馬岷成,王躍軍,鄭亞林,鞏立斌

(1.甘肅省建設(shè)設(shè)計咨詢集團(tuán)有限公司,甘肅 蘭州 730050;2.蘭州理工大學(xué)土木工程學(xué)院,甘肅 蘭州 730050)

隨著全國經(jīng)濟(jì)發(fā)展實(shí)力的日益提高,高層建筑以及超高層建筑的技術(shù)建設(shè)與應(yīng)用快速發(fā)展,樁基礎(chǔ)的研究設(shè)計與使用量也在成倍增加,尤其在有效提高樁基承載力,減少地基沉降的新型樁上具有顯著的優(yōu)點(diǎn)[1]。在被廣泛采用的深基礎(chǔ)中,樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)是最常用的形式之一,它不僅能較好滿足各種荷載情況,而且也可以適應(yīng)各種地質(zhì)條件。

國外最早開始研究高頻率振動打樁技術(shù),1930年德國最先進(jìn)行了高頻率振動打樁試驗(yàn)[2],文獻(xiàn)[3]中進(jìn)行了室內(nèi)模型試驗(yàn),研究了模型樁在砂土中的沉樁特性。1980年前后,國內(nèi)沿海發(fā)達(dá)城市在碼頭等地區(qū)開始研制錘擊沉管樁并投入工程實(shí)踐中[4],同期在浙江地區(qū)開始研究振動沉管樁,振動錘的設(shè)置大大提高了施工效率[5]。文獻(xiàn)[6-8]中研究表明,灌注樁可以改善不良地基誘發(fā)的災(zāi)害,樁端后壓漿形成的加固體,其強(qiáng)度隨時間的推移而發(fā)生增長,樁端后壓漿存在時間效應(yīng)。文獻(xiàn)[9-10]中針對灌注樁樁基承載力進(jìn)行了探究,表明海上樁基礎(chǔ)施工,對設(shè)備性能依賴程度較高,選擇合適的設(shè)備可以大大加快施工進(jìn)度并保證工程質(zhì)量。但是在濕陷性黃土等不利地質(zhì)條件下使用振動沉管灌注樁時,由于建筑高度的增長,所需的承載力越來越大,目前市場投入使用的最大樁徑為426 mm,難以滿足工程需要,所以對大直徑振動沉管灌注樁進(jìn)行研究是必要的。

前人研究主要針對現(xiàn)場工程實(shí)例,由于在現(xiàn)場開展科學(xué)試驗(yàn)存在局限性,未能在危險截面布置大量的傳感器,受施工工期、經(jīng)濟(jì)成本等因素影響,對大直徑沉管灌注樁在沉樁過程中的力學(xué)特性研究相對較少。本次研究利用ABAQUS有限元軟件,建立了可以充分考慮土體大變形、地應(yīng)力平衡、樁土界面摩擦和沉樁過程中的應(yīng)力場和位移場等復(fù)雜工況的三維樁土模型,在加載與滲流耦合工況下進(jìn)行濕陷性模擬,預(yù)測濕陷量,以期為大直徑灌注樁在濕陷性黃土地區(qū)的施工提供一定的技術(shù)指導(dǎo)。

1 實(shí)例分析

1.1 工程地質(zhì)條件

建筑場地坐落于甘肅省天水市,土質(zhì)屬于濕陷性黃土,地貌單元屬于天水籍河二級階地[11],基礎(chǔ)采用大直徑振動沉管灌注樁,最大樁徑為850 mm,樁長為15 m,樁端嵌入圓礫層,土層參數(shù)如表1所列。

表1 試驗(yàn)場地各土層參數(shù)Table 1 Parameters of each soil layer on test site

1.2 大直徑振動沉管灌注樁施工

濕陷性黃土是一種特殊土,濕陷的發(fā)生是由于自身結(jié)構(gòu)的外在因素誘發(fā)引起的狀態(tài)變化,內(nèi)因和外因缺一不可[12]。在動荷載的作用下,呈現(xiàn)的效果更明顯。綜上所述,大直徑振動沉管灌注樁的施工過程尤為重要,根據(jù)前人經(jīng)驗(yàn)及現(xiàn)場工程實(shí)踐得出的施工流程[13]如下:

(1) 按施工圖在現(xiàn)場標(biāo)記樁孔位置,將鋼樁尖放置于樁孔位置;

(2) 打樁機(jī)移動到樁孔位置,將套管安裝在鋼樁尖上;

