徐小文

（蘇州明駿建設(shè)工程有限公司,江蘇 蘇州 215131）

1 引言

隨著工程技術(shù)的發(fā)展,地基處理的深度在不斷增加,關(guān)于樁基的研究也受到越來(lái)越多學(xué)者的重視。目前,研究樁基承載的主流方法有荷載傳遞法、地基反力法、虛擬樁法[1]、有限元法[2]等等。吳恒立提出使用雙參數(shù)進(jìn)行離散數(shù)值求解的方法。張磊等[3]在經(jīng)典彈塑性理論的基礎(chǔ)上,考慮頂層土壓力求解單樁的承載力。樓曉明等[4]以及工程實(shí)例為研究背景,結(jié)合p-y 法探究單樁在上拔組合荷載作用下的承載力變化規(guī)律。

當(dāng)前的實(shí)際工程中多采用樁基承擔(dān)水平荷載,但是關(guān)于單樁的水平承載力研究比較稀少。本文采用ANSYS 建模軟件結(jié)合工程實(shí)例探究樁徑和樁長(zhǎng)對(duì)單樁水平承載力的影響。

2 工程概況

某水閘主要作用是放洪、泄潮以及供水,是一個(gè)集多種用途為一體的功能性水閘。該水閘寬14.2 m,共有12 個(gè)閘孔,平時(shí)多采用閘門(mén)來(lái)調(diào)節(jié)閘口出水量的大小。根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范,該水閘的最大泄洪流量為1600m3/s,閘內(nèi)最高水位為0.95 m,閘外最高水位為0.77 m。在面對(duì)200年一遇的洪水時(shí),過(guò)閘最大流量不超過(guò)1750 m3/s,閘內(nèi)最高水位為0.99 m,閘外最高水位為0.77 m。在面對(duì)100年一遇的洪水時(shí),潮水最高位置不超過(guò)2.5 m。

該水閘的地貌屬于典型的珠三角區(qū)域沖積平原,地面的平均高程在-6 m～1 m 之間。建立水閘處的土層以粉質(zhì)黏土為主,土層中含有部分植物根莖。粉質(zhì)黏土層下為具有一定厚度的淤泥質(zhì)土層,淤泥質(zhì)土層處于28 m～48 m 的位置,平均土層厚度在36 m 左右。淤泥質(zhì)土的天然孔隙率大,具有高含水率,高壓縮性的特點(diǎn),導(dǎo)致土層的整體承載力較低。淤泥質(zhì)土層的下層為粉質(zhì)黏土層,該土層的平均厚度在5 m 左右。粉質(zhì)黏土層的下層為砂礫層,處于1 m～9.5 m 的地層。在土層下為殘積沙黏土和全風(fēng)化花崗巖層,平均厚度為10 m左右。各項(xiàng)指標(biāo)的參數(shù)值見(jiàn)表1。

表1 巖層性質(zhì)參數(shù)

3 模型建立

本文在建立模型時(shí)取樁徑為d=1 m,樁長(zhǎng)為l=30 m 組作為模型尺寸。具體的建模過(guò)程和關(guān)于樁基模型的其余尺寸計(jì)算過(guò)程與求解過(guò)程如下：

首先打開(kāi)ANSYS 輸入裝的尺寸數(shù)據(jù),然后進(jìn)行網(wǎng)格劃分。根據(jù)規(guī)范要求,在建模時(shí)地基的范圍要在5 倍～10 倍樁徑范圍內(nèi)。建模是樁徑選擇1 m,本次建模選擇地基范圍為16 m×16 m。建模時(shí)選擇樁長(zhǎng)為l=30 m,地基的深度為h=40 m,建模后預(yù)留10 m 的范圍,作為緩沖空間,便于感受樁端對(duì)下臥土層的壓力。在樁頂建立一個(gè)1.5 m×0.3 m 的承臺(tái),便于對(duì)樁施加水平荷載。最終的建模結(jié)果見(jiàn)圖1,樁體和地基土體的各項(xiàng)材料參數(shù)見(jiàn)表2。

