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        基于原位測試的樁基水平承載力分析

        2022-04-19 21:43:43曹慷峰
        粘接 2022年3期
        關(guān)鍵詞:樁基礎(chǔ)

        曹慷峰

        摘 要:針對傳統(tǒng)樁基水平承載力分析方法對土體參數(shù)的要求,提出采用巖土工程原位測試中的p-y曲線法對樁基水平承載力進(jìn)行分析。在軟土地基上對兩根鉆孔灌注樁進(jìn)行有限元模擬,同時采用p-y曲線對鉆孔灌注樁的水平承載力進(jìn)行分析,結(jié)果表明:在水平荷載下,p-y曲線法能有效計算樁身水平位移、截面彎矩和土體抗力;p-y曲線計算結(jié)果與有限元數(shù)值模擬結(jié)果具有很高的擬合度,可有效反應(yīng)不同土質(zhì)下樁基的水平承載力變化。

        關(guān)鍵詞:p-y曲線法;原位測試;樁基礎(chǔ);水平承載力;截面彎矩

        中圖分類號:TU473?????? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:1001-5922(2022)03-0096-05

        Analysis of horizontal bearing capacity of pile

        foundation based on in-situ test

        CAO Kangfeng

        (Shanxi Huaye Survey Engineering Technology Co., Ltd., Taiyuan 030002, China)

        Abstract:

        In view of the high requirements of soil parameters and high cost of traditional pile foundation horizontal bearing capacity analysis method, the p-y curve method based on geotechnical engineering in-situ testing technology is proposed to analyze the horizontal bearing capacity of pile foundation. Through the finite element simulation of two bored piles of a building on soft soil foundation, the results are compared with the results of p-y curve method based on geotechnical engineering in-situ testing technology proposed in this paper. It is proved that the p-y curve method based on in-situ test of geotechnical engineering proposed in this paper can effectively calculate the horizontal displacement of pile body, section bending moment and soil resistance under horizontal load; the calculation results have a high degree of fit with the finite element numerical simulation results, and can effectively reflect the changes of horizontal bearing capacity of pile foundation under different soil conditions.

        Key words:

        p-y curve method; in-situ test; pile foundation; horizontal bearing capacity; section bending moment

        樁基礎(chǔ)是我國較為常見的一種地基形式,因?yàn)槠浞€(wěn)定性好、適應(yīng)性強(qiáng)和承載力高等優(yōu)點(diǎn),常用于橋梁、碼頭以及抗震的建設(shè)。樁基水平承載力決定了樁基建筑物結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和安全服役性,所以對樁基水平承載力進(jìn)行有效分析是提升其性能的重要方式。通過建立任意樁身橫截面豎向側(cè)摩阻力產(chǎn)生的附加彎矩計算公式及其影響下的樁身單元受力微分表達(dá)式,結(jié)合推導(dǎo)的樁端水平阻力本構(gòu)模型和給定的迭代求解方法,證明了樁側(cè)豎向側(cè)摩阻力所產(chǎn)生的附加彎矩對樁基水平承載力的影響[1];則提出了一種基于改進(jìn)應(yīng)變楔模型的大直徑樁基水平承載力的分析方法,證實(shí)樁側(cè)摩阻,樁端彎矩和樁端剪力有利于大直徑樁基水平承載能力的發(fā)揮,除樁身抗彎剛度外,樁基尺寸效應(yīng)是樁側(cè)摩阻,樁端彎矩和樁端剪力3個因素共同作用的結(jié)果[2]。為簡化計算,尋找一種更簡單直觀的樁基水平承載力分析方法,本文嘗試以原位測試技術(shù)出發(fā),用p-y曲線法分析樁基水平承載力的變化。

