曾 翔

（廣東厚普建設(shè)工程有限公司 廣州511493）

關(guān)鍵字：樁底沉渣；真空聯(lián)合堆載預(yù)壓；數(shù)值模擬；灌注樁

0 引言

鉆孔樁的單樁承載力受施工工藝與技術(shù)的影響較大，尤其是成孔工藝的影響，由于成孔過程中清孔工藝的不到位，極易造成孔底存在一定厚度的樁底沉渣［1-3］。以往大量的工程實例證明，樁底沉渣對鉆孔灌注樁的承載力有顯著的影響，且有部分工程因樁底沉渣過厚而直接導(dǎo)致工程試樁承載力遠遠達不到設(shè)計要求［4］。隨著工程實踐的不斷發(fā)展，對灌注樁的工作性能和優(yōu)化設(shè)計等問題已展開了不同程度的研究，且取得了很多有價值的研究成果，如彭園等人［5］探究的巨厚風(fēng)積沙地層中樁基施工成孔技術(shù)，取得了較好的效果；徐藝飛等人［6］依托實際工程，并結(jié)合數(shù)據(jù)模擬結(jié)果分析壓漿灌注樁的長期工作性能；劉紅艷等人［7］研究后壓漿超長鉆孔灌注樁的抗壓和抗拔承載特性，發(fā)現(xiàn)后壓漿技術(shù)對提高樁基成樁質(zhì)量的穩(wěn)定性具有很好的效果；劉立宏等人［8］通過室內(nèi)縮尺試驗探究旋挖擠擴灌注樁的承力盤最佳埋深位置；徐永祥等人［9］利用數(shù)值模擬分析鉆孔灌注排樁施工對鄰近高鐵橋梁樁基影響。然而廣州南沙地區(qū)地層相對復(fù)雜，通常是覆蓋20～30 m厚的淤泥而其下直接下臥巖層，土層性質(zhì)具有顯著的地域特點［10-13］。本文以廣州市某熱力電廠工程為項目依托，通過單樁靜載荷試驗和有限元數(shù)值模擬，定量分析樁底沉渣厚度對灌注樁豎向承載性能的影響規(guī)律。文中采用專業(yè)巖土工程有限元軟件Midas/GTS，對位于工程實際地層的灌注樁進行單樁靜載荷試驗數(shù)值模擬，進而確定有限元模型的計算參數(shù)，在此基礎(chǔ)上將現(xiàn)場單樁靜載荷試驗的結(jié)果進行推廣，給出樁底沉渣厚度對灌注樁承載力的影響。有限元數(shù)值模擬計算中灌注樁采用線彈性本構(gòu)模型，巖土體采用彈塑性Mohr-Coulomb本構(gòu)模型，樁土界面單元采用Midas/GTS有限元軟件提供的接觸單元模擬。

1 工程概況

廣州某熱力電廠項目位于廣州市南沙區(qū)大崗鎮(zhèn)新聯(lián)二村范圍內(nèi)，北臨東新高速，東靠上橫瀝河道，西鄰十一頃涌，南靠中船中路。工程主廠區(qū)采用灌注樁基礎(chǔ)，樁長約45 m，樁徑0.8 m。項目的地質(zhì)條件相對復(fù)雜，自上而下的地層劃分為0.5～4.3 m人工填土層、0.5～1.3 m耕植土層、20.2～30.1 m淤泥層、1.2～1.3 m中粗砂層、0.7～6.6 m砂質(zhì)黏性土層，基巖為花崗巖，地層分布不均。場地地下水按含水介質(zhì)類型（含水層的空隙性質(zhì)）不同可分為上層滯水、松散巖類孔隙水和深部塊狀巖類裂隙水。場地內(nèi)淤泥、淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土和砂質(zhì)粘性土為相對隔水層。

2 現(xiàn)場試驗

2.1 單樁靜載荷試驗

本工程2根試樁均為灌注樁，SZ1樁長42 m，SZ2樁長44 m，持力層均為強風(fēng)化花崗巖層，最大加載量均為6 000 kN，為設(shè)計荷載的2倍。單樁靜載試驗按《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范：廣東省標準DBJ 15-31—2016》有關(guān)規(guī)定，采用慢速維持荷載法進行，以載重平臺作為反力提供裝置，利用電動油泵帶動3臺5 000 kN油壓千斤頂進行荷載施加，用0.4級精密油壓表顯示荷載，采用電測位移計和機械百分表2種手段同時測量沉降值，試驗裝置如圖1所示。

圖1 現(xiàn)場單樁靜載荷試驗載重反力平臺Fig.1 The Load Reaction Platform for the Static Load Test of a Single Pile on Site

2.2 試驗結(jié)果和分析

2根試樁的單樁靜載荷試驗的P-s曲線如圖2所示。由圖2可知，2根試樁的荷載-沉降曲線（P-s曲線）呈緩變型。試樁SZ1加載到設(shè)計荷載3 000 kN時，樁頂沉降9.6 mm，加載到最大加載量6 000 kN時，樁頂沉降20.5 mm，卸載后殘余沉降5.9 mm，回彈率71.3%；試樁SZ2加載到設(shè)計荷載3 000 kN時，樁頂沉降5.5 mm，加載到最大加載量6 000 kN時，樁頂沉降17.0 mm，卸載后殘余沉降3.2 mm，回彈率81.2%；這說明在2倍設(shè)計荷載的加載量條件下，灌注樁主要發(fā)生彈性變形，樁身壓縮量占樁頂沉降的比例較大。