圖1 整體模型圖

表2 樁體和地基土體的各項(xiàng)材料參數(shù)

4 計(jì)算結(jié)果整理

在建模軟件中完成對(duì)模型的建立和計(jì)算后,多不同尺寸的模型進(jìn)行數(shù)值分析運(yùn)算,計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。表3中匯總了不同的樁基直徑和樁基長(zhǎng)度的樁基組合的水平承載力。通過(guò)表中的數(shù)據(jù)分析,可以比較出相同條件下,樁端的水平承載力與樁基參數(shù)的變化規(guī)律,從而得出樁基參數(shù)對(duì)樁的影響趨勢(shì)。

表3 不同樁徑、樁長(zhǎng)組合的樁的水平承載力

4.1 樁長(zhǎng)對(duì)單樁水平承載力的影響

根據(jù)表3中的數(shù)據(jù),繪制不同樁徑與水平承載力的變化趨勢(shì),由于數(shù)據(jù)較多,文中只展示了樁徑d=1 m 的變化趨勢(shì),見(jiàn)圖2。之后將各個(gè)樁徑與樁長(zhǎng)的組合計(jì)算承載力繪制在圖3中,探究不同的樁徑時(shí)樁長(zhǎng)對(duì)單樁承載力的影響趨勢(shì)。

圖2 樁徑1 m 時(shí)水平承載力與樁長(zhǎng)變化的曲線

圖3 各個(gè)樁徑情況下水平承載力隨樁長(zhǎng)變化的曲線

由圖2可以看出,單樁的水平承載力的大小與樁長(zhǎng)呈正相關(guān),隨著樁長(zhǎng)的增加,樁基的水平承載力呈出逐漸增大的趨勢(shì)。但水平承載力的增長(zhǎng)速率隨樁長(zhǎng)的增大表現(xiàn)出逐漸減小,最后區(qū)域平緩的趨勢(shì)。在樁長(zhǎng)小于15 m 時(shí),單樁水平承載力與樁長(zhǎng)呈線性發(fā)展趨勢(shì),保持直線增長(zhǎng)狀態(tài),單樁表現(xiàn)出剛性特性。在樁長(zhǎng)大于15 m 時(shí),單樁水平承載力隨樁長(zhǎng)的增加,增長(zhǎng)趨勢(shì)放緩,曲線的發(fā)展也區(qū)域穩(wěn)定,單樁表現(xiàn)出柔性特性。因此15 m 可以當(dāng)做樁長(zhǎng)的臨界值。

將各個(gè)樁徑與樁長(zhǎng)的組合計(jì)算承載力繪制在同一幅圖中,探究不同的樁徑對(duì)單樁承載力的影響趨勢(shì),見(jiàn)圖3。由圖3可知,不同樁徑的單樁水平承載力與樁長(zhǎng)的發(fā)展趨勢(shì)基本一致。水平承載力的總體變化趨勢(shì)分別為兩個(gè)階段,快速增長(zhǎng)階段和緩慢增長(zhǎng)階段。隨著樁長(zhǎng)的增長(zhǎng),承載力增長(zhǎng)速率放緩。在快速增長(zhǎng)階段,水平承載力漲幅極大,基本呈線性增長(zhǎng)趨勢(shì)。在緩慢增長(zhǎng)階段,樁長(zhǎng)在不斷增加,但水平承載力的變化很小。在快速增長(zhǎng)階段和緩慢增長(zhǎng)階段之間,樁長(zhǎng)存在一個(gè)顯著的臨界值,本文定義臨界樁長(zhǎng)為l0。在樁長(zhǎng)小于l0時(shí),單樁水平承載力與樁長(zhǎng)呈線性發(fā)展趨勢(shì),保持直線增長(zhǎng)狀態(tài),單樁表現(xiàn)出剛性特性。在樁長(zhǎng)大于l0時(shí),單樁水平承載力隨樁長(zhǎng)的增加,增長(zhǎng)趨勢(shì)放緩,曲線的發(fā)展也趨于穩(wěn)定,單樁表現(xiàn)出柔性特性。因此l0可以當(dāng)做樁長(zhǎng)的臨界值。

