郭天祥

(廈門上城建筑設(shè)計有限公司 福建廈門 361012)

0 引言

可控剛度樁筏基礎(chǔ)，通過在端承型樁的樁頂設(shè)置剛度調(diào)節(jié)器，形成樁土共同作用機制承擔上部荷載[1]。該機制下，“刺入”變形發(fā)生在樁頂?shù)恼{(diào)節(jié)器部分，筏板底部地基土產(chǎn)生沉降變形，而樁自身由于端承性質(zhì)其豎向變形很小，樁身上部一定范圍內(nèi)樁周土層產(chǎn)生的沉降大于樁自身的沉降，即對端承型樁產(chǎn)生負摩阻力。該負摩阻力的影響因素有哪些？該負摩阻力轉(zhuǎn)化為作用在樁身的下拉荷載，如何定量分析計算，是可控剛度樁筏基礎(chǔ)設(shè)計的要點和難點。

成建陽、周峰等在《可控剛度樁基礎(chǔ)負摩阻力計算與分析》中提出基于荷載傳遞法，即：采用理想彈塑性荷載傳遞模型，對樁間距較大、群樁效應(yīng)不明顯的可控剛度樁筏基礎(chǔ)，將樁筏基礎(chǔ)中的基樁簡化為單樁模型，對其負摩阻力進行了計算分析[2]。

但現(xiàn)實中，目前的可控剛度樁筏基礎(chǔ)應(yīng)用實踐，多個項目的樁間距為4～6d(d為樁身直徑)。如：當代天境B棟樓樁間距是4d，新景七星公館2#樓為4～5d，創(chuàng)冠國際中心是5～6d。

顯然，對于樁間距在4～6d范圍的樁筏基礎(chǔ)，樁與樁、樁與土之間荷載傳遞和變形協(xié)調(diào)機制非常復(fù)雜，群樁效應(yīng)不可忽略[3]，采用單樁模型模擬分析樁筏基礎(chǔ)之基樁的負摩阻力不符合其實際受力情況。為此，有必要采用數(shù)值分析方法，建立群樁模型分析可控剛度樁筏基礎(chǔ)的負摩阻力。

本文采用ABAQUS有限元軟件建立三維數(shù)值模型，模擬土的非線性應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系[4]和樁土接觸條件。對比分析了常規(guī)樁基和可控剛度樁筏基礎(chǔ)的負摩阻力特性，通過模擬不同變剛度時間、樁間距以及樁徑等工況，著重分析可控剛度樁筏基礎(chǔ)負摩阻力的影響因素，力求定性或定量給出該負摩阻力對基樁承載力的影響程度。

1 常規(guī)樁基和可控剛度樁筏基礎(chǔ)的負摩阻力對比分析

為了考察可控剛度樁筏基礎(chǔ)與常規(guī)樁基的工作性狀及其差異，本文分別建立模型，模擬兩種基礎(chǔ)的受力機理。通過模型結(jié)果對比分析，研究可控剛度樁筏基礎(chǔ)的負摩阻力特性。

建立2個模型，筏板底上層主要為殘積砂質(zhì)粘性土，厚9m，下層主要是強風(fēng)化花崗巖，厚11 m。土體尺寸均為48 m×48 m×20 m，如圖1所示。模型土體四周邊界條件x=0，y=0，土體底部邊界條件x=0，y=0，z=0。

筏板尺寸為15 m×15 m×2 m。樁頂剛度調(diào)節(jié)器厚度0.15 m，半徑為0.5 m。根據(jù)試驗測試結(jié)果，軸向剛度值約為16 000 kN/m，因此剛度調(diào)節(jié)器彈性模量E=KL/A=3.057 MPa。樁軸向剛度為K=EA/L=2 355 000 kN/m。

結(jié)合勘察報告中土層的物理參數(shù)，以及上述計算結(jié)果和經(jīng)驗取值，數(shù)值模型各部件的材料參數(shù)如表1所示。

表1 數(shù)值模型各部件的材料參數(shù)

模擬施工加載分6級，從Load-1加載至Load-6，分別為100 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa、500 kPa、600 kPa。

圖1 模型平面及剖面圖

模型Ⅰ模擬常規(guī)端承型樁基礎(chǔ)(簡稱“常規(guī)樁基”)工況，如圖2所示。筏板底均勻布置9根樁，樁徑d=1m，樁間距5m，邊樁中心到筏板邊距離2.5m，有效樁長10 m，樁端進入強風(fēng)化花崗巖持力層1m。

圖2 常規(guī)樁基 圖3 可控剛度樁筏基礎(chǔ)

