劉麗萍 ，王建政 ，王勝利

(1.西安工業(yè)大學 建筑工程學院，西安 710021；2.陜西省電力設計院，西安 710054)

棄渣場是一種特殊的人工地質(zhì)體，一般由松散的土體和碎石等工程廢棄物構成，孔隙率大，顆粒均勻性差，從幾厘米到幾米都有存在，在該地質(zhì)條件下進行樁基施工有很多不確定因素，軸力分布與側摩阻力分布有別于一般地基條件.文獻[1]以夯實擴底灌注樁為例，對樁基施工承載機理進行分析，探討了單樁承載力的分布規(guī)律.文獻[2]通過現(xiàn)場試驗對夯擴碎石樁單樁載荷進行了分析，模擬了地基條件對單樁載荷分布的影響.文獻[3]通過數(shù)值模擬方法探討了多層地基條件下單樁負摩阻力的分布規(guī)律.針對棄渣場樁基工程，現(xiàn)行樁基施工規(guī)范缺乏針對性的指導，相關的研究較少.為此，文中以棄渣場樁基工程為依托，研究了夯擴樁在棄渣場地質(zhì)條件下的工作性狀，以期為類似的工程實踐提供參考.

1 工程概況

佛坪330 kV開關站站址位于漢中市佛坪縣東南方向5 km處的東岳殿村東側，站址北側為鄉(xiāng)村路，鄉(xiāng)村路向西1.5 km直通G108國道，站址南側為河道.站址處于西成高鐵的棄渣場.根據(jù)勘察結果及巖土工程資料，擬建站址內(nèi)分布的主要地層巖性為人工新近堆積的雜填土、碎石(堆體)、第四系全新統(tǒng)沖洪積形成的粉質(zhì)黏土、礫砂和卵石等，下部為震旦系花崗片麻巖.各巖層土的特征及分布具體描述見表1.

表1 各巖層土的特征及分布

2 棄渣場夯擴樁三維模型建立

文中樁體定義為彈性模型，土體定義為摩爾-庫倫模型.土體的參數(shù)及各模型材料參數(shù)見表2.

樁徑樁長均按現(xiàn)場試樁尺寸取值，樁長L=12 m，樁徑d=0.35 m,擴大頭直徑D=0.6 m.土體所取計算范圍：X方向取10 m，Y方向取10 m，Z方向取25 m.樁身的建立采用柱體網(wǎng)格單元體沿n1r1，n2r2，n3r3三個方向劃分的網(wǎng)格個數(shù)依次為3,30,6，比率為1；樁端擴大頭的建立仍采用柱體網(wǎng)格，單元體沿n1r1，n2r2，n3r3三個方向劃分的網(wǎng)格個數(shù)依次為3,3,6，比率為1；擴大頭模樁樁周土體采用柱形隧道外圍漸變放射網(wǎng)格單元分層建立，沿n1r1，n2r2，n3r3，n4r4四個方向劃分的網(wǎng)格數(shù)依次為3,30,6,15，比率為1；樁端以下土體仍用柱形隧道外圍漸變放射網(wǎng)格單元建立，并用Fill命令對中間圓柱體進行填充，網(wǎng)格劃分個數(shù)分別為3,30,6,10，比率同上.接觸面的建立采用移來移去法[2]，通過模型計算結果與現(xiàn)場試驗結果的對比，確定接觸面黏聚力和內(nèi)摩擦角的取值為相應土層的黏聚力和內(nèi)摩擦角的0.75倍.模型網(wǎng)格劃分及接觸面如圖1～2所示.

表2 材料參數(shù)取值

注：碎石層為西成高鐵的隧道棄渣，該層土在場地內(nèi)均有分布，顆粒粒徑雜亂，大小不一，均勻性差.

圖1 模型土層網(wǎng)格劃分(透明度為70%)Fig.1 Grid partition of model soil layer (transparency 70%)

圖2 樁土接觸面

3 模型的加載計算及結果分析

建好模型，對邊界施加約束，并進行初始應力平衡及位移清零，然后在樁頂分級施加荷載，荷載值與現(xiàn)場靜載試驗各級荷載值完全相同，文中荷載值以樁頂應力的方式分級加載計算[4-11].應力分級見表3.

表3 樁頂應力分級

單樁靜荷載試驗模擬[12-15]計算結束后，對計算結果進行處理和分析，并得出荷載-沉降(Q-S)曲線，樁身軸力曲線，樁側摩阻力分布曲線等.

1)Q-S曲線

在應力加載過程中，提取每一級荷載下的樁頂位移，并與現(xiàn)場試樁實測值進行對比，見表4.

