于 瑩，郝向煒，余 波，李 鵬，侯 濤

(1.東北林業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150006；2.中路高科交通檢測(cè)檢驗(yàn)認(rèn)證公司，北京 100089；3.江蘇方洋物流有限公司，江蘇 連云港 222065；4.中鐵二十局集團(tuán)第六工程有限公司，陜西 西安 710032)

0 引言

橋梁樁基礎(chǔ)是工程建設(shè)過(guò)程中一種常用的地基處理方法，研究樁基礎(chǔ)承載能力特性對(duì)于樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)、布置是十分重要的，由樁基和連接于樁頂?shù)某信_(tái)構(gòu)成[1]。樁基礎(chǔ)通常是處于地下的或水下的，由于地基土性質(zhì)的不確定性、施工過(guò)程的復(fù)雜性、技術(shù)要求的嚴(yán)格性和施工的難度，樁基礎(chǔ)容易出現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題[2]。

河流入海口處淤積土層較深，對(duì)樁基的承載能力存在著一定程度的影響。同時(shí)樁基的尺寸，如樁徑、樁長(zhǎng)等也是影響樁基承載能力的因素。2018年王小衛(wèi)、何玲[3]基于工程實(shí)例進(jìn)行大直徑超長(zhǎng)鉆孔灌注樁承載力足尺試驗(yàn)，分析其豎向極限承載力、樁端及樁身變形特性、樁側(cè)阻力與樁端阻力變化規(guī)律。試驗(yàn)結(jié)果表明：在豎向荷載的作用下，大直徑超長(zhǎng)鉆孔灌注樁屬于摩擦型樁基，承載力主要依靠側(cè)摩阻力承擔(dān)。2019年劉耀東、聶闖、梅靖宇等[4]按照一定相似比進(jìn)行了樁頂豎向荷載條件下的超長(zhǎng)樁室內(nèi)模型試驗(yàn)，并利用有限元軟件分析并討論了超長(zhǎng)樁豎向承載力發(fā)揮的各種因素，結(jié)果表明樁長(zhǎng)和樁徑的增加都可以提高超長(zhǎng)樁的極限承載力，但同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致樁頂沉降量加大，故對(duì)于上部結(jié)構(gòu)沉降量有要求的基礎(chǔ)，樁長(zhǎng)的增加需要經(jīng)過(guò)沉降量驗(yàn)算。2019年劉紅軍、孫鵬鵬、胡瑞庚等[5]研究了在固定環(huán)境荷載的情況下，將土體分層，研究不同土質(zhì)條件下樁基水平承載力的差異，研究表明海床上層土體的強(qiáng)度對(duì)樁基水平承載力起關(guān)鍵性作用，上軟下硬海床與純軟土海床相比水平承載力大約提高25%，而上硬下軟海床與純軟土海床相比水平承載力約提高3倍。但是目前對(duì)于不同環(huán)境荷載組合條件下樁基承載力的分析較少，且對(duì)于分層土體條件下的樁基承載力研究仍不夠充分。2019年郭中華等[6]對(duì)海上淤積區(qū)斜拉橋超長(zhǎng)樁基承載力進(jìn)行了自平衡法試驗(yàn)，成功解決了海上淤積區(qū)斜拉橋超長(zhǎng)樁基極限承載力的研究問(wèn)題。2019年袁榛、梁斌等[7]研究了海上淤積區(qū)斜拉橋超長(zhǎng)樁基礎(chǔ)豎向承載特性，結(jié)果表明樁基礎(chǔ)以側(cè)摩阻力承載為主，但淤積區(qū)樁側(cè)摩阻力幾乎不發(fā)揮承載作用，超長(zhǎng)樁主要依靠較好土層的樁側(cè)摩阻力承載，在相同荷載下，樁徑與樁長(zhǎng)的增大均會(huì)減少樁基的沉降量，但樁徑的改變對(duì)沉降的控制效果更明顯。為了使樁基礎(chǔ)滿足安全、經(jīng)濟(jì)、可靠的原則，做一定數(shù)量的樁基靜載試驗(yàn)來(lái)確定單樁承載力是有必要的[8-11]?？梢?jiàn)關(guān)于不同荷載、樁基形式以及荷載作用等條件，不同類型及尺寸的樁基承載性仍有待進(jìn)一步研究，通過(guò)試驗(yàn)方案比選，最終確定采用自平衡試樁法對(duì)入海口處工程樁進(jìn)行試驗(yàn)獲得數(shù)據(jù)[12]。一方面分析樁基承載能力的主要影響因素，另一方面也驗(yàn)證自平衡試樁法在淤積土地區(qū)的可行性[13]。本研究主要對(duì)淤積土橋梁樁基的承載能力影響參數(shù)進(jìn)行分析，研究不同樁長(zhǎng)、樁徑對(duì)樁基軸向力、側(cè)摩阻力和極限承載力的影響。

