曾繁斌

(廣東省路橋建設(shè)發(fā)展有限公司,廣州 510623)

0 引言

多節(jié)擴孔樁是上世紀(jì)五十年代印度學(xué)者提出的一類樁型(命名為Multi under reamed pile)，并在上世紀(jì)九十年代引入我國并得到進一步發(fā)展[1-6]。該類樁型是在等直徑鉆孔的基礎(chǔ)上、在不同深度土層中通過旋轉(zhuǎn)切削或擠擴方法形成擴大盤后澆筑混凝土而成的變截面異型樁，此類樁型的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 擴孔樁

相關(guān)研究表明，得益于盤體和承力岔承載力的發(fā)揮，相較于直桿樁，多節(jié)擴孔樁的樁土荷載傳遞特性發(fā)生明顯變化。支盤在不同深度的地層中提供了端阻力并增加了樁土接觸面積，更加充分地調(diào)用了不同深度地層的承載性能。支、盤作為多節(jié)擴孔樁的主要承載構(gòu)件，其承擔(dān)荷載占總荷載的比例有時能達到65%以上[7-14]。在等樁徑、等樁長的條件下，多節(jié)擴孔樁的承載力有明顯提高[14-21]。多節(jié)擴孔樁早期多用于橋梁樁基或建筑物樁基中，由于其較高的承載力和沉降控制效果，開始逐漸應(yīng)用于我國軟土分布地區(qū)的公路工程中[10-11]。

盤間距是擴孔樁承載性能的主要影響因素之一。盧成原[22]等通過室內(nèi)模型試驗，分析了不同土質(zhì)中擴孔樁的合理盤距，認為當(dāng)盤間距較小時上盤的承載力不能充分發(fā)揮，而在盤間距太大時上下盤的承載力發(fā)揮的“時間效應(yīng)”明顯，導(dǎo)致其承載力不同步發(fā)揮，這兩種情況都會降低多盤樁的承載力，因此多盤樁存在一個合理的盤間距，可以使其承載力達到最大，充分發(fā)揮多擴孔樁的承載效率。Zhang[23]等通過有限元模型對擴孔樁的破壞機理進行了研究，模型數(shù)據(jù)顯示盤端土體在荷載作用下會形成一個塑性區(qū)，當(dāng)盤間距較近時兩盤的塑性區(qū)域會貫通連成一個整體，影響上盤承載力的發(fā)揮。Zhang[23]等提出雙盤擴孔樁有兩類破壞模式，即臨界盤間距內(nèi)圓筒剪切破壞和臨界盤間距外樁土界面破壞，且臨界盤間距與土的類型以及盤徑與樁徑的比值(D/d)相關(guān)。范孟華[24]等認為在臨界盤間距時通過大圓柱面剪切破壞模型和小圓柱面剪切破壞模型計算得到的樁頂極限承載力相等，基于此推導(dǎo)出臨界盤間距的理論計算公式，并提出小于臨界盤間距時兩盤間的承載力可以假定為樁徑等于盤徑的摩擦樁來計算。然而，以上計算公式較為復(fù)雜，應(yīng)用不便，而且均沒有針對廣東深厚軟土地質(zhì)條件給出擴孔樁的臨界盤間距。因此，考慮廣東深厚軟土的地質(zhì)條件，通過科學(xué)研究給出可用于擴孔樁設(shè)計的經(jīng)驗臨界盤間距，具有重要的意義。

本文進行了雙盤擴孔樁的單樁承載力現(xiàn)場試驗分析，通過驗證后的模型進行不同盤間距下的承載力數(shù)值模擬，通過樁體位移和土體變形分析盤間距對極限承載力的影響，給出了可以用于深厚軟基處理的擴孔樁經(jīng)驗盤間距，相關(guān)成果可為后續(xù)研究和工程應(yīng)用提供參考。

1 現(xiàn)場試驗與數(shù)值建模

1.1 地質(zhì)條件與擴孔樁

本文選取某一具有典型東南沿海深厚軟土地質(zhì)條件的場地進行單樁承載力試驗，并以此為基礎(chǔ)進行數(shù)值模擬，分析該地質(zhì)條件下雙盤擴孔樁的盤間距對承載力的影響。試驗場地的地基主要由四層土體構(gòu)成：首先是3.7m厚的素填土;其下面是兩層含水率略有差異的淤泥質(zhì)軟土，厚度分別為4.3m和8.3m;最后一層是厚度為12m的粉質(zhì)黏土(圖2)。下部為強度較高的強風(fēng)化花崗巖地層。總體上看，除了首層素填土外，其余均為軟黏土，海相沉積地質(zhì)特征明顯。