(3) 錘擊沉管,沉管收錘后,專業(yè)技術(shù)人員按照要求,用電感探燈觀察沉管內(nèi)是否存在積泥或者污垢等現(xiàn)象。若發(fā)現(xiàn)有,則使用泵進(jìn)行清理;若在施工過程中發(fā)現(xiàn)鋼樁尖已經(jīng)變形或破壞,則應(yīng)在施工時先向樁內(nèi)澆入0.2～0.3 m3的混凝土,立即停止振動,拔出樁管,重新安裝鋼樁尖,進(jìn)行第二次沉管,樁管前后兩次的入土量不宜超過600 mm;

(4) 沉管工序完成后,移走沖擊錘,在樁頂位置設(shè)置振動錘;

(5) 放入預(yù)制的鋼筋籠,開始灌注混凝土;

(6) 啟動振動錘,拔管的同時灌注混凝土。設(shè)置振動錘的目的在于可以在拔管時產(chǎn)生強(qiáng)烈的振動,以增加混凝土的密實(shí)度,提高了成樁后的強(qiáng)度。

(7) 當(dāng)拔管至地表6～8 m時,可向樁管內(nèi)部直接灌入強(qiáng)度等級為C15的混凝土,厚度約1 m,這種施工方法增大了樁管的內(nèi)壓,使得內(nèi)部混凝土能夠在壓力作用下順利澆筑,從而使樁的完整性得到保障。

1.3 施工優(yōu)點(diǎn)

大直徑振動沉管灌注樁有以下施工優(yōu)點(diǎn):

(1) 配置了大功率的柴油錘,增加了樁體的貫入能力,圓錐形鋼樁尖的設(shè)置使貫入力得到進(jìn)一步加強(qiáng),能把樁管打入持力層,樁端阻力得到了加強(qiáng),樁基承載力得到了提高[6];

(2) 配置了振動錘,可以在拔管時產(chǎn)生劇烈振動,使混凝土澆筑更順暢,密實(shí)度得到了提高;

(3) 配置了測樁徑儀,可及時了解拔管過程中樁身混凝土成形情況,便于及時采取措施。

1.4 經(jīng)濟(jì)效果分析

在濕陷性黃土施工場地,該項(xiàng)技術(shù)首次成功投入工程實(shí)踐,其樁身直徑可達(dá)850 mm,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了目前市場上普遍應(yīng)用的最大直徑為426 mm 的樁徑,為大直徑灌注樁在復(fù)雜地質(zhì)條件下的使用提供了幫助,與普通灌注樁相比,既安全又工期短、污染小。與相同承載力的預(yù)制樁相比,造價節(jié)約三分之一以上,取得了良好的社會經(jīng)濟(jì)效益,為濕陷性黃土地區(qū)的施工提供了技術(shù)指導(dǎo)。

2 數(shù)值模擬分析

沉樁擠土效應(yīng)的數(shù)值模擬是樁基工程研究的熱點(diǎn)問題之一,前人已經(jīng)提出了多種研究方法,例如小孔擴(kuò)張理論、應(yīng)變路徑法等。從數(shù)值分析的角度來看,沉樁擠土效應(yīng)模擬的難點(diǎn)在于貫入過程中復(fù)雜的接觸問題(樁體位置不斷改變,土體擠出空腔)和大變形引起的網(wǎng)格畸變。研究通過ABAQUS的standard模塊分析三維沉樁擠土效應(yīng),并通過滲流邊界條件,對沉樁后土體濕陷性的發(fā)生程度進(jìn)行分析。

2.1 沉樁擠土效應(yīng)的模擬

(1) 三維有限元模型的建立 采用ABAQUS有限元軟件。計算時土體采用M-C塑性屈服準(zhǔn)則來模擬,樁采用彈性模型[14],樁的直徑為850 mm,樁的長度為15 m,由于連續(xù)有限元在模擬貫入方面存在天然缺陷,因此在地基土中先預(yù)設(shè)置小孔,相應(yīng)地,樁尖以下設(shè)置光滑的細(xì)柱體,如圖1所示。

圖1 樁管模型Fig.1 Pile pipe model

地基土體設(shè)置半徑為5 m,高為30 m的圓柱體,為了便于收斂,初始狀態(tài)樁尖已經(jīng)入土。網(wǎng)格單元采用C3D8單元,樁體附近區(qū)域通過設(shè)置種子數(shù)來進(jìn)行局部加密。有限元網(wǎng)格劃分如圖2所示。