1 工程概況

1.1 工程背景

本研究依托海南省東方市南港河大橋進(jìn)行分析，該橋上部結(jié)構(gòu)為(35+40+45+40+35)m預(yù)應(yīng)力混凝土現(xiàn)澆連續(xù)箱梁，下部結(jié)構(gòu)橋墩采用花瓶式橋墩接承臺(tái)樁基礎(chǔ)，橋臺(tái)采用肋板式橋臺(tái)接承臺(tái)樁基礎(chǔ)。其中，橋墩樁基礎(chǔ)樁長(zhǎng)27 m，樁徑1.0 m，橋臺(tái)樁基礎(chǔ)樁長(zhǎng)21 m，樁徑1.2 m，全部采用C35混凝土澆注而成。橋址范圍內(nèi)地質(zhì)情況：上部主要為1.0～3.0 m厚的沖積淤積質(zhì)土，下部主要為10.0～20.0 m厚的粉質(zhì)黏土及2.0～5.0 m厚的粉細(xì)砂。橋梁立面布置圖如圖1(a),(b)所示。

圖1 橋梁立面布置圖(單位：cm)Fig.1 Layout of bridge elevation (unit:cm)

1.2 橋梁樁基地質(zhì)情況分布

南港河大橋位于海南省東方市板橋鎮(zhèn)，地處入海口地區(qū)，地貌特征受海水控制，微地貌發(fā)育，多平原。建筑場(chǎng)地的地貌屬于受海水沖擊的淤積地區(qū)，深層覆蓋著層厚不均勻的淤積土，由于淤積地區(qū)的樁基受力特點(diǎn)不明確，會(huì)影響到工程中樁基的承載能力計(jì)算[14-15]。故所選試樁位于入?？谟俜e區(qū)層，具體土層分布情況見(jiàn)表1。

表1 橋梁樁基的土層情況Tab.1 Soil layer condition of bridge pile foundation

2 淤積土樁基承載能力參數(shù)敏感性分析

使用ABAQUS有限元軟件對(duì)樁-土接觸進(jìn)行模擬分析，對(duì)兩根典型工程樁進(jìn)行模擬分析影響樁基工作性能的重要參數(shù)。根據(jù)《工程地質(zhì)手冊(cè)》查出試樁的基本參數(shù)和現(xiàn)場(chǎng)的工程地質(zhì)情況見(jiàn)表2，3。

表2 試樁參數(shù)Tab.2 Test pile parameters

樁基的承載性能的影響因素包括土體的彈性模量、黏聚力、內(nèi)摩擦角、泊松比等，樁基的彈性模量、樁長(zhǎng)、樁徑等因素也會(huì)對(duì)樁基的承載能力和沉降產(chǎn)生影響[16-17]。使用ABAQUS建立柱-土接觸有限元模型，模擬自平衡試驗(yàn)過(guò)程，通過(guò)特定的方法轉(zhuǎn)化成傳統(tǒng)靜載法的Q-S曲線，獲得樁基的承載能力。樁體和土體均采用CAX4R單元進(jìn)行模擬，使用縮減積分方法，考慮沙漏控制，有限元模型如圖2所示。

表3 土層參數(shù)Tab.3 Soil parameters

圖2 模型單元Fig.2 Model elements

樁體混凝土等級(jí)為C35，土體的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系是土體的本構(gòu)模型中模擬樁-土接觸的最基本參數(shù)。在ABAQUS中分析樁和土的相互接觸問(wèn)題時(shí)，通常會(huì)選用Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則分析樁-土的共同作用。在Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則中規(guī)定，如果作用在土體上某點(diǎn)的剪切應(yīng)力和土體的抗剪強(qiáng)度相等時(shí)，土體就會(huì)立刻發(fā)生破壞[18]。剪切強(qiáng)度和該面上的正應(yīng)力成正相關(guān)關(guān)系，即：