圖2 地質(zhì)條件與擴孔樁

采用的擴孔樁樁長24m，其中底盤中心高度位置為深度21m，上盤中心高度分別距離下盤中心高度為4.5m。土體參數(shù)和樁體如圖2所示。擴孔樁單樁承載力試驗參照直桿樁的靜載試驗規(guī)程，試驗中樁頂部設(shè)置軸力計測量樁頂軸力。

1.2 數(shù)值模型的建立

本文數(shù)值模擬分析采用通用計算軟件ABAQUS，在材料模型、單元模式、荷載及邊界條件，能夠求解靜力、動力等多種問題，尤其是在求解非線性問題方面的能力優(yōu)異。本文利用問題的對稱性，采用軸對稱模型建立二維有限元模型，模型樁與地基分開建模。為了減小土體尺寸效應(yīng)，模型半徑為35m，樁體半徑為0.3m，盤體半徑為0.8m。采用的幾何模型和網(wǎng)格如圖3所示。土層參數(shù)設(shè)定與圖2一致，素填土采用M-C模型，軟黏土采用劍橋模型，擴孔樁采用線彈性模型，工況設(shè)定為單樁承載力試驗?？紤]擴孔樁使用C30混凝土灌注，其模量定為30GPa。樁土界面的法向接觸面模型為“硬接觸”，允許接觸面脫開；切向接觸面模型為“罰摩擦”。

圖3 幾何模型和網(wǎng)格

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 試驗結(jié)果

單樁承載力現(xiàn)場試驗和數(shù)值模擬的Q-S曲線如圖4所示。由圖4可知，曲線經(jīng)歷了線性發(fā)展、沉降加速和急速刺入等三個階段，符合典型單樁承載力試驗荷載-位移曲線的特征。根據(jù)試驗結(jié)果可知，上部荷載9 000kN之前，樁體沉降呈線性發(fā)展；之后沉降加速并最終發(fā)生刺入破壞。取線性增長段尾端的荷載值為極限承載力，單樁極限承載力約為10 300kN。比較試驗的實測值和模擬值可以看出，試驗曲線和模擬曲線的趨勢和數(shù)值均有很好的吻合度，兩條曲線得出的極限承載力相差3%，試驗曲線和模擬曲線的小差異可能來源于地勘參數(shù)的不確定性。綜合比較兩條曲線可知，本文的數(shù)值模擬方法可以較好地模擬單樁靜載試驗。

圖4 數(shù)值模擬與實測曲線對比

2.2 盤間距對承載力的影響

模型驗證后，利用此模型進行不同樁間距單樁承載力的數(shù)值模擬。模擬中保持下盤位置不變，變化上盤位置，即分別將樁間距調(diào)小至3.0m和調(diào)大至5.5m進行數(shù)值模擬。圖5是不同盤間距的靜載試驗Q-S曲線。首先，三根擴孔樁的模擬曲線均符合典型現(xiàn)場靜載試驗曲線的特征，間接說明模擬結(jié)果的可靠性。其次如表1所示，分析不同盤間距下的極限承載力發(fā)現(xiàn)，3m盤間距下樁承載力最小為9 218kN，4.5m與5.5m盤間距下樁承載力略有差異，但兩者基本一致。

圖5 不同盤間距下樁體Q-S曲線

表1 不同盤間距下多盤樁極限承載力

2.3 盤間距對盤間土變形的影響

由圖6可知，盤間距為2.5m和4.5m的算例中，樁體和盤間土的向下位移一致或者接近，表明樁和盤間土同步位移；而盤間距為5.5m時，樁和周圍土體的變形量不同，樁和周圍土體發(fā)生異步位移。Zhang[5]等對擴孔樁的破壞機理進行了研究，結(jié)果顯示盤端土體在荷載作用下形成一個塑性區(qū)，當(dāng)盤間距較近時兩盤的塑性區(qū)域會貫通并連成一個整體，影響上盤承載力的發(fā)揮。以往研究成果表明，擴孔樁的樁間距存在一個臨界盤間距，實際盤間距小于臨界盤間距時樁體在極限承載力下發(fā)生筒體剪切破壞，而盤間距大于臨界盤間距時樁體在極限承載力下發(fā)生樁土界面破壞。根據(jù)模擬結(jié)果和以往研究成果，可知盤間距為4.5m以下，樁體發(fā)生筒體剪切破壞；盤間距為5.5m時，樁體發(fā)生樁土界面破壞。

