史學(xué)明，呂 淵，丁潛生

(1.安徽理工大學(xué) 土木建筑學(xué)院，安徽 淮南 232001；2.恒大地產(chǎn)集團(tuán)安徽公司，安徽 合肥 230061)

0 前 言

大直徑擴(kuò)底樁具有承載力高、變形小、質(zhì)量易控制、施工簡(jiǎn)單方便等優(yōu)點(diǎn)，常作為高層建筑、公路橋梁等荷載較大工程中的樁型首選。目前超高層建筑中擴(kuò)底樁設(shè)計(jì)承載力較大、樁型尺寸較多、土質(zhì)變化不均、靜載荷試驗(yàn)樁數(shù)有限且試樁工期較長(zhǎng)、耗時(shí)費(fèi)力、經(jīng)濟(jì)效果不理想，因此，建立相同工況下的計(jì)算模型，采用有限元數(shù)值分析手段對(duì)樁基極限承載力進(jìn)行研究是十分必要的，以期滿足實(shí)際工程的需要。

擴(kuò)底樁豎向承載特性的研究備受專家、學(xué)者青睞，黃廣龍等[1]通過(guò)靜載荷試驗(yàn)測(cè)試研究了擴(kuò)底樁和等直徑樁的荷載-沉降特性，發(fā)現(xiàn)擴(kuò)底樁更能發(fā)揮持力層的承載潛力，減少樁體沉降效果顯著。蔣建平等[2]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)與有限元模擬相結(jié)合對(duì)擴(kuò)底樁、楔形樁、直樁等樁基單位體積承載力

進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)擴(kuò)底樁擴(kuò)底直徑、直樁樁徑除特殊情況外，不宜過(guò)大。胡慶紅等[3]通過(guò)靜載荷試驗(yàn)研究了擴(kuò)底灌注樁和普通灌注樁承載特性和傳荷的異同。高廣運(yùn)等[4]通過(guò)三維非線性差分?jǐn)?shù)值模型分析了持力層厚度、樁端入持力層深度和軟弱下臥層對(duì)擴(kuò)底樁豎向承載性狀的影響。包曉紅等[5]對(duì)擴(kuò)底樁和等直徑樁進(jìn)行靜載荷試驗(yàn)和模擬，發(fā)現(xiàn)同工況下擴(kuò)底樁極限抗壓承載力為等直徑樁的1.59倍，樁端擴(kuò)底可提高樁基承載力，具有較好的經(jīng)濟(jì)性。

1 現(xiàn)場(chǎng)靜載荷試驗(yàn)

選取淮南市某小區(qū)6#樓人工挖孔擴(kuò)底嵌巖樁為研究對(duì)象，現(xiàn)場(chǎng)靜載荷51#試樁樁徑d=0.9 m，擴(kuò)底直徑D=1.4 m，樁長(zhǎng)H=10.0 m(等直段長(zhǎng)Hi=9.2 m，擴(kuò)底高度Hh=0.8 m)，樁身選用C35混凝土。由現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)勘探報(bào)告知，場(chǎng)地自上而下主要土層分布為粉質(zhì)黏土層、強(qiáng)風(fēng)化巖層、中風(fēng)化巖層，樁端持力層③-3中風(fēng)化巖層，試樁周圍土層分布及樁基剖面如圖1，樁周土層參數(shù)如表1?，F(xiàn)場(chǎng)靜載荷試驗(yàn)照片如圖2所示，51#試樁加(卸)載荷載-沉降結(jié)果見表2。

圖1 土層分布及擴(kuò)底樁剖面圖

圖2 現(xiàn)場(chǎng)靜載荷試驗(yàn)圖

表1 各土層主要物理力學(xué)性質(zhì)

表2 現(xiàn)場(chǎng)51#試驗(yàn)樁荷載-沉降數(shù)據(jù)

2 豎向受荷樁基承載特性分析

2.1 模型建立

豎向受荷下，人工挖孔擴(kuò)底嵌巖樁按二維平面軸對(duì)稱問(wèn)題分析，根據(jù)試算，地基土的計(jì)算范圍豎直方向取樁端向下擴(kuò)展1倍樁長(zhǎng)，水平方向取20倍樁徑；土體選用Mohr-Coulomb模型，土體參數(shù)取現(xiàn)場(chǎng)各地層土質(zhì)物理力學(xué)參數(shù)；樁體選用Elastic模型，彈性模量取3.15×107kPa，泊松比取0.2，重度為25 kN/m3。