由上述分析可以看出,單樁的在受水平力發(fā)生破壞時(shí)存在一個(gè)臨界長(zhǎng)度l0,在樁長(zhǎng)小于l0時(shí),單樁水平承載力會(huì)大幅降低,單樁樁身表現(xiàn)出剛性轉(zhuǎn)動(dòng)現(xiàn)象。在樁長(zhǎng)大于l0時(shí),單樁水平承載力與樁長(zhǎng)的關(guān)系不大,繼續(xù)增加樁長(zhǎng)也無(wú)法提高曲單樁的水平承載力。實(shí)際工程中,只要樁長(zhǎng)設(shè)計(jì)值大于臨界值l0,就能夠達(dá)到增加樁長(zhǎng)提高單樁水平承載力的目的。

單樁在工程中除了受到水平荷載的作用外,還遭受到豎向荷載的挑戰(zhàn)。在一定的技術(shù)范圍內(nèi),雖然可以通過(guò)增加樁長(zhǎng)提高單樁水平承載力的目的,但在較大的豎向荷載下,單樁的豎向沉降值也會(huì)隨之增加。在樁長(zhǎng)較大的情況下,會(huì)出現(xiàn)樁底的摩擦阻力未達(dá)到極限值,樁頂沉降量已超過(guò)設(shè)計(jì)上限的現(xiàn)象。因此實(shí)際工程中,對(duì)于樁長(zhǎng)的選擇需要組合考慮承載力和沉降量的平衡,達(dá)到經(jīng)濟(jì)效益和規(guī)范設(shè)計(jì)的最大化。

4.2 樁徑對(duì)單樁水平承載力的影響

根據(jù)表3中的數(shù)據(jù),繪制不同樁徑與水平承載力的變化趨勢(shì),由于數(shù)據(jù)較多,文中只展示了樁長(zhǎng)l=30 m 的變化趨勢(shì),見(jiàn)圖4。之后將各個(gè)樁長(zhǎng)與樁徑的組合計(jì)算承載力繪制在圖5中,探究不同的樁長(zhǎng)時(shí)樁徑對(duì)單樁承載力的影響趨勢(shì)。

圖4 樁長(zhǎng)30m 時(shí)水平承載力與樁徑變化的曲線

圖5 不同的樁徑時(shí)樁長(zhǎng)與單樁承載力的變化曲線

由圖4可以看出,單樁的水平承載力的大小與樁徑呈正相關(guān),隨著樁徑的增加,樁基的水平承載力呈出逐漸增大的趨勢(shì)。并且圖4中水平承載力增長(zhǎng)幅度要顯著大于圖2的增長(zhǎng)幅度,這說(shuō)明,樁徑的增長(zhǎng)帶來(lái)的單樁水平承載力增長(zhǎng)效益要高于樁長(zhǎng)帶來(lái)的增長(zhǎng)效益。單樁的樁徑增長(zhǎng)越大,水平承載力的增長(zhǎng)幅度越大,可以認(rèn)為,樁徑是影響單樁水平承載力的主要因素,水平承載力高低與樁徑大小呈正相關(guān)。

將各個(gè)樁徑與樁長(zhǎng)的組合計(jì)算承載力繪制在同一幅圖中,探究不同的樁徑時(shí)樁長(zhǎng)對(duì)單樁承載力的影響趨勢(shì),見(jiàn)圖5。由圖5可知,不同樁徑的單樁水平承載力與樁長(zhǎng)的發(fā)展趨勢(shì)基本一致。同時(shí)與圖3相比,圖5中曲線排列的更加緊密,當(dāng)樁長(zhǎng)大于15 m 后,單樁的水平承載力與樁徑的關(guān)系曲線基本重合,也可以反映出樁徑的增長(zhǎng)帶來(lái)的單樁水平承載力增長(zhǎng)效益要高于樁長(zhǎng)帶來(lái)的增長(zhǎng)效益這一結(jié)論。

