劉麗萍，陳 新，王建政，王勝利

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

近年來，隨著我國鐵路、公路和隧道等大型工程建設(shè)的開展，產(chǎn)生了大量的棄渣，同時導(dǎo)致出現(xiàn)大規(guī)模的棄渣場。實際工程中，常常需要在棄渣場建造樁基。沉管夯擴(kuò)灌注樁一般也被簡稱為夯擴(kuò)樁，該樁是一種沉管灌注樁和擴(kuò)底樁相聯(lián)合的新式樁基礎(chǔ)，樁端擴(kuò)大頭加大了樁基頂端與土體的受力面積，且大幅提高了樁頂極限承載力。夯擴(kuò)樁具備施工噪聲低、施工工期短和低污染等諸多優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于我國沿海以及內(nèi)陸許多區(qū)域。規(guī)范中樁基定值設(shè)計法將土看作均質(zhì)材料，相對棄渣場進(jìn)行樁基礎(chǔ)施工來說，將出現(xiàn)超過工程允許偏差的可能。棄渣土是一類可利用的人工堆積土，而內(nèi)含大量碎石，土質(zhì)疏松，土層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，孔隙率大，粒徑變化在幾厘米到幾米之間，變異性、隨機(jī)性更加明顯。因此，研究棄渣土特征參數(shù)如何影響沉管樁的工作性狀，并將其用于指導(dǎo)工程實踐，對于提升工程施工質(zhì)量具有重大意義。文獻(xiàn)[1]通過柱錘夯實擴(kuò)底灌注樁建模對樁承載機(jī)理進(jìn)行分析，對單樁承載力受力特性進(jìn)行研究，得出柱錘夯實擴(kuò)底灌注樁施工工藝參數(shù)對單樁承載力的影響規(guī)律。文獻(xiàn)[2]以深厚軟基區(qū)橋梁為研究對象，通過有限元建模對樁基橫軸向承載特性進(jìn)行研究，得出單樁摩阻力、樁身軸力隨樁基施工質(zhì)量的變化曲線。文獻(xiàn)[3]通過夯擴(kuò)碎石樁有限元建模，對單樁承載試驗數(shù)值進(jìn)行分析，結(jié)果表明夯擴(kuò)碎石樁施工工藝質(zhì)量控制對樁力學(xué)特性的影響顯著。文獻(xiàn)[4]通過研究樁周土沉降與樁身之間的交互作用過程，分析多層地基單樁負(fù)摩阻力的產(chǎn)生機(jī)理。目前，關(guān)于棄渣土特征參數(shù)的研究較少，與之相關(guān)的現(xiàn)行規(guī)范不足。為此，本文以實體工程為依托，研究了棄渣土厚度、內(nèi)摩擦角和擴(kuò)大頭尺寸對樁基的樁頂沉降、樁身軸力和樁側(cè)摩阻力等性狀的影響，以期為工程提供借鑒。

1 工程概況

本文依托位于陜西省漢中市佛坪縣的350 kV開關(guān)站工程，地處西成高鐵的棄渣場。該站址北臨鄉(xiāng)村路，南臨河道。場地內(nèi)分布的主要地層有6層，地表層由上向下包括：① 雜填土層，平均厚度1.4 m，主要以地表耕植土的用途存在，粉質(zhì)黏土是該層土的主要成分；② 碎石層，平均厚度10.5 m，是西成高鐵隧道從2014年年初到目前斷斷續(xù)續(xù)松散堆積而產(chǎn)生的棄渣，顆粒粒徑大小不一，在場地大范圍內(nèi)均有分布；③ 卵石層，平均厚度5.3 m，顆粒級配良好，具有較好的工程性能，在場地分布廣泛，能夠作為樁基的持力層；④ 粉質(zhì)黏土層，平均厚度為0.81 m，場地分布范圍較廣，且不均勻；⑤ 砂礫層，平均厚度2.15 m，該層土大部分呈現(xiàn)黃褐色；⑥ 花崗片麻巖層，平均厚度6.3 m，長石、石英是該土層的主要成分。