        1 樁基水平受荷機(jī)理

        1.1 樁-土相互作用

        受水平荷載影響,樁-土相互作用主要分為3個階段。彈性變形階段主要在水平荷載比較低的時候發(fā)生,樁基受循環(huán)荷載,樁基周圍土體變形慢慢穩(wěn)定。將荷載卸除后,土體變形會慢慢恢復(fù)到原來的狀態(tài)。在該狀態(tài)下,樁基上部土體提供樁基承受的水平抗力;當(dāng)荷載持續(xù)增加,樁-土作用逐漸轉(zhuǎn)換至塑性變形階段。此時樁-土水平位移隨著荷載循環(huán)次數(shù)的增加而變大,但每次增加量減小。在該狀態(tài)下,樁基表面的土層出現(xiàn)塑性屈服變形,受水平荷載影響的區(qū)域也逐漸加深;當(dāng)水平荷載超過表面土層塑性變形極限,出現(xiàn)失穩(wěn)破壞現(xiàn)象,此時樁-土作用徹底轉(zhuǎn)換為失穩(wěn)破壞階段。在該狀態(tài)下,樁基水平位移出現(xiàn)繞曲變形和驟增現(xiàn)象,不能滿足設(shè)計要求。

        1.2 樁基水平承載特性影響因素

        對樁基水平承載力主要影響因素有樁自身強(qiáng)度和土側(cè)強(qiáng)度、埋地深度等。在水平荷載的作用下,樁側(cè)土響應(yīng)受樁基抗彎剛度影響明顯,因此樁體剛度對水平承載力的影響可用樁-土相對剛度描述。

        樁-土位移相對剛度表達(dá)式[3]:

        T=(EImb0)15

        式中:m為土體水平抗力水平比例常數(shù);E為樁的彈性模量;I為樁界面慣性矩;b0為樁界面計算寬度。

        通過對T的分析,可將承受荷載的樁分為彈性樁和剛性樁;彈性樁又包括板剛性樁和柔性樁。樁頂受到荷載約束方式不同,破壞形式也有所差異。圖1~圖3為3種樁在自由和嵌固兩種約束方式下的破壞模式。

        由圖1~圖2可知,在水平荷載的作用下,受自由約束時,剛性樁樁體以底部某一點(diǎn)為圓心做剛體轉(zhuǎn)動;柔性樁樁體存在兩個位移零點(diǎn);受嵌固約束時,剛性樁樁體沿荷載防線做平行移動;柔性樁則存在一個位移零點(diǎn);柔性樁由于樁體下半段嵌固在土體中,因此兩種約束方式下,樁體皆不發(fā)生轉(zhuǎn)動;半剛性樁與柔性樁破壞模式相近(在此不作敘述)。

        2 基于原位測試技術(shù)的水平承載力計算方法

        2.1 原位測試方式選擇

        原位測試技術(shù)的基本原理是在原位狀態(tài)或應(yīng)力條件下測試巖土性質(zhì),常用原位測試方式有載荷試驗(yàn)、靜力觸探試驗(yàn)和標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)[4]。本文選擇靜力觸探試驗(yàn),將FFCPT探頭貫入土體中,得到不同深度的土體參數(shù),結(jié)合國內(nèi)樁基水平承載力常用p-y曲線法,分析樁基水平承載力變化[5]。FFCPT探頭如圖4所示。

        2.2 p-y曲線法

        經(jīng)典p-y曲線模型樁側(cè)土體抗力和樁身水平位移間的關(guān)系[6]可表示:

        ppu=0.5(yy50)13(2)

        式中:pu表示樁側(cè)土體水平極限抗力;p表示樁側(cè)單位土體抗力與u深度的函數(shù)關(guān)系;y表示樁身水平位移,這是深度的函數(shù);y50表示樁側(cè)土體抗力達(dá)極限值50%時對應(yīng)的樁身水平位移。

        在式(2)中,pu可用下式表示:

        pu=NcD(3)

        式中:pu表示不排水剪切強(qiáng)度;Nc表示承載力因子;D為樁直徑;

