王 尚，梁慶國(guó)*，周彩貴，薛小攀，李建東

(1. 蘭州交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，蘭州 730070；2. 西北水利水電工程有限責(zé)任公司，西安 710100)

紅層軟基在我國(guó)西南及西北地區(qū)分布較多，紅色巖層(簡(jiǎn)稱為紅層)，在外觀上呈磚紅色和紫紅色，主要由砂巖、泥巖、黏土巖構(gòu)成，強(qiáng)度介于土和巖石之間.紅層軟基有透水性弱、親水性強(qiáng)、吸水軟化、失水崩解等特性，紅層軟基樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)要綜合考慮土質(zhì)條件對(duì)樁側(cè)摩阻力和承載特性的影響.

近年來(lái)，眾多學(xué)者對(duì)有關(guān)地基處理和紅層軟基研究還取得了較為有價(jià)值的研究成果：通過(guò)數(shù)值模擬研究鉆孔灌注樁隨樁頂荷載的增加，樁端阻力和樁側(cè)阻力均增大[1-2].通過(guò)進(jìn)行大量現(xiàn)場(chǎng)靜載試驗(yàn)和室內(nèi)試驗(yàn)，取得成果表明樁-土界面的超孔壓沿樁深度增加，隨著樁端超孔壓加速消散，土體有效應(yīng)力增大，樁側(cè)摩阻力和樁端阻力也隨之增大[3-6].經(jīng)過(guò)理論分析和推導(dǎo)出樁周土體擾動(dòng)范圍及樁-樁相互作用系數(shù)的計(jì)算方法[7-10].通過(guò)對(duì)紅層的研究表明紅層泥巖發(fā)生水巖作用后微觀結(jié)構(gòu)疏松，顆粒間黏結(jié)變?nèi)鮗11-13].Zhang等[14]做了剛性樁的離心模型試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在軟粘土中，運(yùn)用 API規(guī)范經(jīng)過(guò)計(jì)算得到的結(jié)果存在對(duì)樁的靜極限承載力低估的現(xiàn)象.Khatri等[15]得出了抗拔樁的極限抗拔承載能力隨著粘聚力的增大而增加.在此基礎(chǔ)上，本文擬采用現(xiàn)場(chǎng)載荷試驗(yàn)，并借助有限元軟件進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，分析樁的承載特性，沉降變形、樁側(cè)阻力、樁端阻力、彎矩以及塑性區(qū)的發(fā)展規(guī)律，以期為紅層軟基鉆孔灌注樁的設(shè)計(jì)和研究提供參考.

1 工程背景及場(chǎng)地地質(zhì)情況

青海省湟水北干渠扶貧灌溉二期工程經(jīng)過(guò)湟水流域北岸淺山地帶.引水渡槽為鋼管結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)約142.3 m，8根支撐樁呈均勻分布，樁間距為15.8 m.采用混凝土灌注樁施做地基基礎(chǔ)，樁徑為1.2 m圓樁.基樁采用沖擊鉆泥漿護(hù)壁成孔，水下混凝土灌注成樁，樁長(zhǎng)為12.6～13.6 m.

經(jīng)巖土工程勘察報(bào)告表明，0～2.5 m巖性主要以粉土、粘土、砂礫石、粘土巖塊、砂巖巖塊為主，淺黃色-磚紅色，結(jié)構(gòu)松散-稍密.2.5～12.8 m為磚紅色的紅層，主要有泥巖、砂巖、黏土巖等，節(jié)理發(fā)育.12.8～31.4 m為古近系砂巖，節(jié)理一般發(fā)育.

2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

由于試驗(yàn)場(chǎng)地地形條件有限只能采用噸袋堆載法，如圖1所示.次梁下部的承重墻以及主梁下部的墩臺(tái)基礎(chǔ)采用混凝土塊砌筑，主梁采用長(zhǎng)、寬、高7 m×0.5 m×0.5 m的鋼箱梁，次梁采用14根7 m長(zhǎng)的工字鋼，現(xiàn)場(chǎng)搭設(shè)6 m×8 m的載重平臺(tái)，上面載重采用長(zhǎng)、寬、高1 m×1 m×1 m的噸袋裝碎石土作為壓重，樁頂設(shè)置鋼墊板，上面放最大頂力為500 t的油壓千斤頂，千斤頂頂力作用于主梁，主梁上覆次梁，次梁搭設(shè)在混凝土塊砌筑的墻體上，上部堆放配重.基樁檢測(cè)設(shè)備采用JYC樁基靜載荷分析儀，通過(guò)壓力傳感器、位移傳感器、油壓表和百分表自動(dòng)監(jiān)測(cè)記錄樁頂施加的壓力和樁頂產(chǎn)生的位移.