由上述分析可以看出,樁身直徑的增加對(duì)單樁水平承載力的提高作用顯著,樁徑長(zhǎng)度的增加對(duì)單樁水平承載力的提高存在臨界長(zhǎng)度。綜合比較發(fā)現(xiàn)樁徑的增長(zhǎng)帶來(lái)的單樁水平承載力增長(zhǎng)效益要高于樁長(zhǎng)帶來(lái)的增長(zhǎng)效益。但在實(shí)際工程中一味地增加樁徑,雖然可以增加單樁的水平向承載力,但是會(huì)造成混凝土大量的浪費(fèi)和經(jīng)濟(jì)損失。因此實(shí)際工程中,對(duì)于樁長(zhǎng)和樁徑的組合選擇要綜合考慮,使設(shè)計(jì)達(dá)到經(jīng)濟(jì)效益和工程要求的利用最大化。

4.3 樁基的水平承載力計(jì)算

以不同底層的特征孔隙為研究對(duì)象,根據(jù)表1中的數(shù)據(jù),在ANSYS 中建立天然圖層的單樁模型,見(jiàn)圖6。然后根據(jù)第3 節(jié)中方法對(duì)樁基的水平承載力進(jìn)行計(jì)算。

圖6 地層樁整體模型

經(jīng)過(guò)建模計(jì)算,特征樁的最大承載力為248 kN,在進(jìn)行計(jì)算前,通過(guò)已經(jīng)存在的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ颓蟮玫奶卣鳂兜淖畲蟪休d力為257 kN,模型計(jì)算值和經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ凸焦浪阒挡钪祪H為3.8%,處于合理的誤差范圍內(nèi),說(shuō)明采用本文的方法,模擬估算單樁的水平承載力是可行的,計(jì)算結(jié)果是可靠的。

根據(jù)規(guī)范要求,該水閘的每個(gè)閘門(mén)的設(shè)計(jì)荷載,該水閘范圍內(nèi)的樁基水平承載力設(shè)計(jì)值為5900 kN,水閘進(jìn)行樁基礎(chǔ)施工時(shí)布置60根樁,平均一根樁的承載力為98.3 kN,遠(yuǎn)小于上述的計(jì)算結(jié)果,滿足設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)論

本文采用ANSYS 建模軟件結(jié)合工程實(shí)例探究了樁徑和樁長(zhǎng)對(duì)單樁水平承載力的影響。研究結(jié)果如下：

（1）單樁的在受水平力發(fā)生破壞時(shí)存在一個(gè)臨界長(zhǎng)度l0,在樁長(zhǎng)小于l0時(shí),單樁水平承載力會(huì)大幅降低,單樁樁身表現(xiàn)出剛性轉(zhuǎn)動(dòng)現(xiàn)象。在樁長(zhǎng)大于l0時(shí),單樁水平承載力與樁長(zhǎng)的關(guān)系不大,繼續(xù)增加樁長(zhǎng)也無(wú)法提高單樁的水平承載力。

（2）單樁的水平承載力的大小與樁徑呈正相關(guān),隨著樁徑的增加,樁基的水平承載力呈出逐漸增大的趨勢(shì)。

（3）樁身直徑的增加對(duì)單樁水平承載力的提高作用顯著,樁徑長(zhǎng)度的增加對(duì)單樁水平承載力的提高存在臨界長(zhǎng)度。綜合比較發(fā)現(xiàn)樁徑的增長(zhǎng)帶來(lái)的單樁水平承載力增長(zhǎng)效益要高于樁長(zhǎng)帶來(lái)的增長(zhǎng)效益。

（4）實(shí)際工程中,對(duì)于樁長(zhǎng)和樁徑的組合選擇要綜合考慮,使設(shè)計(jì)達(dá)到經(jīng)濟(jì)效益和工程要求的利用最大化。