邊界條件設(shè)定為土體底部施加水平和垂直兩個(gè)方向的位移約束，模型兩側(cè)約束水平方向的位移。樁和土均采用四節(jié)點(diǎn)雙線性軸對(duì)稱四邊形單元(CA4X)單元，模型網(wǎng)格劃分如圖3所示。

圖3 擴(kuò)底樁數(shù)值模型網(wǎng)格劃分

2.2 模型驗(yàn)證

在樁頂施加-0.015 m豎向位移，進(jìn)行樁基豎向受荷模擬，作出Q-S曲線并與現(xiàn)場(chǎng)靜載荷試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，如圖4所示。

圖4 數(shù)值模擬與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)對(duì)比曲線

將數(shù)值模擬與現(xiàn)場(chǎng)試樁所得的Q-S曲線進(jìn)行對(duì)比分析[6]，結(jié)果顯示曲線吻合度較高，因此，本文選取的參數(shù)與建立的模型是合理的。

2.3 計(jì)算結(jié)果分析

對(duì)于擴(kuò)底樁，可取樁頂沉降S=0.04 m或S=0.05D(D為樁端直徑)所對(duì)應(yīng)的荷載值作為單樁抗壓極限承載力[7]。本文結(jié)合工程設(shè)計(jì)與現(xiàn)場(chǎng)施工實(shí)際選取樁頂沉降量s=0.02 m對(duì)應(yīng)的承載力進(jìn)行研究。

在上述模型建立的基礎(chǔ)上，分別研究樁長(zhǎng)、樁徑、擴(kuò)底直徑等對(duì)擴(kuò)底嵌巖樁豎向抗壓承載性能的影響。

2.3.1 樁長(zhǎng)對(duì)承載力影響分析

在樁徑d=0.9 m，擴(kuò)底直徑D=1.4 m，擴(kuò)底高度Hh=0.8 m，樁長(zhǎng)H=8、10、12、14、16、18 m等6種工況下，分析樁長(zhǎng)對(duì)擴(kuò)底嵌巖樁豎向抗壓承載性能的影響。樁長(zhǎng)變化時(shí)，各樁基樁頂沉降量隨荷載變化的Q-s曲線見圖5。

圖5 不同樁長(zhǎng)時(shí)各樁Q-s變化曲線

樁頂沉降s=0.02 m時(shí)各樁基對(duì)應(yīng)的豎向抗壓承載力如圖6所示。

圖6 不同樁長(zhǎng)樁基豎向抗壓承載力曲線

從圖6中可知：樁長(zhǎng)分別為8、10、12、14、16、18 m時(shí)，豎向抗壓承載力分別為17 048.4、18 285.1、20 722.4、23 055.0、24 999.0、26 420.2 kN，分別較前一樁長(zhǎng)承載力提高7.25%、13.33%、11.26%、8.43%、5.69%。樁長(zhǎng)為10～14 m時(shí)，樁基豎向抗壓承載力增幅較大，當(dāng)樁長(zhǎng)超過(guò)14 m時(shí)，樁基豎向抗壓承載力增幅明顯變緩。由此可知，樁長(zhǎng)為10～14 m時(shí)，樁基豎向抗壓承載力發(fā)揮效應(yīng)最大。樁長(zhǎng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)，可能會(huì)影響樁基屈曲穩(wěn)定和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，因此，一味地通過(guò)提高樁長(zhǎng)來(lái)提高樁基豎向抗壓承載力是不經(jīng)濟(jì)的。

2.3.2 樁徑對(duì)承載力影響分析

在擴(kuò)底直徑D=1.4 m，擴(kuò)底高度Hh=0.8 m，樁徑d=0.5、0.7、0.9、1.1 m時(shí)，分析樁徑對(duì)擴(kuò)底嵌巖樁豎向抗壓承載性能的影響。樁徑改變時(shí)，各樁基樁頂沉降量s=0.02 m時(shí)對(duì)應(yīng)的樁基豎向抗壓承載力變化曲線如圖7所示。

從圖7中可知：樁徑越大，同一樁長(zhǎng)下的樁基豎向抗壓承載力越大，隨著樁長(zhǎng)增大，樁徑對(duì)樁基抗壓承載力的影響越明顯且逐漸呈線性增長(zhǎng)。因而，在樁長(zhǎng)較長(zhǎng)時(shí)，通過(guò)增加樁徑來(lái)提高樁基豎向抗壓承載力較樁長(zhǎng)較短時(shí)更為經(jīng)濟(jì)、有效。