圖2 三維有限元模型Fig.2 Three-dimensional finite element model

(2) 模型邊界條件及荷載的施加 實(shí)際工程中假設(shè)樁端阻力影響范圍外的土體不發(fā)生變形,故土體的底面及四周需要三向約束。為了確保樁沿豎直方向壓入土體中,限制樁體在x、y方向的位移以及x、y、z方向的轉(zhuǎn)角。由于樁的貫入需要考慮樁的自重影響,分析步中首先應(yīng)進(jìn)行地應(yīng)力平衡。沉樁模擬通過樁頂設(shè)置位移值來實(shí)現(xiàn)(需要在分析步中打開大位移選項(xiàng)),位移加載的優(yōu)點(diǎn)為可與現(xiàn)場實(shí)際工程相對應(yīng)。

(3) 樁土接觸面設(shè)定 在樁基模擬中,通過摩擦系數(shù)來描述樁土相互作用力。樁-土的接觸面設(shè)置為硬接觸[14-15],摩擦特性設(shè)置為罰函數(shù)。樁-土接觸面采用 General contact 接觸方式,軟件可以根據(jù)樁的貫入自動搜索接觸對象,為摩擦系數(shù)0.3和局部的接觸性質(zhì),即樁管-土接觸為摩擦系數(shù)0。根據(jù)土體和樁的彈性模量大小關(guān)系,將樁管設(shè)為主面,土體設(shè)為從面。

2.2 沉樁擠土效果分析

(1) 土體應(yīng)力場分析 總體來說,在沉樁過程中,由于擠土效應(yīng)的存在,樁端周圍接觸的土體會發(fā)生明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象[15-16]。沉樁不同深度時水平應(yīng)力云圖、豎向應(yīng)力云圖以及土體剪切應(yīng)力云圖分別如圖3～圖5所示。

從圖3～圖5可以看出,當(dāng)振動沉管灌注樁沉至4 m時,土體的水平應(yīng)力最大值為76 kPa,豎向應(yīng)力最大值為24 kPa,剪切應(yīng)力最大值為2.6 kPa;沉至10 m時,土體的水平應(yīng)力的最大值為380 kPa,豎向應(yīng)力最大值為300 kPa,剪切應(yīng)力的最大值為10 kPa;沉至15 m時,土體的水平應(yīng)力最大值為620 kPa,豎向應(yīng)力最大值為592 kPa,剪切應(yīng)力最大值為19 kPa。通過對比發(fā)現(xiàn),剪切應(yīng)力的峰值均小于其余方向的峰值,這表明在沉樁過程中,因?yàn)橥馏w發(fā)生了剪切破壞,使得樁體下沉。各應(yīng)力分量的最大值集中區(qū)隨著樁體的下沉而下移,同時各應(yīng)力峰值也不斷增加。此外,由圖 3、圖4還可以看出,樁端周圍土體的應(yīng)力值遠(yuǎn)大于其他位置處的應(yīng)力值。

圖3 沉樁不同深度時水平應(yīng)力云圖Fig.3 Horizontal stress nephograms of the soil at different depths for the pipe pile sinking

圖4 沉樁不同深度時豎向應(yīng)力云圖Fig.4 Vertical stress nephograms of the soil at different depths for the pipe pile sinking

圖5 沉樁不同深度時土體剪切應(yīng)力云圖Fig.5 Shear stress nephograms of the soil at different depths for the pipe pile sinking

(2) 土體位移場分析 數(shù)值分析中通過在荷載模塊的分析步中設(shè)置位移值加載來實(shí)現(xiàn)沉樁,在樁頂按照設(shè)定的位移量進(jìn)行分級加載,使樁基礎(chǔ)完全貫入土體。樁完全貫入土體后位移云圖如圖6所示。

圖6 土體位移云圖 Fig.6 Displacement nephograms of soil

由圖6(a)可以看出,樁尖附近的土體受到樁的沖擊,產(chǎn)生向下的位移,這與工程實(shí)際相一致。由圖6(b)可以看出,土體的變形沿著土體的中性軸逐漸發(fā)展,土體在沉樁過程中,徑向位移逐漸沿中性軸向兩邊延伸;大概距離中性軸約5 m處,土體的徑向位移基本趨于零。

(3) 沉樁阻力 灌注樁在土中的沉樁阻力曲線如圖7所示,曲線可以看成雙折線分布,即沉樁初期(①段)和沉樁中后期(②段)。由圖7可以看出,在沉樁初期,曲線有輕微的波動,這主要是因土體表面在樁尖刺入的過程中,土體發(fā)生了剪切破壞,使得土層表面土體松動。隨著沉樁深度的增加阻力不變,樁體與土體之間的接觸面積增大,進(jìn)而使得總沉樁阻力也增大,這與文獻(xiàn)[17]中沿樁深度方向沉樁阻力逐步增大的結(jié)論相一致。