模型Ⅱ模擬可控剛度樁筏基礎(chǔ)工況，如圖3所示。在筏板底均勻布置9根樁，樁徑d=1m，樁間距5m，邊樁中心到筏板邊距離2.5m，有效樁長9.85m，樁端進入強風(fēng)化花崗巖持力層1m。樁與筏板之間設(shè)有剛度調(diào)節(jié)器，剛度調(diào)節(jié)器直徑d=1m，厚0.15m。筏板面荷載從0加載至Load-3末，此為第一階段，剛度調(diào)節(jié)器彈性模量為3.057MPa；當加載至Load-3末，將剛度調(diào)節(jié)器的空腔采用高強材料填充密實(簡稱“注漿”)，彈性模量增大為3×104MPa，筏板面荷載繼續(xù)從Load-4加載至Load-6，此為第二階段。

圖4為可控剛度樁筏基礎(chǔ)和常規(guī)樁基樁側(cè)摩阻應(yīng)力沿樁身變化，從圖4中可以看出，常規(guī)樁基樁側(cè)均受到正摩阻應(yīng)力作用，沿樁身向下逐漸增大；可控剛度樁筏基礎(chǔ)的作用機理是土體首先承擔上部荷載被壓縮，土體相對于樁有向下的位移，因此對樁身的上部產(chǎn)生向下負摩阻應(yīng)力，中性點位于樁頂以下約0.8倍樁長位置，中性點以下正摩阻應(yīng)力不斷增大。

圖4 不同模型樁側(cè)摩阻應(yīng)力

圖5 樁側(cè)摩阻合力

圖5為常規(guī)樁基和可控剛度樁筏基礎(chǔ)樁側(cè)摩阻合力。常規(guī)樁基側(cè)摩阻力隨著荷載增加不斷增大，而可控剛度樁筏基礎(chǔ)在第一階段側(cè)的樁側(cè)摩阻力主要為負摩阻力，隨荷載增大而增加，最大值-6326kN；第二階段，樁側(cè)摩阻合力隨加載線性減小，由負值轉(zhuǎn)為正值，最終達到2318 kN，究其因，第二階段“注漿”后，土體基本不再被壓縮，樁基逐步承擔上部荷載，樁側(cè)正摩阻力不斷增大，樁側(cè)阻合力由負值轉(zhuǎn)為正值。從圖5可以看出，可控剛度樁筏基礎(chǔ)在加載過程中，大部分處于負摩阻力狀態(tài)，呈現(xiàn)V字型變化，在“注漿”時負摩阻力達到最大值。

2 變剛度時間對可控剛度樁筏基礎(chǔ)負摩阻力的影響

為了研究變剛度時間對可控剛度樁筏基礎(chǔ)樁側(cè)負摩阻力的影響，分別在6個分析步中進行變剛度，即在基礎(chǔ)筏板面荷載分別達到Load=0kPa、100kPa、200kPa、300kPa、400kPa、500kPa、600kPa時，對剛度調(diào)節(jié)器進行“注漿”。

通過圖6可以看出，在Load-1初始時刻變剛度，則可控剛度樁筏基礎(chǔ)樁側(cè)正摩阻力線性增大，接近常規(guī)樁基。在Load-2～Load-6“注漿”，可控剛度樁筏基礎(chǔ)第一階段樁側(cè)摩阻力主要為負摩阻力，并隨著荷載增加而增大；當剛度調(diào)節(jié)器“注漿”后，可控剛度樁筏基礎(chǔ)進入第二階段，樁側(cè)正摩阻力不斷增大。若“注漿”時間在Load=400之前，由于土體壓縮沉降量相對不大，樁側(cè)負摩阻力較小，最終時刻樁側(cè)摩阻合力由負值轉(zhuǎn)為正值；若“注漿”時間在Load=400之后，最終側(cè)摩阻合力為負值，最大值為-11 859 kN。

圖6 變剛度時間的樁側(cè)摩阻合力

不同的變剛度時間，樁側(cè)負摩阻力的大小也不同，在設(shè)計中如何考慮“注漿”時間及其對負摩阻力的值影響。

為了定量分析負摩阻力對基樁承載力的影響大小，研究了不同“注漿”時間，樁側(cè)摩阻力在基樁承載力中的占比。從圖7中發(fā)現(xiàn)，第一階段末，注漿時間從Load=100變到Load=600，樁側(cè)摩阻力與基樁承載力比值基本相同，均為-35.0%左右，以負摩阻力為主；但在第二階段末，最終樁側(cè)摩阻力占比從12.3%轉(zhuǎn)變?yōu)?35.0%。其因在于，隨著“注漿”時間推遲，樁側(cè)正摩阻力的發(fā)揮也相對“滯后”，負摩阻力的作用不斷增大，導(dǎo)致最終時刻樁側(cè)阻力占比由正值變?yōu)樨撝?，樁?cè)主要受負摩阻力作用。