圖7 不同樁徑樁基豎向抗壓承載力曲線

2.3.3 擴(kuò)底直徑對(duì)承載力影響分析

樁徑d=0.9 m，擴(kuò)底高度Hh=0.8，擴(kuò)底直徑D=0.9 m(等直樁)、1.3 m、1.4 m、1.5 m、1.6 m、1.7 m，即擴(kuò)底端側(cè)面斜率α=0、0.25、0.3125、0.375、0.4375、0.5時(shí)，分析擴(kuò)底直徑對(duì)擴(kuò)底嵌巖樁豎向抗壓承載性能的影響。擴(kuò)底直徑改變時(shí)，各樁基樁頂沉降量s=0.02 m對(duì)應(yīng)的樁基豎向抗壓承載力變化曲線如圖8所示。

圖8 不同擴(kuò)底直徑樁基豎向抗壓承載力曲線

從圖8中可知：樁長(zhǎng)H=8 m，擴(kuò)底直徑D=0.9(等直樁)、1.3、1.4、1.5、1.6、1.7 m時(shí)，各樁承載力分別為12 608.5、15 955.9、17 048.4、18 169.5、19 199.1、20 242.4 kN，分別較同長(zhǎng)等直樁承載力提高26.55%、35.21%、44.11%、52.27%、60.55%；樁長(zhǎng)H=18 m，擴(kuò)底直徑D=0.9(等直樁)、1.3、1.4、1.5、1.6、1.7 m時(shí)，各樁承載力分別為25 519.6、26 239.3、26 420.4、26 589.0、26 719.4、26 790.9 kN，分別較同長(zhǎng)等直樁承載力提高2.82%、3.53%、4.19%、4.70%、4.98%。

擴(kuò)底端側(cè)面斜率α在0.25～0.5變化時(shí)，隨擴(kuò)底直徑的增大，樁基抗壓承載力呈線性增長(zhǎng)。但樁長(zhǎng)較大時(shí)，擴(kuò)底直徑對(duì)樁基抗壓承載力的影響逐漸變小。因而，在樁長(zhǎng)較長(zhǎng)時(shí)，過(guò)分地通過(guò)增加擴(kuò)底直徑來(lái)提高樁基抗壓承載力是不經(jīng)濟(jì)的。

3 結(jié) 論

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)靜載荷試驗(yàn)及數(shù)值模擬計(jì)算與分析，可以得出結(jié)論如下。

1)運(yùn)用ABAQUS有限元軟件對(duì)淮南市某小區(qū)超高層建筑人工挖孔擴(kuò)底嵌巖樁基進(jìn)行數(shù)值模擬分析，將模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)靜載荷試驗(yàn)所得結(jié)果對(duì)比分析，佐證了文中參數(shù)選取和模型建立較為合理、可行。

2)大直徑擴(kuò)底嵌巖樁的豎向抗壓承載力隨著樁長(zhǎng)的增加而顯著提高。在樁長(zhǎng)為10～14 m時(shí)，樁基豎向抗壓承載力增幅尤為顯著，當(dāng)樁長(zhǎng)大于14 m時(shí)，樁基豎向抗壓承載力增幅逐漸變緩。

3)增大樁徑有利于樁基豎向抗壓承載力的提高。樁長(zhǎng)較大時(shí)，樁徑增大對(duì)樁基抗壓承載力的提高效果更為明顯。在樁長(zhǎng)較長(zhǎng)時(shí)，通過(guò)增加樁徑來(lái)提高樁基豎向抗壓承載力較樁長(zhǎng)較短時(shí)更為經(jīng)濟(jì)、有效。

4)增大嵌巖樁擴(kuò)底直徑有利于提高樁基豎向抗壓承載力，但樁長(zhǎng)較長(zhǎng)時(shí)，樁身所承擔(dān)的荷載增大，傳到樁端的荷載隨之減小，擴(kuò)底直徑的增大對(duì)提高樁基豎向抗壓承載力的作用變緩。因此，在樁長(zhǎng)較長(zhǎng)的情況下，過(guò)分增大擴(kuò)底直徑來(lái)提高樁基豎向承載力是不經(jīng)濟(jì)的。

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