τ=σtanφ+c，

(1)

式中，c為模型中土體給定的黏聚力；σ為模型中土體給定的有效法向應(yīng)力；φ為模型中土體給定的內(nèi)摩擦角。

由上述公式可知，土體滑移面上的黏聚力c和土的摩擦阻力共同組成了土體的剪切強(qiáng)度，土體滑移面上的黏聚力c反映了土體的土顆粒間相互結(jié)合的性質(zhì)，土的摩擦阻力與土體剪切面上的有效法向應(yīng)力成正比，二者的比例系數(shù)為tanφ，tanφ可以有效地反映土體的摩阻力。使用Mohr-Coulomb本構(gòu)模型時(shí)，需要輸入正確的模型參數(shù)，包括土體的彈性參數(shù)和土體的塑性參數(shù)。

在樁-土的接觸面上需要建立接觸行為，樁-土之間的接觸面的相互作用通常包括兩方面：一方面是法向行為，一方面是切向行為。切向行為一般包括接觸面之間的相對(duì)滑移和有可能存在的摩擦剪應(yīng)力[19-20]。當(dāng)模型中的兩個(gè)面相互接觸時(shí)，ABAQUS會(huì)自動(dòng)生成接觸約束，這種接觸被稱為硬接觸。

法向力和切向力會(huì)同時(shí)存在于接觸面之間。當(dāng)兩個(gè)接觸面接觸時(shí)，應(yīng)該同時(shí)考慮相對(duì)滑移所產(chǎn)生的摩擦力，在模型接觸分析過(guò)程中一般采用摩爾庫(kù)倫模型來(lái)定義摩擦系數(shù)，摩擦系數(shù)可以反映兩個(gè)平面接觸產(chǎn)生的摩擦力大小[21]。其計(jì)算公式如下：

τcrit=min(μp,τmax),

(2)

式中，τcrit為臨界的剪切應(yīng)力；μ為摩擦系數(shù)；p為接觸面之間的壓力；τmax為用戶限制的摩擦力最大值。

事實(shí)上在ABAQUS中，完全模擬接觸面之間的摩擦行為是不現(xiàn)實(shí)的，只能用罰來(lái)表示，罰是指允許滑移，如圖3虛線所示。接觸面之間存在兩種狀態(tài)，一種是黏結(jié)，一種是滑移，兩種狀態(tài)的連續(xù)性直接影響模型是否收斂。

圖3 接觸面間的行為Fig.3 Behavior between contact surfaces

在樁基自平衡試驗(yàn)過(guò)程中，上段樁主要承受力來(lái)自于自重、樁側(cè)土體的側(cè)摩阻力以及荷載箱所提供的豎直向上的荷載。下段樁主要承受樁端的阻力、樁側(cè)的摩阻力和荷載箱所提供的豎直向下的荷載。在ABAQUS中通過(guò)對(duì)上段樁體施加重力及速度來(lái)模擬自重，荷載箱加載力會(huì)使用均布?jí)簭?qiáng)來(lái)添加，這樣更有利于模型收斂[22]。設(shè)置樁-土之間的摩擦系數(shù)，模擬樁-土接觸過(guò)程中的摩阻力。

在邊界條件上，應(yīng)對(duì)樁側(cè)進(jìn)行對(duì)稱約束，對(duì)樁底進(jìn)行固結(jié)約束。樁與土接觸的有限元模型呈對(duì)稱結(jié)構(gòu)，為簡(jiǎn)化計(jì)算工作量，建立1/4模型進(jìn)行模擬計(jì)算[23-24]。

2.1 樁長(zhǎng)的變化

為研究樁長(zhǎng)變化對(duì)淤積土區(qū)鉆孔灌注樁承載力的影響，假定樁基的地質(zhì)條件相同，分別建立樁長(zhǎng)為30，40，50，60，70和80 m，樁徑均為1 m的ABAQUS有限元分析模型，分析樁長(zhǎng)對(duì)樁基承載力的影響。計(jì)算得到不同樁長(zhǎng)情況下的荷載-沉降曲線、樁軸力變化和樁側(cè)摩阻力的變化曲線分別如圖4～圖6所示。