圖7 樁側(cè)摩阻力與基樁承載力比值

在實際工程應(yīng)用中，為了充分發(fā)揮地基土承載力，往往在地基土承擔的荷載已經(jīng)接近或達到設(shè)計允許值時進行“注漿”。從圖7中可查得最終時刻樁側(cè)阻力與基樁承載力的比值。例如，主樓在封頂后“注漿”，上部加載已達80%(也就是模型中Load-5時)，查圖7可得，此時樁側(cè)合力為負摩阻力,基樁下拉荷載約占樁承載力的15%，在可控剛度樁筏基礎(chǔ)的設(shè)計中，單樁承載力特征值Ra考慮負摩阻力的影響，可以取0.85Ra值進行設(shè)計。

3 樁間距對可控剛度樁筏基礎(chǔ)負摩阻力的影響

不同樁間距對可控剛度樁筏基礎(chǔ)負摩阻力的影響，模型參數(shù)如表2所示。

表2 不同樁間矩模型參數(shù)

圖8為3個模型的樁側(cè)摩阻應(yīng)力沿樁身的變化。從圖8中可以看出，隨著樁間距從4d增大到6d，負摩阻力中性點位置不斷上移，樁側(cè)負摩阻應(yīng)力減小，負摩阻力合力也相應(yīng)變小。因此，群樁效應(yīng)對單樁負摩阻力影響不可忽略。而且，即使樁間距達到6d，建立僅考慮單樁負摩阻力效應(yīng)的力學(xué)模型進行分析，不計群樁之間相互作用，計算結(jié)果也不符合實際的受力情況。因此，對群樁承臺下的單樁負摩阻力計算，有必要通過建立有限元模型進行準確計算，結(jié)合數(shù)值分析結(jié)果對單樁力學(xué)模型進行適當修正，以得到較為準確簡便的負摩阻力計算公式，用于指導(dǎo)設(shè)計。

圖8 不同樁間距樁側(cè)摩阻應(yīng)力

4 樁徑對可控剛度樁筏基礎(chǔ)負摩阻力的影響

不同樁徑對樁側(cè)摩阻力影響的模型參數(shù)如表3所示。

表3 不同樁徑模型參數(shù)

圖9繪制的是3種樁徑中樁樁側(cè)摩阻應(yīng)力沿樁身的分布情況，隨著樁徑的減小，負摩阻力中性點位置上移。

圖9 不同樁徑中樁樁側(cè)摩阻應(yīng)力

其中，模型[d=1.0 m]和模型[d=1.5 m]側(cè)摩阻應(yīng)力沿樁身分布趨勢基本一致。中性點以上，負摩阻力先是由小逐漸增大，大約在樁頂以下1m處達到負摩阻應(yīng)力的最大值，然后逐漸減小，中性點位于樁長0.77～0.81倍位置處。在中性點以下，正摩阻應(yīng)力不斷增大，直至樁底。

模型[d=0.6 m]側(cè)摩阻應(yīng)力沿樁身的分布趨勢則有所不同。在樁頂處向下至中性點，負摩阻應(yīng)力不斷減小，中性點位置大約位于樁長0.40倍位置，相對模型[d=1.0m] 和[d=1.5m]上移。

圖10 不同樁徑樁側(cè)摩阻合力

樁側(cè)摩阻應(yīng)力的整體作用反應(yīng)為樁側(cè)摩阻合力，如圖10所示，體現(xiàn)的變化趨勢相同點為：第一階段均樁側(cè)受到的都是負摩阻力，且隨著加載進行逐漸加大；第二階段開始，負摩阻力逐漸減小，甚至轉(zhuǎn)變?yōu)檎ψ枇Α?/p>

模型[d=0.6 m]、模型[d=1.0 m]、模型[d=1.5 m]第一階段結(jié)束時，樁側(cè)摩阻力分別為-2719 kN、-6326 kN、-9823 kN；加載結(jié)束時則分別為6304 kN、2318 kN、-2158 kN?？梢钥吹剑瑯稄皆酱?，負摩阻力也越大。在可控剛度樁筏基礎(chǔ)設(shè)計中，常采用大直徑灌注樁，其樁側(cè)負摩阻力影響更應(yīng)該引起足夠重視。

5 工程實例

利用有限元軟件ABAQUS建立如圖11～圖12所示的當代·天境B棟樓的數(shù)值分析模型。

圖11 數(shù)值計算整體計算模型

圖12 基礎(chǔ)模型示意圖

主樓下筏板厚度2 m，樁徑為1 m，剛度調(diào)節(jié)器厚度0.15 m，樁長9.85 m。

根據(jù)地質(zhì)勘察報告，模型中基礎(chǔ)底板以下3層巖土體，分別為⑥殘積砂質(zhì)粘性土、⑦全風(fēng)化花崗巖、⑧強風(fēng)化花崗巖。樁端進入持力層⑦全風(fēng)化花崗巖1m。