        式(3)證實(shí)了不排水剪切強(qiáng)度是影響土體極限抗力的重要因素。本文采用經(jīng)驗(yàn)系數(shù)法解釋Su值。FFCPT探頭貫入土體中后,可對錐尖阻力、側(cè)壁摩阻力、空隙水壓力進(jìn)行檢測。經(jīng)驗(yàn)系數(shù)法用錐尖阻力和空隙水壓力估算Su表達(dá)式:

        Su=qt-u2Ne(4)

        式中:qt表示經(jīng)修正錐尖阻力;u2表示錐尖處檢測的空隙水壓力;Ne表示有效圓系數(shù)。

        將式(4)修正后,該表達(dá)式為:

        qt=qc+u2(1-a)(5)

        式中:a為探頭凈面積比;其余字母意義與上述公式相同,取值0.8。

        若土層孔隙率過高,則需要利用超靜孔隙水壓力估算Su,其表達(dá)式為:

        Su=u2-u0NΔu(6)

        式中:u0表示對應(yīng)深度的超靜孔隙水壓力;NΔu表示超靜孔壓圓錐系數(shù)。

        將上述公式進(jìn)行整合,則基于原位測試靜力觸探技術(shù)得到的pu計算公式:

        pu=NcNe(qt-u2)D

        pu=NcNΔu(u2-u0)D(7)

        在p-y曲線基礎(chǔ)公式中,y50可通過三軸壓縮試驗(yàn)得到的ε50計算,兩者在黏土層的關(guān)系:

        y50=2.5ε50D(8)

        式中:ε50可通過錐尖阻力和超固結(jié)比進(jìn)行估算,則有:

        ε50=0.85qc+OCR-4.5(9)

        整合可得基于靜力觸探測試的樁基水平承載特性p-y曲線[7-8]:

        p(z)=0.5NcNe(qt-u2)×

        y(z)D22.125qt-2.125(1-a)u2+0.5-11.25

        p(z)=0.5NcNΔu(u2-u0)×

        y(z)D22.125qt-2.125(1-a)u2+2.5-11.25(10)

        3 樁基水平承載特性數(shù)值模擬

        3.1 工程概況

        本試驗(yàn)選用的工程原型某高層建筑,該建筑以轉(zhuǎn)孔灌注樁形式立于軟土地基上。在建筑前期,根據(jù)靜力觸探試驗(yàn)結(jié)果劃分土層基本層。探測結(jié)果表明,該地基對應(yīng)的土層劃分為5層。

        (1)表層素填土層:深度約為1 m;土質(zhì)為粉質(zhì)黏土,局部存在植物根莖,物理力學(xué)性能分布不均,受荷載后容易出現(xiàn)壓縮現(xiàn)象,無法成為建筑物持力層;

        (2)淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層:深度約為2.2 m;土質(zhì)主要為流塑態(tài)淤泥,土層特點(diǎn)為壓縮高強(qiáng)度低;

        (3)粉細(xì)砂層:深度約為5 m;該層粉細(xì)砂級配不良且沙土狀況表現(xiàn)出中密狀態(tài),壓縮性和強(qiáng)度都表現(xiàn)為中等狀態(tài);無法成為建筑物持力層;

        (4)緩沖層:該層主要為上3種土質(zhì)的結(jié)合,深度約為11.8 m;該層受土質(zhì)影響,具備以上3層的特點(diǎn),剪切強(qiáng)度較低,也不能做為持力層使用;

        (5)粉質(zhì)黏土層:深度約為23.9 m;該層土質(zhì)主要以細(xì)砂為主,該層細(xì)砂飽和且密實(shí),級配不良,局部含有淤泥質(zhì)粉土;強(qiáng)度較高,壓縮性較低,可作為建筑物持力層使用。