圖4 不同樁長(zhǎng)情況下荷載-沉降值曲線Fig.4 Load-settlement curves with different pile lengths

圖5 不同樁長(zhǎng)情況下樁軸力變化曲線Fig.5 Curves of pile axial force with different pile lengths

圖6 不同樁長(zhǎng)情況下樁摩阻力變化曲線Fig.6 Curves of pile friction resistance with different pile length

由圖4可知：在同一荷載作用下沉降量隨樁長(zhǎng)的增加而減小，并且隨著荷載的增加，不同樁長(zhǎng)的沉降量差值越來(lái)越大。當(dāng)樁徑一定時(shí)，樁長(zhǎng)的增加能夠起到增加樁基承載能力的作用，荷載沉降值曲線也由陡變型變?yōu)榫徸冃汀Ｔ跇堕L(zhǎng)由30 m增加到60 m 時(shí)，樁基的承載能力提高很大，由3 400 kN增加到13 600 kN，此時(shí)樁基承載力提高了25%。但樁長(zhǎng)達(dá)到60 m后，樁長(zhǎng)的增加對(duì)樁基承載力的提高已不明顯。當(dāng)樁長(zhǎng)由70 m增加到80 m時(shí)，此時(shí)樁基的承載力幾乎沒(méi)有提高。

由圖5可知：樁長(zhǎng)的改變不影響樁頂?shù)妮S力，樁頂?shù)妮S力隨著荷載的增加呈線性增長(zhǎng)趨勢(shì)。樁長(zhǎng)30，40，50，60，70和80 m的樁基在極限荷載的作用下，樁端的軸力分別為224.47，318.23，430.98，402.73，365.44和333.54 kN，端阻比分別為6.18%，5.87%，4.85%，3.26%，2.98%和2.72%。隨著樁長(zhǎng)增加，樁端阻力所能發(fā)揮的承載作用百分比越來(lái)越小，相比整體的樁基承載力，樁端阻力所發(fā)揮的承載能力非常小。

由圖6(a),(b)可以看出：樁長(zhǎng)的改變并不影響各土層發(fā)揮其摩阻力的最終值，但是隨著樁長(zhǎng)的增加，樁端的摩阻力減小，樁端的摩阻力和樁長(zhǎng)呈反比關(guān)系，樁長(zhǎng)越長(zhǎng)，樁基的承載特性越好。樁基處于淤積土部分的摩阻力變化趨勢(shì)在樁長(zhǎng)改變時(shí)也基本相同，在達(dá)到極限荷載時(shí)，樁長(zhǎng)為30，40，50，60，70和80 m的樁基處于淤積土區(qū)的樁側(cè)摩阻力分別占總摩阻力的4.86%，4.77%，4.52%，4.24%，4.32%和4.16%，以上分析結(jié)果表明樁長(zhǎng)的改變對(duì)處于淤積土區(qū)的側(cè)摩阻力影響不明顯。

2.2 樁徑的變化

為了模擬樁徑的變化對(duì)樁基承載能力的影響，樁徑分別選取0.6，0.8，1.0，1.25，1.5，2.0，2.5和3.0 m，在其他條件均相同的情況下，建立ABAQUS樁-土有限元模型，模型中加載情況按照實(shí)際的荷載試驗(yàn)進(jìn)行分級(jí)加載，計(jì)算得到不同樁徑情況下荷載沉降曲線、樁軸力的變化曲線和側(cè)摩阻力的變化曲線分別如圖7～圖9所示。

圖7 不同樁徑下荷載-沉降值變化曲線Fig.7 Load-settlement curves with different pile diameters

圖8 不同樁徑下樁軸力變化曲線Fig.8 Curves of pile axial force with different pile diameters

圖9 不同樁徑樁基摩阻力變化曲線Fig.9 Curves of friction resistance of pile foundation with different pile diameters