本文提出了擴孔樁的兩種破壞機制，即樁土界面破壞和筒體剪切破壞。數(shù)值分析結(jié)果表明，對于分支間距大于4.5m的擴孔樁，在受壓過程中，支盤下方形成了單個土壤破壞面。如圖6所示，在荷載作用下，每個支盤具有獨立的位移和塑性變形輪廓，即擴盤樁發(fā)生樁土界面破壞。圖4和圖5表明支盤間距不超過4.5m時，擴盤樁盤間土體在極限荷載下產(chǎn)生圓柱形塑性位移輪廓，即當(dāng)受到極限壓縮荷載時，擴盤樁發(fā)生筒體剪切破壞。樁土界面破壞或筒體剪切破壞的發(fā)展在很大程度上取決于土壤類型和間距比S/D，其中S是相鄰分支之間的間距。當(dāng)擴盤樁盤間距由大到小變化時，擴盤樁的破壞模式將由樁土界面破壞轉(zhuǎn)化成圓筒剪切破壞，存在一個盤間距Hcr，當(dāng)擴盤盤間距恰好等于Hcr時，兩種破壞模式同時發(fā)生，可定義Hcr為臨界盤間距。因此，在評估擠擴支盤樁承載力時，應(yīng)考慮這兩種破壞機制。對于單盤破壞機制，樁的極限承載力主要取決于沿軸的摩擦力和每個支盤的承載力；而對于圓柱形剪切破壞機制，兩盤間土與土的破壞發(fā)生在支盤樁直徑處，此時兩盤間的承載力應(yīng)通過大圓柱破壞面的抗剪強度來計算。

圖6 樁和土豎向位移云圖

在雙盤均處于統(tǒng)一土層中時，臨界盤間距其實對應(yīng)著樁體的最優(yōu)盤間距。首先，當(dāng)實際盤間距小于臨界盤間距時，盤間剪切筒長度越長、抗剪面積越大，盤間距增大至臨界盤間距時的抗剪能力最大。其次，當(dāng)實際盤間距大于臨界盤間距時，樁體抗剪能力與樁土界面面積也就是樁體表面積有關(guān)，由于盤間距移動不影響樁體表面積，因此大于臨界盤間距后樁體極限承載力基本恒定。圖7是三種不同盤間距下的極限承載力。結(jié)合圖5、圖6和圖7，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有理論與本文的數(shù)值模擬一致。臨界盤間距與土體參數(shù)、樁體幾何尺寸等有關(guān)，對于典型的廣東軟土地質(zhì)條件，當(dāng)采用擴孔樁進行處理軟土地基時，本文建議采用4.5m盤間距。

圖7 極限承載力與盤間距關(guān)系

3 結(jié)論

(1)現(xiàn)場試驗表明，盤擴孔樁的單樁極限承載力約為10 300kN。根據(jù)現(xiàn)場試驗結(jié)果，本文建立了合理、可靠的數(shù)值分析模型。

(2)分析不同盤間距下的極限承載力，發(fā)現(xiàn)3.0m盤間距下樁承載力最小，為9 218kN；4.5m與5.5m盤間距下樁承載力略有差異，但兩者基本一致。位移云圖顯示，盤間距為2.5m和4.5m時樁和盤間土同步位移；而盤間距為5.5m時，樁和周圍土體發(fā)生異步位移。

(3)當(dāng)實際盤間距小于盤間距臨界值時，樁體在極限承載力下發(fā)生筒體剪切破壞；當(dāng)盤間距大于盤間距臨界值時，樁體在極限承載力下發(fā)生樁土界面破壞。在雙盤均處于均質(zhì)土層中時，臨界盤間距對應(yīng)著樁體最優(yōu)的盤間距。就本文工程實例中的樁體而言，當(dāng)采用擴孔樁對典型廣東軟土地基進行處理時，建議采用4.5m盤間距。