依據(jù)當代·天境現(xiàn)有的地質(zhì)勘察報告和上部結(jié)構(gòu)的設(shè)計文件，設(shè)置模型參數(shù)如表4所示，樁和筏板材料參數(shù)同表1。

表4 當代·天境模型參數(shù)

基樁樁頂?shù)膭偠日{(diào)節(jié)器軸向剛度值約為12 000kN/m[6]。模型中的剛度調(diào)節(jié)器厚度為0.15m，半徑為0.5m，因此其彈性模量E為：E=KL/A=22.9 MPa。

圖13 樁側(cè)摩阻力

圖13為中樁、邊樁和角樁的樁側(cè)摩阻應(yīng)力沿樁身變化。中樁和邊樁的樁側(cè)摩阻應(yīng)力變化規(guī)律相似，隨著樁身向下，負摩阻力先緩慢增大，而后減小為零，負摩阻應(yīng)力中性點位于0.4倍樁身長度，從樁身中性點往下至樁端，負摩阻應(yīng)力迅速增大為60kPa；角樁樁側(cè)摩阻應(yīng)力由樁頂-18.6 kPa沿樁身向下逐漸減小為零，而后增大至72.1 kPa，中性點相對于邊樁和角樁偏上，位于0.3倍樁身長度[5]。

當代·天境是較早應(yīng)用可控剛度樁筏基礎(chǔ)新技術(shù)項目。當時實踐經(jīng)驗并不多，且理論研究也處于初步水平，負摩阻力取值，規(guī)范也沒有相關(guān)計算公式。在設(shè)計時，考慮負摩阻力的影響，對基樁承載力特征值Ra適當折減，取0.8Ra。在主樓封頂后進行“注漿”，當時上部加載約為80%。通過查圖7(樁長同為10 m)可得，基樁下拉荷載約占樁承載力的15%，可以取0.85Ra進行設(shè)計，驗證了當時設(shè)計的合理性。

該工程在基礎(chǔ)筏板澆筑前埋設(shè)了大量樁頂力傳感器和基底土壓力傳感器，自2010年12月15日開始至2012年7月工程竣工交付使用，共歷時一年半進行了現(xiàn)場測試工作?，F(xiàn)場測試工作全方位，主要內(nèi)容包括建筑物沉降觀測、基底土壓力觀測和樁頂反力監(jiān)測等，均滿足設(shè)計要求。目前使用情況良好。

6 結(jié)語

可控剛度樁筏基礎(chǔ)的工作機理決定其樁側(cè)會受到負摩阻力作用。樁身上部一定范圍處于負摩阻力狀態(tài)，應(yīng)引起注意。

(1) 對于可控剛度樁筏基礎(chǔ)樁側(cè)負摩阻力的討論，是基于樁長為10m的情況，得到中性點位于樁頂以下約0.4～0.8倍樁長位置，并隨著加載不斷沿樁身往上移，中性點處樁身軸力最大。在加載過程中，可控剛度樁筏基礎(chǔ)大部分處于負摩阻力狀態(tài)，基樁下拉荷載約占樁承載力的15%，在工程設(shè)計時應(yīng)考慮其對樁身承載力的影響。

同時應(yīng)當注意到，樁長不同的情況，尤其是樁長相對較長時，地基土的受荷變形主要體現(xiàn)在表層一定深度內(nèi)，因此其樁側(cè)負摩阻應(yīng)力的影響范圍相對有限，對于不同樁長的樁側(cè)摩阻力的特性有待進一步研究。

(2)變剛度時間對最終樁側(cè)摩阻力大小的影響不可忽略，隨著“注漿”時間的推遲，樁側(cè)正摩阻力的發(fā)揮也相對“滯后”，負摩阻力的作用不斷增大。

(3)隨著樁間距的增大，負摩阻力中性點位置不斷上移，樁側(cè)負摩阻應(yīng)力減小，負摩阻力合力也相應(yīng)變小。當徑距比較小時，群樁效應(yīng)對于單樁負摩阻力的影響不可忽略。

(4)樁徑越大，負摩阻力也越大。在可控剛度樁筏基礎(chǔ)設(shè)計中，常采用大直徑灌注樁，其樁側(cè)負摩阻力的影響更應(yīng)該引起足夠重視。

(5)分析表明樁身上部一定樁長范圍內(nèi)存在較大負摩阻力，該負摩阻力大小和范圍與剛度調(diào)節(jié)器的剛度、樁周土的力學(xué)性質(zhì)、樁長以及樁端持力層的力學(xué)性能等因素有關(guān)，但尚難準確計算，該負摩阻力對可控剛度樁筏基礎(chǔ)工作機理的影響程度，尚需要進一步深入研究。