由圖7可知：相同荷載作用下，樁的沉降量隨樁徑的增大而減小，增加樁徑能有效控制樁基的沉降值。樁長(zhǎng)一定時(shí)，增加樁徑能夠有效的提高樁基的承載能力。當(dāng)樁徑由0.6 m增加到1.5 m時(shí)，樁基的極限承載力從3 400 kN提高到13 600 kN，樁基的承載力提升幅度非常明顯，主要是由于樁徑增加了也就增加了樁-土之間的接觸面積，使樁周的側(cè)摩阻力的合力增大，提高了樁基的承載能力。但是當(dāng)樁徑超過(guò)1.5 m后，隨著樁徑的增加，樁基承載力提高不明顯。當(dāng)樁徑由2 m增加到3 m時(shí)，承載能力幾乎沒(méi)有增加，故增加樁徑已不能繼續(xù)提高承載能力。

由圖8可知：當(dāng)荷載不超過(guò)極限荷載時(shí)，隨著樁徑的增大，樁端的軸力幾乎不受影響。當(dāng)達(dá)到極限荷載時(shí)，樁徑為0.6，0.8，1.0，1.25，1.5，2.0，2.5和3.0 m的端阻比分別為4.41%，3.92%，3.53%，3.43%，2.94%，2.65%，2.47%和2.35%，這表明樁徑增加并不影響樁基主要依靠摩阻力來(lái)起到承載作用。

由圖9(a),(b)可知：樁徑的改變直接影響非淤積土區(qū)各土層樁基的側(cè)摩阻力，由于樁-土的接觸面積隨著樁徑的增大而增大，故樁徑越大，各土層所能發(fā)揮的摩阻力的最終值也越大。但樁徑的改變基本不影響淤積土區(qū)樁基的承載力，淤積區(qū)樁側(cè)的摩阻力僅為非淤積土區(qū)樁側(cè)的摩阻力的4.46%，4.32%，4.56%，4.71%，4.49%，4.38%，4.42%和4.31%。并且隨著荷載繼續(xù)增大到極限荷載，不同樁徑下淤積土區(qū)樁基的側(cè)摩阻力均沒(méi)有達(dá)到最終值。

2.3 荷載箱位置的變化

自平衡就是利用在試樁過(guò)程中自身反力平衡的特點(diǎn)，計(jì)算樁基的承載能力。如果需要試樁自身的反力相同，就必須找到使上段樁和下段樁自身的摩阻力和樁端的阻力相互平衡的位置，這個(gè)位置就是自平衡點(diǎn)。荷載箱如果不是放在自平衡點(diǎn)上，就會(huì)使試驗(yàn)結(jié)果有偏差，對(duì)測(cè)試精度的影響非常大。但是這種影響也不能被過(guò)分夸大，經(jīng)過(guò)正常的勘測(cè)和合理的計(jì)算，這種影響是在可控的范圍內(nèi)的。

利用ABAQUS有限元軟件分別建立荷載箱處于平衡點(diǎn)以及平衡點(diǎn)以上和平衡點(diǎn)以下的有限元模型，并保持其他條件不變，分析荷載箱位置位于在平衡點(diǎn)以上或者以下時(shí)，對(duì)整個(gè)樁基承載力的影響關(guān)系。

由圖10可知：當(dāng)荷載箱剛好放置在平衡點(diǎn)上時(shí)，得到的承載力是樁基礎(chǔ)的極限承載力，那么放置在平衡點(diǎn)以上或以下得到的承載力均小于極限承載力。從圖10中可以看出放置在平衡點(diǎn)上時(shí)得到的承載力最大，放置在平衡點(diǎn)上部的次之，放置在平衡點(diǎn)下部的承載力最小。造成這種現(xiàn)象的原因是下段樁需要考慮樁端阻力的影響，這就使得下段樁測(cè)出的極限承載力偏小一些，所以說(shuō)曲線從上至下依次為：(1)平衡點(diǎn)以下；(2)平衡點(diǎn)以上；(3)平衡點(diǎn)。

圖10 荷載箱位置不同樁頂?shù)暮奢d-位移曲線Fig.10 Load-displacement curves of pile top at different load cell positions

2.4 樁周土體黏聚力的變化

為了研究樁周土體的黏聚力對(duì)單樁豎向承載力的影響，利用ABAQUS建立不同樁周土體黏聚力的對(duì)比模型進(jìn)行比較得出樁周土體黏聚力對(duì)承載力的影響。

