黃偉斌 清遠(yuǎn)市水利水電勘測設(shè)計院有限公司

樁基礎(chǔ)是一種常用的深基礎(chǔ)形式,由基樁和連接于樁頂?shù)某信_共同組成，用于將結(jié)構(gòu)荷載傳遞到地下一定深度的土壤中[1-3]，此外樁基礎(chǔ)還能提高土壤承載力，避免橫向荷載和防止土體不均勻沉降等作用，因此廣泛應(yīng)用于巖土工程中[4-5]。

本文為研究不同樁截面類型對樁基軸向承載力的影響，以望天獅排澇站為例，使用PLAXIS 3D對傳統(tǒng)圓形、方形和變截面錐形樁段進(jìn)行建模分析，研究了截面幾何形狀對實心樁和空心管樁性能的影響。研究結(jié)果可為相關(guān)工程提供參考。

1.工程概況

清新區(qū)望天獅排澇站地處清遠(yuǎn)市清新區(qū)濱江河飛水大橋西北面，區(qū)域?qū)儆谥槿潜本?，山區(qū)與平原接觸部位。工程區(qū)地形較平坦，高差變化不大，交通方便，自然地面高程10.0～18.0m左右，河床高程約10.00m左右。地層分布主要為堤身填土，第四系沖積層粉質(zhì)粘土、淤泥質(zhì)土、粗砂和卵石等，下伏基巖為泥盆系砂巖。本區(qū)地處嶺南山系南緣，屬亞熱帶氣候，雨量充沛，水系發(fā)育，河流切割密度大，呈樹枝狀分布。因此北江為區(qū)內(nèi)最低排泄基準(zhǔn)面，地表大小溪、溝、湖水均流入北江。望天獅排澇站屬一級沖積階地，地形較平坦，地面高程一般在10～18m，沿河流中間多發(fā)育河漫灘，兩岸多為岸坡。一級階地主要由第四系沖積層粉質(zhì)粘土、淤泥質(zhì)土、中粗砂和卵石等，下伏基巖為泥盆系砂巖。

2.變截面樁尺寸

本文主要研究變截面樁尺寸參數(shù)對地基土中樁的軸向承載力的影響，參數(shù)包括樁的橫截面、截面類型（空心和實心）。分析時選擇典型的圓形截面作為對比截面，同時對正方形和不同（錐形）截面進(jìn)行了研究。圖1中給出了不同截面樁的尺寸，其中D代表圓形截面樁的直徑，B代表樁基上部正方形截面邊長，而b代表樁基下部正方形截面邊長。變截面樁和圓形樁尺寸的選擇取決于前人進(jìn)行的實驗研究。

圖1 不同截面樁的尺寸

3.數(shù)值模型及計算參數(shù)

本研究采用三維有限元程序PLAXIS對樁基進(jìn)行建模，如圖2所示，土的變形采用摩爾庫倫硬化土模型，網(wǎng)格劃分為三角形劃分技術(shù)。地表和地下水位之間的距離為1.5m，模型寬25m，長25m，高22.4m，但為了數(shù)值穩(wěn)定性，建模時尺寸縮小一倍。模型場區(qū)內(nèi)覆蓋層自上而下依次為：（1）人工填土，層厚2.80m，呈土黃色、灰色，土質(zhì)粘性稍好，由粉質(zhì)粘土及砂礫等堆填而成，局部夾石塊和混凝土塊，稍濕，結(jié)構(gòu)松散；（2）粉質(zhì)粘土，層厚5.30m，為灰黃、褐黃、淺紅色等，可塑，呈花斑狀，切面光滑，粘性一般～較好，含少量粉細(xì)砂；（3）淤泥質(zhì)土：層厚8.60m，為深灰、灰黑色，飽和，流塑，含少量有機(jī)質(zhì)及粉細(xì)砂，局部含腐木質(zhì)；（4）粗砂：層厚0.90m，為淺灰色、灰白色，含泥質(zhì)約3%，砂質(zhì)為石英，分選性較好，下段0.2m為含淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土，飽和，呈稍密狀；（5）卵石，4.80m，為雜色，含泥質(zhì)約3%，局部夾粉質(zhì)粘土，含砂礫約20%～30%，碎石質(zhì)以砂巖質(zhì)為主，粒徑一般為2～10cm，飽和，呈中密狀。

圖2 樁基數(shù)值建模

地基土的破壞模型采用硬化土模型，該模型使用塑性而非彈性原理使用土壤剪脹性，并引入屈服極限。樁帽采用板單元建模，由三角形單元組成，每個節(jié)點(diǎn)有6個節(jié)點(diǎn)和3個平移自由度（ux、uy和uz）。邊界條件為地基和左右兩側(cè)水平約束，底部邊界水平和豎向全約束，地基表面為自由面。此外，混凝土樁與地基結(jié)構(gòu)之間采用接觸單元，切向摩擦系數(shù)為0.9，法向采用硬接觸，計算用對稱分析方法。混凝土樁為線彈性樁材料，因此采用線彈性模型。荷載施加為在樁帽中心施加了0.5噸（5kN）的垂直點(diǎn)荷載。荷載值是在反復(fù)試驗的基礎(chǔ)上選擇的，以確保所有樁都能達(dá)到其承載力。表1為本次計算參數(shù)。