表4 分級荷載沉降量

通過圖3所示單樁數(shù)值模擬結果與現(xiàn)場試驗結果的Q-S曲線對比，可以看出模擬結果曲線與現(xiàn)場試樁的Q-S曲線總體趨勢基本一致且當荷載較小時，荷載Q與沉降S為線性關系，隨著荷載的增大，沉降增速也逐漸增大，Q-S曲線變?yōu)榉蔷€性，呈典型的端承樁特征.模擬的單樁最終沉降量和現(xiàn)場實測的單樁最終沉降量分別為17.65 mm，17.86 mm，可以看出模擬值與實測值較為接近，說明利用FLAC3D軟件建立的模型能較好地模擬單樁在豎向分級荷載作用下的樁頂沉降關系，建模過程中的網(wǎng)格劃分，土層及接觸面參數(shù)的確定是合理的，為樁身軸力和樁側摩阻力的數(shù)值分析奠定基礎.

圖3 模擬與實測Q-S曲線對比

2) 樁身軸力分析

各級荷載下軸力模擬曲線如圖4所示.由圖4可以看出,當荷載等級為160 kN，樁身下端軸力為零，隨著荷載等級的增大，樁身下部逐漸產(chǎn)生了軸力，樁端阻力也開始逐漸顯現(xiàn)出來.在每級荷載作用下，樁身軸力都呈現(xiàn)隨深度先上升后下降的趨勢，在樁身的中部軸力線呈凸起狀，樁身軸力最大值不在樁頂處，而在樁身中部.結合棄渣場的地質(zhì)條件，由于棄渣場孔隙率較大，粒徑分布不均勻導致樁身上部土層的沉降值大于樁本身沉降，對樁身產(chǎn)生下拽力，使樁身軸力增加.不同等級荷載作用下相同深度處樁身軸力分布曲線的斜率存在差異，這反映出樁側摩阻力的發(fā)揮水平存在差異，軸力分布曲線的斜率越小，軸力差越小，即側摩阻力越小，斜率越大，軸力差越大，側摩阻力發(fā)揮值越大.隨著荷載等級的增加樁端軸力值也逐漸增大，當荷載等級大于320 kN時，樁端軸力值約占樁頂荷載的70%以上，進一步說明本次試驗的各試樁均為端承摩擦樁.

圖4 各級荷載下軸力模擬曲線

3) 樁側摩阻力

樁側摩阻力分布曲線如圖5所示.由圖5可以看出不同樁頂荷載下單樁樁側摩阻力分布曲線[16]變化趨勢大致相同并可得出,樁側摩阻力的分布以中性點(距樁頂5 m左右)為界，該點上部摩阻力為負值，該點下部摩阻力為正值.隨著荷載等級的增大，樁身上部負摩阻力區(qū)域不斷減小，樁身下部的正摩阻力區(qū)域逐漸增大，中性點的位置向上移動.這是由于隨著樁頂荷載的增大，樁身壓縮量增大，樁端也發(fā)生刺入下沉，樁身上部樁土相對位移減小，所以樁側負摩阻力減小.

圖5 樁側摩阻力分布曲線

4 結 論

采用FLAC3D軟件建立夯擴樁單樁三維模型，得出了棄渣場地質(zhì)條件下樁體在不同樁頂荷載下的工作性狀，并與現(xiàn)場靜載試驗進行對比得到結論為

1) 在棄渣場地質(zhì)條件下，隨著樁頂荷載的逐漸增大，單樁的Q-S曲線呈現(xiàn)緩變形，無明顯拐點，說明棄渣場夯擴樁為端承樁，樁頂荷載主要由樁端阻力承受，這與設計吻合.

2) 在棄渣場地質(zhì)條件下，樁頂在同級荷載作用時，樁身軸力的最大值不在樁頂，而在樁身中上部，這是因為棄渣土土質(zhì)疏松，孔隙率大，粒徑分布不均勻導致產(chǎn)生一定大小的下拽力，使樁身軸力增大.

3) 在棄渣場地質(zhì)條件下，樁側摩阻力不是一直為正，而是出現(xiàn)了一定區(qū)域的負摩阻力，并隨著樁頂荷載等級的增大，負摩阻力區(qū)域逐漸減小.說明棄渣場由于存在大量新近堆積的棄渣土自重固結和夯擴施工的共同作用，使樁周土體的沉降量大于樁體本身，從而產(chǎn)生樁側負摩阻力，因此，在工程設計施工中應充分考慮負摩阻力對樁基的影響.