由圖11可知：樁頂?shù)奈灰齐S著樁頂荷載的增大而增大。當(dāng)樁周土體黏聚力增大時(shí)，樁頂?shù)奈灰谱冃?，樁的極限承載力增大。當(dāng)樁周土體黏聚力從0增加到1 kPa時(shí)，樁基的承載能力提升巨大。當(dāng)樁周土體的黏聚力從1 kPa增加到3 kPa時(shí)，承載力的增大幅度變小。當(dāng)黏聚力從3 kPa增長(zhǎng)到60 kPa時(shí)，樁基的承載能力增加幅度更小了。這說(shuō)明當(dāng)樁周土體的黏聚力持續(xù)增大到一定數(shù)值時(shí)，樁側(cè)土體的黏聚力就無(wú)法起到提高承載力的作用了。

圖11 樁周土體黏聚力不同時(shí)樁頂?shù)暮奢d-位移曲線圖Fig.11 Load-displacement curves of pile top with different cohesive forces of soil around pile

2.5 樁基承載力影響因素對(duì)比分析

由圖12可知：荷載箱位置的變化、樁周土體黏聚力的變化、樁長(zhǎng)的變化這3條曲線比較接近，在初始加載時(shí)承載能力的提高相似，但是繼續(xù)加載時(shí)樁長(zhǎng)的變化對(duì)于承載力的提高顯著高于黏聚力變化對(duì)承載力的影響，更高于荷載箱位置變化對(duì)承載力的影響。樁徑的變化對(duì)極限承載力的影響最大。由以上曲線可以看出增大樁徑是提升承載力最有效的手段。因?yàn)闃稄降母淖儠?huì)直接導(dǎo)致加載噸位的改變，轉(zhuǎn)換為承載力也更加直接。綜合對(duì)比分析上述影響參數(shù)，提高樁基礎(chǔ)承載能力有效的方法是擴(kuò)大樁徑、增大樁長(zhǎng)、提高樁周土體黏聚力、改變荷載箱的位置。

圖12 不同工況下樁頂?shù)暮奢d-位移曲線Fig.12 Load-displacement curves of pile top under different working conditions

3 結(jié)論

(1)地質(zhì)條件相同的情況下，樁徑一定時(shí)，通過(guò)增加樁長(zhǎng)可以顯著提高樁基的承載能力；但當(dāng)樁基增加到一定長(zhǎng)度時(shí)，樁基承載力的提高不再明顯。因此在進(jìn)行樁基設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該充分考慮有效樁長(zhǎng)的影響，不能一味增加樁長(zhǎng)去提高樁基承載力。

(2)地質(zhì)條件相同的情況下，樁長(zhǎng)一定時(shí)，增加樁徑能有效控制樁基的沉降量，顯著提高樁基的承載能力；但當(dāng)樁徑超過(guò)1.5 m時(shí)，樁基承載能力的提高不再顯著。因此，在樁基的設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)充分考慮樁徑，采用合理的樁徑，不能盲目地提高樁徑去提高承載能力，這樣既不經(jīng)濟(jì)也不合理。

(3)其他條件一定時(shí)，荷載箱的位置在平衡點(diǎn)上時(shí)樁基的承載力最大；在平衡點(diǎn)上部樁基的承載力次之；放置在平衡點(diǎn)下部樁基的承載力最小。這是因?yàn)橄露螛缎枰紤]樁端阻力的影響，使得下段樁測(cè)出的極限承載力偏小。

(4)隨著樁周土體黏聚力的增大樁頂位移減小，樁基的極限承載力變大；當(dāng)樁周土體黏聚力繼續(xù)增大到一定數(shù)值時(shí)，樁基承載能力增加不再明顯。由此可知，當(dāng)樁周土體黏聚力的增大超過(guò)有效黏聚力后可能無(wú)法再起到提高承載力的作用。

(5)通過(guò)以上研究，本研究得出提高淤積土區(qū)樁基承載能力5種行之有效的方法，擴(kuò)大樁徑、增加樁長(zhǎng)、提升樁周土體黏聚力、改變荷載箱的位置。