表1 數(shù)值計算參數(shù)

4.數(shù)值結(jié)果分析

4.1 非變截面樁荷載位移變化

圖3給出了實心和空心圓形和方形非變截面樁的荷載-位移曲線結(jié)果。由圖可知，對于圓形截面，實心截面的極限軸向承載力為1622N，空心截面的極限軸向承載力為837N，因此實心圓形截面的極限承載力明顯高于空心圓形截面。此外，方形實心截面和空心截面的軸向承載能力分別為2132N和1562N，顯著高于圓形截面。因此與實心圓形和方形截面相比，空心圓形和方形截面的軸向承載力最低，同時方形樁基礎(chǔ)的承載力遠(yuǎn)大于圓形樁承載力。這是由于，方形樁外表面積大且成方型或多邊角型，在土層中樁體與土的休止角比圓型的外表大得多，這就意味著方樁比圓形樁在同等地質(zhì)條件下能獲得更大的承載力。

4.2 不同截面尺寸樁基荷載位移變化

圖4和圖5分別給出了所有實體截面和空心截面樁基荷載-位移曲線。由圖可知，隨著截面尺寸的減小，空心和實心樁基的承載能力的值會減小，其中實心截面和空心截面的錐形樁（3b）的最大軸向承載力分別為2868N和2387N。變截面尺寸為2.5b的樁基承載能力略低，實心截面為2650 N，空心截面為2181N。變截面尺寸為2b的實心截面和空心截面的承載力分別為2473N和1924N，而1.5b變截面樁基的承載力值最低，實心截面為2324N，空心截面為1768 N。因此可以得出，增加變截面樁基的截面面積會增加實心截面和空心截面的軸向承載力。此外，錐形樁的位移值遠(yuǎn)比任何方形樁甚至圓形樁的低。就位移值而言，所有實心錐形樁的位移值都相差不大，從1.5b截面的1.13mm到2.5b截面的130mm。對于開口側(cè)空心截面，位移值也相對接近，范圍從2b截面的102mm到1.5b截面的113mm。應(yīng)注意的是，由于后期隨著加載階段不斷深入，土壤開始發(fā)生破壞，位移隨著軸向樁承載力成比例增加。圖6給出了3b實心和空心變截面樁的位移云圖。

圖4 所有實體截面樁基荷載-位移曲線

圖5 所有空心截面樁基荷載-位移曲線

圖6 3b實心和空心變截面樁的位移云圖

4.3 不同截面尺寸樁基彎矩變化

表2 給出了不同截面類型樁基最大彎矩計算結(jié)果。由圖可知，對于圓形截面樁，實心樁的最大彎矩明顯小于空心界面樁基，分別為108.5 kN·m和123.5 kN·m，這一變化趨勢仍然可以在方形樁和變截面樁中觀察到。其中，對于方形樁基礎(chǔ)，實心和空心最大彎矩分別為98.6kN·m和110kN·m；1.5b變截面實心和空心最大彎矩分別為90.6 kN·m和92.7 kN·m；2b變截面實心和空心最大彎矩分別為85.7 kN·m和80.3 kN·m；2.5b變截面實心和空心最大彎矩分別為76.6 kN·m和72.5 kN·m;3b變截面實心和空心最大彎矩分別為70.7 kN·m和68.5 kN·m。因此還可以得出的是，隨著變截面樁的尺寸增大，樁基所產(chǎn)生的最大樁基彎矩會逐漸減小，因此具有較好的抗彎性能。此外，方形樁基礎(chǔ)的抗彎性能要優(yōu)于圓形樁基礎(chǔ)，因此本文建議在工程預(yù)算經(jīng)濟(jì)的條件下，應(yīng)盡量選擇方形樁和變截面樁進(jìn)行地基加固，來控制建筑物沉降。

表2 不同截面下樁基彎矩計算結(jié)果（kN·m）

5.結(jié)論

本文為研究不同樁截面類型對樁基軸向承載力的影響，以望天獅排澇站為例，使用PLAXIS 3D對傳統(tǒng)圓形、方形和變截面錐形樁段進(jìn)行建模分析，研究了截面幾何形狀對實心樁和空心管樁性能的影響。研究結(jié)果表明：

（1）實心截面的極限軸向承載力為1622N，空心截面的極限軸向承載力為837N。此外，方形實心截面和空心截面的軸向承載能力分別為2132N和1562N，顯著高于圓形截面。因此空心圓形和方形截面的軸向承載力最低，同時方形樁基礎(chǔ)的承載力遠(yuǎn)大于圓形樁承載力。

（2）隨著截面尺寸的減小，空心和實心樁基的承載能力的值會減小，其中實心截面和空心截面的錐形樁（3b）的最大軸向承載力分別為2868N和2387N，而1.5b變截面樁基的承載力值最低，實心截面為2324 N，空心截面為1768N。

對于圓形截面樁，實心樁的最大彎矩明顯小于空心界面樁基，分別為108.5 kN·m和123.5 kN·m，這一變化趨勢仍然可以在方形樁和變截面樁中觀察到。3b變截面實心和空心最大彎矩僅分別為70.7 kN·m和68.5 kN·m。