\begin{array}{l}Q{}_i=EA\epsilon {}_i(2)\\ \tau {}_{ij}=\frac{Q{}_i-Q{}_j}{\text{π}DL{}_{ij}}\times 10(3)\end{array}$

　　 式中:Q_i,Q_j为应变片i与j所在桩身截面轴力;A为桩横截面面积,m²;ε_i为桩身应变片i处的轴向应变;E为桩的弹性模量,MPa;τ_ij为应变片i与j之间桩身的平均侧摩阻力,kPa;L_ij为应变片i与j之间的长度,cm;D为模型桩直径,cm。

　　 限于篇幅,本文中仅列出光滑桩、桩身表面黏贴粒径为0.25～0.5mm,2～5mm砂或细砾的摩擦端承桩和纯摩擦桩在各级荷载下侧摩阻力沿桩长的分布曲线,如图14～19所示。

　　 从图14～19中可以看出,当荷载较小时(即前三、四级荷载)摩擦端承桩和纯摩擦桩的侧摩阻力沿桩长的分布曲线是大体一致的:先增大后减小,呈单峰状,且侧摩阻力峰值随着荷载的增加有逐渐下移的趋势。其原因在于桩顶承受荷载时,上部土层的侧摩阻力先于下部土层发挥作用,当荷载增大,桩沉降加大,下部土层的侧摩阻力开始发挥作用,上部土层桩土相对位移较大,会产生一定程度的应变软化,所以侧摩阻力峰值有下移的趋势。

　　 随着荷载的增加,纯摩擦桩和摩擦端承桩的侧摩阻力沿桩长的分布曲线表现出了不同的趋势:摩擦端承桩随着深度的增加,侧摩阻力随之增加;而纯摩擦桩的表现则不同。

　　 同时注意到,摩擦端承桩和纯摩擦桩在荷载相同的情况下,当荷载较小时,两者的侧摩阻力基本一致,说明荷载较小时,桩顶荷载基本由桩的侧摩阻力来承担,而桩端条件对其影响不大;但随荷载的增大,曲线的峰值逐渐下移,此时桩端条件的不同导致桩端处侧摩阻力有很大的差别,即纯摩擦桩在桩端侧摩阻力减小,而摩擦端承桩在桩端侧摩阻力仍有增大的趋势。

　　 通过摩擦端承桩和纯摩擦桩的模型试验,对比分析两种不同的桩端条件,可以发现,摩擦端承桩和纯摩擦桩桩身不同位置处的侧摩阻力的发挥是有显著差别的。以桩身表面黏贴粒径2～5mm的细砾为例,当荷载为600N时,摩擦端承桩和纯摩擦桩的侧摩阻力发挥规律一致,都是随深度的增加先增大后减小;随着荷载的增大,到1 160N时,可以发现,摩擦端承桩的最大侧摩阻力约为11kPa,出现在桩端处;而纯摩擦桩的最大侧摩阻力约为9kPa,出现距离桩端15cm左右处,而在桩端侧摩阻力约为4kPa。当纯摩擦桩荷载到达极限荷载1 280N时,纯摩擦桩的最大侧摩阻力约为12.5kPa,出现在距桩端约15cm处;在摩擦端承桩中,当荷载为1 250N时,最大侧摩阻力约为12kPa,出现在桩端处。说明,当荷载较小时,摩擦端承桩和纯摩擦桩的侧摩阻力发挥规律是一样的;随着桩顶荷载的增大,摩擦端承桩的最大侧摩阻力出现在桩端处,而纯摩擦桩的最大侧摩阻力出现在距桩端约为15cm处。

　　 对于摩擦端承桩,随着上部荷载的增大,桩的沉降增大,桩端阻力开始发挥作用,桩端土层受到压缩,在桩端面以下一定范围内形成压缩区(图20),桩端面以下部分土体受压向上运动,桩端附近桩侧土层会出现应力成拱现象 ^[13,14],即在桩端附近出现成拱区和塑性区(图20),相当于对桩端附近桩侧土附加了一径向应力。又由于上部土层土压力的约束,桩侧土的水平向应力将得到提升,由摩尔-库伦强度理论可知,桩侧法向应力越大,其侧摩阻力也越大。桩端土强度高则成拱区附加的径向应力也大,因而在桩端附近处桩侧摩阻力会有显著的增大。

　　 对于桩端土是软弱土的工况,极限荷载时桩端侧摩阻力比上部土层小。其原因在于当桩端无土时,大荷载作用下,桩端会发生较大的刺入变形,此时桩端附近的桩侧土层会由于桩端的刺入而向桩端方向运动,即此时桩与桩周土的运动方向一致,桩端附近不会受到挤压而产生受压区或者成拱区,且其桩土相对位移很小,会影响桩侧摩阻力的发挥,且桩端附近桩侧土向桩端方向移动会使桩侧土的水平向应力减小,也会造成桩端侧摩阻力的降低。本次试验的工况是桩端无土即纯摩擦桩,而设置时是在桩端处套上一个空罐子。当桩土相对位移加大时,桩基与土体的接触面积减小,会导致桩端侧摩阻力出现骤降。

　　 (1)桩身表面粗糙度越大,其极限承载力也越大;在荷载较小时,相同粗糙度的桩,摩擦端承桩和纯摩擦桩的荷载-沉降曲线基本重合;相对纯摩擦,摩擦端承桩的承载力更高,到达极限荷载时的桩顶沉降也更大。

　　 (2)桩侧摩阻力沿桩长的分布大体呈现单峰状,峰值所处的位置随着桩顶荷载的增加而下移。摩擦端承桩与纯摩擦桩在荷载较小时桩侧摩阻力沿桩长的分布曲线大体一致,先增大后减小,且峰值所处的位置随着荷载的增加逐渐下移;但随着荷载的增加,摩擦端承桩与纯摩擦桩侧摩阻力沿桩长的分布曲线表现出了不同的趋势,当荷载增加到极限荷载时,摩擦端承桩的侧摩阻力峰值出现在桩端处,而纯摩擦桩的侧摩阻力峰值出现在桩端以上20cm处。

　　 (3)摩擦端承桩和纯摩擦桩的桩端侧摩阻力表现出很大的不同,摩擦端承桩在桩端侧摩阻力出现了强化现象,而纯摩擦桩桩端侧摩阻力则出现急剧减小现象。

　　 (4)对摩擦端承桩和纯摩擦桩桩端侧摩阻力的不同进行了分析,摩擦端承桩桩端侧摩阻力增强的原因是桩端附近下部土体被挤压而发生运动,在桩端处形成了压缩区和成拱区,从而使桩端处桩侧法向应力增大,导致了桩侧摩阻力的增大;而纯摩擦桩因其桩端底下是空的,不能产生挤压作用,而且随着桩顶荷载的增大,桩端与桩周土的接触面积减小,使桩侧摩阻力急剧减小。