2 樁體三維模型建立

本文棄渣場土體的理論依據(jù)是摩爾-庫倫模型，樁體三維模型采用彈性模型[5]。土體相關(guān)參數(shù)取值及模型材料參數(shù)取值見表1。

表1 材料參數(shù)取值

樁徑樁長均按現(xiàn)場試樁尺寸取值，樁長、樁徑和擴(kuò)大頭直徑分別取為12.00 m、0.35 m和0.60 m。土體模型計算范圍：X、Y、Z各個方向分別取10 m、10 m和25 m。樁身采用柱體網(wǎng)格單元體，沿n1r1、n2r2和n3r3各個方向劃分的網(wǎng)格數(shù)分別為3、30和6，比值取1；樁端擴(kuò)大頭也采用柱體網(wǎng)格，單元體沿n1r1、n2r2和n3r3各個方向劃分的網(wǎng)格數(shù)分別為3、3和6，比值為1；擴(kuò)大頭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，并沿n1r1、n2r2、n3r3和n4r4各個方向劃分的網(wǎng)格數(shù)分別為3、30、6和15，比值分別為1、1、1和1.15；樁端下部土體同上建立，對中間圓柱體進(jìn)行填充處理，網(wǎng)格劃分?jǐn)?shù)分別為3、30、6和10，比值同上。利用移來移去的方法建立樁與土體接觸面[2]，通過對比分析模型計算數(shù)據(jù)和現(xiàn)場試驗結(jié)果，確定接觸面的黏聚力、內(nèi)摩擦角φ的最終取值分別為0.75倍的相應(yīng)土層的黏聚力和內(nèi)摩擦角。三維模型的土層網(wǎng)格劃分如圖1所示，樁土接觸面如圖2所示。

圖1 模型的土層網(wǎng)格劃分

圖2 樁土接觸面

3 模型加載計算與分析

對模型邊界條件進(jìn)行約束，定義初始應(yīng)力平衡并將位移清零，接著在樁頂分級施加荷載，分級施加荷載的大小與現(xiàn)場試驗的荷載數(shù)據(jù)保持一致，在FLAC3D窗口中，荷載值以樁頂應(yīng)力的方式分級加載計算[6-11]。樁頂荷載共分為11個等級，荷載值從0以80 kN為等差依次加到800 kN。

依據(jù)模擬單樁靜載試驗[12-15]，得出計算結(jié)果并處理分析，同時繪制出荷載-沉降曲線圖。逐級加載應(yīng)力并記錄各級荷載下的樁頂沉降值，與現(xiàn)場試樁實測值進(jìn)行比對，如圖3所示。

圖3 荷載-沉降模擬與實測的對比曲線

由荷載-沉降模擬與實測的對比曲線可得出，單樁模擬值與現(xiàn)場試樁值的荷載-沉降曲線趨向一致，且荷載在320 kN以下，荷載-沉降顯現(xiàn)為線性關(guān)系，而荷載在320 kN以上，樁頂沉降值隨樁頂荷載逐漸增大而增大，荷載-沉降曲線隨之顯現(xiàn)為非線性關(guān)系，與端承樁的特征相吻合。單樁模擬的最終沉降值為17.65 mm，實測值為17.86 mm，兩者較為接近。表明FLAC 3D軟件建立的模型可較為準(zhǔn)確地模擬棄渣場沉管樁的荷載與沉降的關(guān)系，同時證明了三維模型建立過程中網(wǎng)格劃分、土層及接觸面參數(shù)的合理性，為下面分析棄渣土厚度、內(nèi)摩擦角和擴(kuò)大頭尺寸對樁頂沉降、樁身軸力和樁側(cè)摩阻力等樁基性狀的影響提供了一定的依據(jù)。

3.1 內(nèi)摩擦角對棄渣場單樁工作性狀的影響

為研究單樁工作性狀在棄渣土不同內(nèi)摩擦角下產(chǎn)生何種影響，棄渣土層內(nèi)摩擦角取為10°,20°,30°和40°，其他參數(shù)不變，建立單樁模型。加載計算后，繪制曲線如圖4～7所示。