圖1 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)全貌圖

2.2 試驗(yàn)過(guò)程

在現(xiàn)場(chǎng)1號(hào)樁單樁靜載試驗(yàn)中，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)采用慢速維持荷載法進(jìn)行分級(jí)加載，使用電動(dòng)油泵千斤頂電腦控制進(jìn)行逐級(jí)加載，共分10級(jí)加載，首先進(jìn)行前兩級(jí)荷載共同加載，后面為逐級(jí)加載，每級(jí)加載量控制為180 kN，最終加載控制在1 800 kN.在維持每級(jí)荷載不變的條件下，直到樁頂沉降每小時(shí)不超過(guò)1 mm，并且要連續(xù)出現(xiàn)2次才能進(jìn)行下一級(jí)加載.樁頂沉降位移監(jiān)測(cè)采用四個(gè)百分表分別安裝在千斤頂和樁頂之間的鋼墊板的四個(gè)角上，并用磁性表座固定在基準(zhǔn)梁上.依據(jù)《樁基工程手冊(cè)》[16]的規(guī)定：在樁基靜載試驗(yàn)完成后，要分別繪制Q-s(荷載-位移)曲線、s-lgQ(位移-荷載對(duì)數(shù))曲線、s-lgt(位移-時(shí)間對(duì)數(shù))曲線，如圖2～4所示.

2.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

由圖2可知，隨著對(duì)單樁進(jìn)行分級(jí)加載過(guò)程中其位移呈一定規(guī)律增加，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)靜載試驗(yàn)數(shù)據(jù)Q-s曲線進(jìn)行擬合分析，從而得出其擬合公式為s=7.273 1×10-7Q2.012 9，相關(guān)系數(shù)為0.991 39.在最終加載到1 800 kN時(shí)，最大沉降量為2.53 mm，從Q-s曲線變化情況來(lái)看，沒(méi)有出現(xiàn)突降點(diǎn)，說(shuō)明樁在加載過(guò)程中沒(méi)有達(dá)到樁的極限承載力.圖3為不同分級(jí)加載的條件下，樁的沉降與時(shí)間對(duì)數(shù)的關(guān)系，從圖中可以看出，隨著加載荷載的不斷增加，樁身的沉降也在增加，但在本級(jí)荷載加載過(guò)程中樁身沉降隨時(shí)間變化很小，s-lgt基本呈直線分布，在每級(jí)加載曲線的線尾也沒(méi)有出現(xiàn)明顯的彎曲情況.在圖4的s-lgQ曲線中，也沒(méi)有出現(xiàn)明顯的突降點(diǎn).從以上曲線圖中可以看出，樁基在進(jìn)行加載的過(guò)程中沒(méi)有達(dá)到樁基的極限承載力.結(jié)合規(guī)范[17]中的規(guī)定：對(duì)樁端直徑D大于等于800 mm的樁，可取等于0.05D對(duì)應(yīng)的荷載值[12].取s=60 mm，代入上述擬合公式從而求出Q=8 567.4 kN.

圖2 單樁Q-s關(guān)系曲線

圖3 s-lgt曲線

圖4 s-lgQ曲線

3 數(shù)值模擬分析

3.1 計(jì)算模型

為了更好地探究現(xiàn)場(chǎng)的樁基內(nèi)力特性分布規(guī)律，運(yùn)用有限元軟件Midas/GTS開(kāi)展同等條件下的基樁靜載試驗(yàn)數(shù)值模擬.建立分析控制10級(jí)加載下的樁基模型，以清楚反映樁基在每一級(jí)加載下的位移、樁身軸力、樁側(cè)阻力、樁端阻力等具體情況.對(duì)地層中碎石土、紅層泥巖和砂巖采用各向同性摩爾庫(kù)倫模型進(jìn)行模擬，樁身采用梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬，并采用樁-土界面接觸屬性.根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況建立了三維數(shù)值模型，模型的建立與網(wǎng)格的劃分如圖5所示.第一層土為碎石土厚度為2.5 m，下層為紅層泥巖，厚度為10.3 m，樁長(zhǎng)為12.6 m，嵌入紅層泥巖地層為10.1 m.整個(gè)模型長(zhǎng)25 m，寬20 m，高35 m，共有30 990個(gè)節(jié)點(diǎn)和38 123個(gè)單元.