        3.2 模型的建立

        選擇兩根鉆孔灌注樁A和B,兩根樁樁長和直徑分別為35 m和1.2 m;樁身混凝土采用的是C35強(qiáng)度,在內(nèi)部嵌有螺紋鋼筋。為簡化模型,設(shè)灌注樁僅嵌入主筋,外部沒有箍筋,樁側(cè)土體為6層,樁身為彈性模型,鋼筋為理想彈塑性模型。輸出截面彎矩是以樁身20 m為分界線,20 m以上,每1 m都設(shè)置截面;20 m以下,每5 m設(shè)置截面。以樁徑方向10倍的樁徑長度作為樁側(cè)土體,深度為樁側(cè)部分35 m,樁底部分5 m;土體材料本構(gòu)模型為線彈性模型和Mohr-Coulomb模型,具體模型參數(shù)如表1所示[9-10]。

        該模型中,采用硬接觸和默認(rèn)值為接觸模型,罰函數(shù)為切向模型。通過土體內(nèi)摩擦角計算樁-土界面摩擦角,摩擦系數(shù)取0.3。將初始的應(yīng)力增加在樁和土體上,多層土和本構(gòu)模型參數(shù)不同,對土層上下邊界進(jìn)行設(shè)置。根據(jù)上下邊界土層插值內(nèi)部深度,分別對A、B兩樁模擬增量41 kN和30 kN情況。為避免剛性位移導(dǎo)致結(jié)果不收斂的情況,用固定支座約束底面各方向平移和轉(zhuǎn)動;對水平面上的運(yùn)動進(jìn)行約束進(jìn)而約束土體側(cè)面;該約束接近實(shí)際工程情況,因此用該模型計算器承載力結(jié)果較為穩(wěn)定可靠。

        3.3 數(shù)值模擬計算結(jié)果對比分析

        圖5~圖7分別表示灌注樁A,B在各級水平荷載下樁身水平位移、截面彎矩、土體抗力隨深度變化曲線。由圖5~圖7可知,隨深度的增加,樁身水平變形逐漸減小;截面彎矩表現(xiàn)出先增加后減小的趨勢;土體抗力變化規(guī)律與截面彎矩相同。樁身水平變形在14.5 m上部分較為顯著,在7.5 m左右出現(xiàn)反彎點(diǎn);A、B兩柱在水平荷載分別為285、180 kN時樁身水平變形增長明顯。樁身截面彎矩隨深度的增加,有反彎點(diǎn)產(chǎn)生;繼續(xù)增加水平荷載,截面彎矩也繼續(xù)增加,此時最大彎矩點(diǎn)朝土體深度發(fā)展。這就說明了主要在上部土體中發(fā)生樁-土相互作用,只增加樁長度無法提高水平承載力。

        圖5~圖7數(shù)據(jù)模擬計算結(jié)果為樁側(cè)土體抗力隨樁身水平位移變化趨勢;以地下2、3、5和8 m處結(jié)果與基于原位測試p-y曲線法計算結(jié)果對比,對比結(jié)果如圖8所示。

        由圖8可知,兩者具有較高的相似度,且與實(shí)際情況相符;這就說明了本文提出的基于原位測試p-y曲線法能對樁基水平承載力進(jìn)行較為有效的分析。

        4 結(jié)語

        本文采用巖土工程原位測試p-y曲線法從樁身水平位移、截面彎矩、土體抗力方面對樁基水平承載力進(jìn)行分析,通過有限元模擬實(shí)驗(yàn)對該結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證,得到的具體結(jié)論。

        (1)巖土工程原位測試p-y曲線法能有效對樁-土建相互作用進(jìn)行描述。同時,可對樁身水平位移、截面彎矩、土體抗力進(jìn)行有效的計算;

        (2)有限元模擬結(jié)果表明,基于原位測試p-y曲線法計算結(jié)果與有限元數(shù)值模擬結(jié)果存在很高的相似度,兩者計算結(jié)果與實(shí)際工程情況類似,說明本文提出的基于原位測試p-y曲線法能有效分析樁基水平承載力。

        【參考文獻(xiàn)】

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