圖4 樁頂沉降隨內(nèi)摩擦角變化曲線

圖5 極限承載力隨內(nèi)摩擦角變化曲線

圖6 樁身軸力隨內(nèi)摩擦角變化曲線

圖7 樁側(cè)摩阻力隨內(nèi)摩擦角變化曲線

由圖4可得出，在同一荷載水平作用下，棄渣場中沉管樁樁頂沉降隨棄渣土內(nèi)摩擦角的逐漸增大而減小，但減小趨勢總體上很小，內(nèi)摩擦角由10°增加到40°，最大樁頂沉降變動量僅0.5 mm左右；由圖5可得出，內(nèi)摩擦角不會影響單樁極限承載力。由圖6可得出，樁身軸力在棄渣土四種不同內(nèi)摩擦角的條件下基本重合，由樁端承受主要荷載。由圖7可得出，在相同的樁頂深度下，內(nèi)摩擦角逐漸增大，樁側(cè)摩阻力隨之以微小幅度增大，內(nèi)摩擦角在10°～40°范圍之間，樁側(cè)摩阻力僅在3 kN范圍內(nèi)變動。由此可知，渣土內(nèi)摩擦角對沉管樁的工作性狀影響可以忽略。

3.2 棄渣土厚度對沉管樁工作性狀的影響

依托工程中棄渣土厚度變化在5～14 m之間[16-17]。為考慮沉管樁工作性狀隨棄渣土厚度變化的影響，采用5,7,9,11 m的棄渣土厚度，其他參數(shù)不變，加載計算后，繪制曲線，如圖8～11所示。

圖8 單樁極限承載力隨渣土厚度變化曲線

圖9 樁頂沉降隨渣土厚度變化曲線

圖10 樁身軸力隨渣土厚度變化曲線

圖11 樁側(cè)摩阻力隨渣土厚度變化曲線

由圖8可得出，單樁極限承載力隨棄渣土厚度的增加而逐漸減小，渣土厚度在5～11 m的范圍內(nèi)，單樁的豎向極限承載力由1 440 kN變?yōu)? 120 kN，變化幅度達(dá)20%。由圖9可得出，在相同的荷載作用下，樁頂沉降值隨渣土厚度增厚而逐步顯現(xiàn)增大趨向；棄渣土厚度在5～11 m的范圍內(nèi)，樁頂沉降量增幅達(dá)5 mm。由圖10可以看出，樁身軸力曲線均顯現(xiàn)為先升后降的趨勢，在樁身軸力峰值過后，隨著棄渣土厚度增厚，樁身軸力顯現(xiàn)為增大趨勢，而峰值出現(xiàn)的位置呈下移趨勢。由圖11可得出，隨棄渣土厚度的增大，樁中性點所處位置漸變下移，樁側(cè)所在負(fù)摩阻力范圍變大，正摩阻力范圍變化正好相反，呈現(xiàn)減小的趨勢，即棄渣土厚度增加，樁側(cè)負(fù)摩阻力明顯增強(qiáng)。可見，棄渣土的厚度直接影響單樁的各種工作性狀。

3.3 擴(kuò)大頭尺寸對沉管樁工作性狀的影響

根據(jù)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》之規(guī)定，擴(kuò)大頭尺寸限制在3d(d為圓樁直徑)范圍內(nèi)。因此擴(kuò)大頭尺寸最大值為1.05 m。模型考慮了擴(kuò)大頭對沉管樁的影響，即控制其他參數(shù)不變，令擴(kuò)大頭的直徑D為0.35,0.55,0.75,0.95 m，由此建模計算分析，繪制曲線如圖12～15所示。

由圖12可得出，隨著擴(kuò)大頭尺寸的增大，單樁極限承載力隨之?dāng)U大，樁基在縱向承載力的極限值隨擴(kuò)大頭尺寸的增加而增大，擴(kuò)大頭尺寸由0.35 m增加到0.95 m，樁基在縱向承載力的極限值由1 120 kN變?yōu)? 520 kN。由圖13可得出，在相同的荷載作用下，增大擴(kuò)大頭尺寸，而樁頂沉降值隨之減小，其變化值約為10 mm。