圖5 有限元計(jì)算模型(單位：m)

3.2 基本物理力學(xué)參數(shù)

巖土物理力學(xué)參數(shù)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地勘資料確定，樁土接觸的樁界面參數(shù)和樁端參數(shù)通過(guò)試驗(yàn)及參數(shù)計(jì)算確定，具體取值如表1所列.

表1 巖土體及樁單元物理力學(xué)參數(shù)

3.3 計(jì)算結(jié)果分析

通過(guò)有限元數(shù)值模擬計(jì)算，進(jìn)行樁身豎向位移、軸力、端阻力、彎矩以及樁端土體塑性區(qū)范圍等結(jié)果的分析，并與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比.

3.3.1 樁身豎向位移分析

通過(guò)對(duì)模型分級(jí)加載，得出分級(jí)加載條件下樁的沉降值，從而繪制出數(shù)值模擬加載下樁的Q-s曲線.數(shù)值模擬的Q-s曲線如圖6所示.從圖中可以看出模型在最終荷載1 800 kN加載下，樁的最大沉降為2.72 mm，現(xiàn)場(chǎng)靜載試驗(yàn)最終加載下最大沉降為2.53 mm.通過(guò)對(duì)數(shù)值模擬Q-s曲線進(jìn)行擬合，得出擬合關(guān)系式s=1.217×10-7Q2.26，相關(guān)系數(shù)為0.991 4.從靜載試驗(yàn)中得到的回歸方程，當(dāng)Q=1 800 kN時(shí)代入，求得s=2.60 mm.如表2所列，擬合值達(dá)到了實(shí)測(cè)值的97.3%，數(shù)值模擬結(jié)果達(dá)到了實(shí)測(cè)值的93.0%，說(shuō)明數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)相吻合，可作為現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的補(bǔ)充和指導(dǎo).

圖6 數(shù)值模擬Q-s曲線

3.3.2 樁身軸力分析

每級(jí)加載下樁身軸力沿樁長(zhǎng)的分布關(guān)系曲線如圖7所示，從圖中可以看出，在分級(jí)加載下樁身0～3 m范圍內(nèi)樁身軸力沿樁長(zhǎng)出現(xiàn)了先增大后減小的情況，大致呈D型分布，是由于樁頂碎石土層較松散，在自重的作用下發(fā)生沉降，在樁身上部產(chǎn)生一定的負(fù)摩阻力.在距樁頂3 m以下的土層，隨著樁的入土深度增加樁身軸力不斷減小.樁身側(cè)阻力隨樁頂荷載的增加而增加，由于側(cè)阻力的充分發(fā)揮樁身軸力曲線傾斜程度變大.當(dāng)樁頂荷載大于900 kN時(shí)，樁端阻力充分發(fā)揮進(jìn)而使加載過(guò)程中的樁身軸力隨樁長(zhǎng)減小的幅值更大，其對(duì)應(yīng)曲線傾斜角度也更大.

3.3.3 樁端阻力分析

分級(jí)加載下樁端荷載變化曲線如圖8所示，圖中個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的數(shù)值均為計(jì)算值，從圖中可以看出分級(jí)加載下樁端阻力變化曲線由開(kāi)始呈緩傾狀發(fā)展到最終呈陡傾狀趨勢(shì)，與Q-s曲線大致呈相同趨勢(shì)，說(shuō)明加載過(guò)程中從開(kāi)始加載到加載中期樁端阻力發(fā)揮不大，樁頂荷載大部分由樁側(cè)阻力承擔(dān)，到加載后期，由于樁側(cè)阻力的發(fā)揮完全，樁頂荷載基本由樁端阻力承擔(dān)，因此，加載后期樁端阻力隨加載工況增加的較快.在加載到900 kN后，此時(shí)樁側(cè)摩阻力已發(fā)揮完全，樁端阻力為112.33 kN，曲線開(kāi)始由緩變陡，加載到1 800 kN時(shí)，樁端荷載達(dá)到了最大值，最大值為969.40 kN.此時(shí)，樁端阻力承載比例為55.6%，樁側(cè)摩阻力承載比例為44.4%.