圖2 試樁的單樁靜載荷試驗的P-s曲線Fig.2 P-s Curve of Single Pile Static Load Test

3 數(shù)值模擬

運用專業(yè)巖土工程有限元軟件Midas/GTS對現(xiàn)場單樁靜載荷試驗進行建模分析，當(dāng)數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)基本吻合后，在此有限元模型基礎(chǔ)上分析樁底沉渣厚度對灌注樁單樁豎向承載力的影響規(guī)律。

3.1 三維有限元模型的建立

灌注樁樁徑為0.8 m，樁長42 m，采用C30混凝土。有限元數(shù)值模擬分別分析：①無樁底沉渣；②樁底沉渣厚度100 mm；③樁底沉渣厚度200 mm和④樁底沉渣厚度400 mm四種情況下灌注樁的單樁豎向承載變形性狀。三維有限元模型取10.0 m×10.0 m×60.0 m的區(qū)域，上部為自由邊界，底部全約束，各側(cè)邊限制向?qū)?yīng)方向的水平位移，三維有限元模型如圖3所示。

圖3 Midas/GTS有限元模型Fig.3 Midas/GTS Finite Element Model

3.2 基本假定

該模型建立的基本假定主要如下：

⑴土體本構(gòu)模型采用莫爾-庫侖本構(gòu)模型，支護結(jié)構(gòu)體系本構(gòu)模型采用線性彈性模型，各材料的物理力學(xué)參數(shù)如表1所示；

表1 有限元模型各材料物理力學(xué)參數(shù)Tab.1 Physical and Mechanical Parameters of Each Material of the Finite Element Model

⑵假定各土層都為成層均質(zhì)水平分布；

⑶不考慮地下水在基坑開挖過程中的影響；

⑷不考慮開挖過程中的時間因素；

⑸考慮土體初始應(yīng)力場的影響；

⑹樁-土界面采用Midas/GTS有限元軟件提供的接觸單元，摩擦類型為庫侖摩擦。樁土一旦接觸，就不再分開，此時只有相對切向滑動。接觸單元的有限元模型參數(shù)通過試算確定，即通過不斷調(diào)整不同土層的接觸單元參數(shù)，當(dāng)單樁靜載荷試驗的有限元模擬結(jié)果與現(xiàn)場試驗結(jié)果一致時，此時的接觸單元參數(shù)為本文的有限元模型接觸單元參數(shù)。

3.3 模擬結(jié)果

3.3.1 單樁靜載荷試驗數(shù)值模擬結(jié)果

由于樁土界面接觸單元的剛度模量較難確定，但對合理地模擬灌注樁的單樁豎向承載力卻產(chǎn)生重要影響，這里根據(jù)試算法確定接觸單元的剛度模量，試算組別設(shè)置如表2所示。單樁靜載荷試驗的數(shù)值模擬結(jié)果如圖4所示。

表2 樁土界面接觸單元剛度模量試算方案Tab.2 Trial Calculation Scheme of Stiffness Modulus of Contact Element of Pile-soil Interface（k N/m3）

圖4 不同試算組別單樁靜載荷試驗數(shù)值模擬結(jié)果Fig.4 Numerical Simulation Results of Single Pile Static Load Test

由圖4可以看出，對于Kt4，Kn4試算組別，有限元數(shù)值模擬結(jié)果與試驗結(jié)果較為一致，因此，本文確定的樁土接觸單元剛度模量為：樁與淤泥的切向剛度系數(shù)為Kt=3 kN/m3、法向剛度系數(shù)為Kn=30 000 kN/m3；樁與強風(fēng)化巖的切向剛度系數(shù)為Kt=140 kN/m3、法向剛度系數(shù)為Kn=1 400 000 kN/m3。

3.3.2 樁底沉渣和樁周泥皮對灌注樁豎向承載性狀影響數(shù)值模擬結(jié)果

樁底沉渣厚度對灌注樁豎向承載性狀影響的數(shù)值模擬結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同樁底沉渣厚度下灌注樁的荷載-沉降曲線Fig.5 Load-settlement Curves of Cast-in-place Piles with Different Thicknesses of Bottom Sediment

由圖5可以看出，隨著樁底沉渣厚度的增大，灌注樁的承載性狀發(fā)生明顯改變，當(dāng)不存在樁底沉渣時，即使加載至最大加載量，樁土之間仍然近似處于彈性變形階段；當(dāng)樁底沉渣厚度達到100 mm時，樁的破壞模式近似于整體剪切破壞，樁土之間出現(xiàn)塑性變形；當(dāng)樁底沉渣大于200 mm時，樁的破壞模式近似于刺入破壞，樁底位移隨樁底荷載的增加而迅速增加。因此，樁底沉渣對灌注樁的豎向承載性狀產(chǎn)生關(guān)鍵影響，在施工過程中應(yīng)采取有效措施，避免樁底沉渣的出現(xiàn)。

4 結(jié)論

⑴南沙地區(qū)典型的深厚軟弱土層下臥巖層的地層條件的灌注樁的荷載-沉降曲線呈緩變型。

⑵選取合適的樁土界面接觸單元參數(shù)，運用Mi?das/GTS可以有效模擬灌注樁的豎向承載性狀。有限元數(shù)值模擬計算表明，隨著樁底沉渣厚度的增大，灌注樁的承載性狀發(fā)生明顯改變，在施工過程中應(yīng)采取有效措施，避免過厚的樁底沉渣出現(xiàn)，導(dǎo)致灌注樁的承載力大幅降低。