圖12 單樁極限承載力隨擴(kuò)大頭直徑變化曲線

圖13 樁頂沉降隨擴(kuò)大頭直徑變化曲線

圖14 樁身軸力隨擴(kuò)大頭直徑變化曲線

圖15 樁側(cè)摩阻力隨擴(kuò)大頭直徑變化曲線

由圖14可得出，在相同的荷載作用下，擴(kuò)大頭直徑為特定的設(shè)置值時，樁身軸力均先升后降，擴(kuò)大頭直徑為0.35 m時，樁身軸力為下降趨勢，且程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于擴(kuò)大頭尺寸為0.55 m時；此外，在該尺寸下，無論是樁身軸力峰值，還是樁身軸力峰值出現(xiàn)的位置都遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于擴(kuò)大頭尺寸為0.55 m時。然而，擴(kuò)大頭直徑為0.75 m和0.95 m時，在同級荷載作用下，樁身軸力曲線均呈現(xiàn)先升后降再升的變化，隨著擴(kuò)大頭尺寸的逐漸增加，樁身軸力也在逐漸增大，到擴(kuò)大頭尺寸在0.95 m時達(dá)到最大程度的增大。因此，擴(kuò)大頭尺寸有利于提升樁的極限承載力，若擴(kuò)大頭尺寸在合理范圍內(nèi)時，樁基頂端的土體對樁基的擠壓不大，直徑一旦超過合理范圍，樁身受到上部土體的擠壓會特別明顯，上部樁身軸力顯著增大，從而易導(dǎo)致樁體破壞。由圖15可得出，在同樣的荷載作用下，擴(kuò)大頭直徑為0.35 m和0.95 m時，樁側(cè)摩阻力均出現(xiàn)先負(fù)后正的變化，對于樁側(cè)負(fù)摩阻力來說，擴(kuò)大頭的尺寸為0.35 mm時呈現(xiàn)的區(qū)域遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其在0.55 m時。擴(kuò)大頭的直徑分別為0.75 m和0.95 m的情況不同，同級荷載下的樁側(cè)摩阻力顯示先負(fù)后正再負(fù)的變化，且擴(kuò)大頭直徑為0.95 m的樁端上部樁身負(fù)摩阻力值明顯大于擴(kuò)大頭直徑為0.75 m的情況。這說明，若擴(kuò)大頭尺寸超過一定值，將會增大對樁端土的夯擠效果，從而使得樁端土相對于樁身向下移動，在此過程中產(chǎn)生負(fù)摩阻力。

4 結(jié) 論

1) 若保持棄渣土厚度與擴(kuò)大頭尺寸不變的條件下，棄渣土內(nèi)摩擦角發(fā)生變化，對單樁極限承載力、樁頂沉降值、樁身軸力以及樁側(cè)摩阻力的影響極小，可忽略不計。

2) 若保持棄渣土內(nèi)摩擦角與擴(kuò)大頭尺寸不變的條件下，樁體工作性狀受棄渣土厚度變化的影響尤為突出。若棄渣土厚度較大，其內(nèi)的樁體呈現(xiàn)以下3種特征：① 樁側(cè)負(fù)摩阻力區(qū)域增大的幅度特別大；② 單樁在縱向的極限荷載顯著降低；③ 樁頂沉降量會隨著棄渣土厚度的增加而發(fā)生特別顯著的增大。在棄渣土大的區(qū)域布樁是不合理的，在布樁的過程中應(yīng)當(dāng)避免選擇厚度大的區(qū)域，而應(yīng)該選擇厚度小的區(qū)域。

3) 若保持棄渣土的內(nèi)摩擦角不變，并且棄渣土的厚度也一定的情況下，加大樁端擴(kuò)大頭尺寸會使樁基的極限承載力增大。且不同擴(kuò)大頭尺寸的沉管樁在受到的荷載相同的情況下，有擴(kuò)大頭的樁比無擴(kuò)大頭的樁樁頂沉降值小，樁體承載力顯著增大。一旦擴(kuò)大頭尺寸值超出，樁基頂端的土層便會受到夯擠，使得樁身軸力顯著增大，造成樁身損壞的現(xiàn)象。在棄渣場這種特殊地質(zhì)情況下，擴(kuò)大頭直徑宜取0.55～0.75 m。