圖8 分級(jí)加載下樁端荷載變化曲線

3.3.4 樁身彎矩分析

加載過(guò)程中，樁身產(chǎn)生輕微的撓曲變形，使樁身承受一定的彎矩.樁身彎矩分布曲線如圖9所示，可以看出在整個(gè)加載過(guò)程中彎矩分布曲線變化趨勢(shì)大致呈相同趨勢(shì)，隨著樁頂荷載不斷增加，樁身彎矩變化幅度增大.第一層土為碎石土，厚度為2.5 m，在樁頂荷載下會(huì)在第一層土中間位置出現(xiàn)較大彎矩，從圖中可以看出在1.25 m處，樁身彎矩值較大，由于樁身彎矩作用下發(fā)生撓曲變形，進(jìn)而擠壓樁周土體，土體的被動(dòng)土壓力會(huì)抑制樁身彎矩的進(jìn)一步增大，從而使樁身彎矩減小，發(fā)生拐點(diǎn).同理，在下層泥巖的中上部位，也就是樁長(zhǎng)6～7 m處樁身?yè)锨冃我草^大，樁身彎矩較大，樁周土體的土壓力又會(huì)阻止彎矩增加，發(fā)生拐點(diǎn).在樁端部位，在加載到900 kN以后樁端土體開(kāi)始出現(xiàn)塑性變形，土體的塑性變形導(dǎo)致樁端的彎矩也較大.樁身最大正彎矩在距樁頂0.9 m位置，大小為0.45 kN·m.在前5級(jí)加載時(shí)，樁端彎矩為0 kN·m；在樁頂荷載為1 800 kN時(shí)，在樁端位置處彎矩最大，最大負(fù)彎矩為-1.17 kN·m，彎矩值整體相對(duì)較小，對(duì)樁的穩(wěn)定性影響不大.

圖9 樁身彎矩分布曲線

3.3.5 樁端土體塑性區(qū)分析

分級(jí)加載下樁端土體塑性區(qū)變化分布圖如圖10所示，從圖中可以看出，在樁頂荷載變大時(shí)，樁端土體塑性區(qū)范圍增加.在樁頂荷載為900 kN時(shí)，樁端土體開(kāi)始出現(xiàn)塑性區(qū)，由于對(duì)樁端下部土體擾動(dòng)范圍較小，樁端土體塑性區(qū)大致呈片狀分布.在樁頂荷載加載到1 080 kN時(shí)，樁端土體塑性區(qū)大致呈短柱狀分布.在樁頂荷載加載到1 440 kN時(shí)，在地層中形成了一個(gè)大致呈球形的塑性區(qū)，從塑性區(qū)前視平面圖中測(cè)量，該塑性區(qū)直徑為1.78 m，且隨著樁頂荷載的增加塑性區(qū)范圍不斷擴(kuò)大，在樁頂荷載加載至1 800 kN時(shí)，樁端地層塑性區(qū)直徑達(dá)到2.18 m.

圖10 分級(jí)加載下土體塑性區(qū)

4 結(jié)論

1) 隨著加載工況的進(jìn)行，Q-s曲線由緩逐漸變陡，沉降變化速率增加.數(shù)值模擬與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)吻合度較高，可為樁基靜載試驗(yàn)及樁的承載特性研究提供有力支持和參考.

2) 樁身軸力沿樁長(zhǎng)逐漸減小，當(dāng)樁頂荷載較大時(shí)，樁身軸力減小的幅度較大.樁頂荷載較小時(shí)，在樁頂范圍0～3 m內(nèi)樁身軸力先增大后減小，呈D狀分布.隨著樁頂荷載的增大，樁側(cè)阻力與樁端的阻力不斷增加，在最終加載下側(cè)阻力承載比例占到44.4%，端阻力承載比例為55.6%.

3) 在整個(gè)加載過(guò)程中樁身彎矩整體較??；每個(gè)工況下樁身彎矩分布變化曲線較為相似，加載到后期，彎矩最大值點(diǎn)出現(xiàn)在樁端附近位置.隨著樁頂荷載的增加，塑性區(qū)范圍不斷增大，在達(dá)到一定值時(shí)，樁端及以下土層一定范圍內(nèi)會(huì)形成球狀的塑性區(qū).