圖7 沉樁阻力曲線Fig.7 Sinking resistance curve of the pipe pile

2.3 黃土濕陷性模擬

有限元計算模型采用二維軸對稱模型,土性參數(shù)、本構(gòu)模型和邊界條件與第一個模型相同,不同點(diǎn)為裝配時樁體已入土,網(wǎng)格單元采用CAX4R單元。根據(jù)現(xiàn)場地勘報告,7.2 m以下為細(xì)砂層,通過設(shè)置水頭高度為0.45 m,底部孔壓為0,在土體表面施加荷載來模擬上部結(jié)構(gòu)的自重,通過邊界條件的施加來還原黃土的濕陷性變形[18]。有限元模型如圖8所示,根據(jù)ABAQUS軟件的優(yōu)越性,軸對稱模型可以后處理為三維云圖,后續(xù)云圖采用三維模式。

圖8 樁-土模型Fig.8 Pile-soil model

2.4 濕陷性結(jié)果分析

(1) 土體位移場分析 最終狀態(tài)的位移云圖如圖9所示。從圖9(a)中可以看出,豎向位移的最大值為16.63 cm,與現(xiàn)場實(shí)測值14.32 cm相比,增大了16.13%,產(chǎn)生此差異的主要原因是現(xiàn)場條件的局限性,且監(jiān)測周期短,土體固結(jié)未完全。圖9(b)中水平位移的峰值為0.117 cm,說明水平位移很小,與現(xiàn)場所得結(jié)果一致,黃土濕陷性主要導(dǎo)致豎向位移。從豎向位移云圖還可以看出,離樁近的位置土體沉降較小,說明采用灌注樁對濕陷性黃土的沉降具有抑制作用。

圖9 土體位移云圖 Fig.9 Displacement nephograms of soil

(2) 樁身應(yīng)力分析 最終狀態(tài)的樁體應(yīng)力云圖如圖10所示。由圖10可以看出,濕陷性工況下樁身會存在負(fù)摩阻力,從變化趨勢看出側(cè)摩阻力先增大后減小,峰值為1 088 kPa,出現(xiàn)在距樁頂8.25 m的位置,約為樁長的0.55倍,小于規(guī)范值0.7倍樁長,樁身負(fù)摩阻力會導(dǎo)致承載力下降。根據(jù)文獻(xiàn)[19]中所述,負(fù)摩阻力會隨時間而消散,灌注樁成樁過程中會產(chǎn)生微浸水現(xiàn)象,也會減小負(fù)摩阻力。

圖10 樁體應(yīng)力云圖Fig.10 Pile stress nephogram

綜上所述,土體濕陷量模擬值與現(xiàn)場實(shí)測值相近,所以根據(jù)地勘報告,通過設(shè)置水頭、初始孔隙比和孔壓邊界條件,以數(shù)值模擬來估算濕陷量是合理的,這樣有助于判斷濕陷程度,預(yù)測可能發(fā)生的沉降量,以便選取合理的措施來減小濕陷性帶來的危害。

4 結(jié)論

大直徑振動沉管灌注樁是一種新型的基礎(chǔ)形式,樁的直徑越來越大,樁的長度越來越長是必然趨勢,也為樁基工程的發(fā)展提出了新挑戰(zhàn)和難題,因此需要對理論及施工工藝進(jìn)一步完善,做到更加合理、安全、經(jīng)濟(jì)的施工。

研究采用數(shù)值模擬的方法,通過建立三維有限元模型,模擬振動沉管灌注樁的沉樁過程,得到了以下結(jié)論:

(1) 樁體下沉是因?yàn)樵跇都獯倘胪馏w的過程中,土體發(fā)生了剪切破壞;

(2) 隨著沉降深度的增加,樁側(cè)土體各應(yīng)力峰值不斷增大;

(3) 通過在樁頂設(shè)置位移值可以近似模擬沉樁過程,且容易收斂,結(jié)果與實(shí)際值相吻合;

(4) 隨著灌注樁的逐漸下沉,沉樁阻力逐步增大,整個沉樁阻力曲線可以近似看成雙折線;

(5) 通過ABAQUS在加載與滲流耦合工況下進(jìn)行濕陷性模擬,能更好地得到與實(shí)際情況相近的濕陷沉降量,并且土體沉降會導(dǎo)致樁身出現(xiàn)負(fù)摩阻力,降低樁基承載力。所以通過本研究的方法來模擬濕陷變形以獲取濕陷量,進(jìn)而指導(dǎo)工程實(shí)踐是有意義的。