李 誠

（廣東省建筑科學(xué)研究院集團(tuán)股份有限公司 廣州 510630）

預(yù)應(yīng)力管樁因其在軟土中施工速度快、檢測時(shí)間短、承載力高等優(yōu)點(diǎn)，已在濱海上軟土下基巖二元地層地區(qū)廣泛使用，常以全-強(qiáng)風(fēng)化基巖作為樁端持力層，然而管樁樁基工程質(zhì)量事故案例也時(shí)有出現(xiàn)，已有許多對(duì)管樁事故的原因分析及預(yù)防措施研究［1-3］，相關(guān)研究指出，事故原因主要涉及軟土固結(jié)沉降導(dǎo)致的負(fù)摩擦阻力［4-5］，以及樁端基巖軟化問題［2-3，6-7］，樁基承載力受到上部軟土蠕變和下部基巖軟化的影響，已有研究分別對(duì)其進(jìn)行了研究，得到了許多有益的成果，但還沒有一起考慮兩種因素影響的研究。研究軟土不同蠕變程度及基巖不同軟化程度下的變形破壞機(jī)理，對(duì)樁基承載力評(píng)價(jià)具有重要的意義。本文針對(duì)上部深厚軟土、下部強(qiáng)風(fēng)化花崗巖的二元地層，對(duì)其中樁基礎(chǔ)進(jìn)行有限元模擬分析，以期加深對(duì)該類二元地層中樁基受力機(jī)制的認(rèn)識(shí)。

1 樁基承載力影響因素

1.1 軟土蠕變影響樁基承載力

土體蠕變即為軟土的次固結(jié)變形，是指土體主固結(jié)結(jié)束后，土顆粒蠕動(dòng)導(dǎo)致土體變形隨時(shí)間發(fā)展的現(xiàn)象。經(jīng)過多年固結(jié)而成的土體，其蠕變基本完成，土體處于一種超固結(jié)或正常固結(jié)狀態(tài)，但對(duì)于新近沉積的軟土，如近年來吹填淤泥，其自重固結(jié)一般尚未完成，蠕變作用有限。軟土蠕變對(duì)樁基的影響很早被發(fā)現(xiàn)并研究［8］，研究認(rèn)為樁頂沉降隨著時(shí)間增長主要是由于樁土界面和樁側(cè)土的剪切蠕變導(dǎo)致。

查閱相關(guān)文獻(xiàn)［4-5，9］，軟土蠕變影響樁基承載力的機(jī)理為：樁頂荷載通過樁側(cè)傳遞到樁周土中，樁周土的應(yīng)力以變形協(xié)調(diào)的方式同樣通過樁側(cè)傳遞到樁身。飽和軟粘土因欠固結(jié)性、蠕變性而對(duì)樁基的作用，可簡單理解為樁周土向下的位移拖拽樁體下沉，即為大家熟知的“負(fù)摩擦力”。運(yùn)用較為廣泛的負(fù)摩擦力計(jì)算方法為作用在樁身的有效水平應(yīng)力與樁土界面摩擦系數(shù)的乘積，即式⑴：

其中，qn為負(fù)摩擦力；k0為側(cè)壓力系數(shù)；φ′為有效內(nèi)摩擦角。式⑴對(duì)于樁土相互作用的模擬非常粗糙，在有限元數(shù)值模擬中，常用界面單元模擬樁土之間的接觸作用，本文所用界面單元的本構(gòu)方程為：

式中：up表示樁位移；us表示土位移；Ks表示剪切剛度，Kn和Kt表示法向剛度，當(dāng)剪應(yīng)力小于抗剪強(qiáng)度時(shí)，界面單元處于彈性狀態(tài)，當(dāng)剪應(yīng)力等于抗剪強(qiáng)度時(shí)，界面單元處于塑性狀態(tài)。界面單元的抗剪強(qiáng)度根據(jù)周邊土體的抗剪強(qiáng)度參數(shù)折減而定，本文設(shè)折減系數(shù)為0.7。

1.2 基巖軟化影響樁基承載力

本文所說的“軟化”是指基巖的工程力學(xué)性質(zhì)退化，本文以強(qiáng)風(fēng)化花崗巖為例，說明其作為管樁樁端持力層時(shí)軟化對(duì)樁基的影響，一般認(rèn)為管樁沉樁完成后，地下水沿樁管內(nèi)、外壁及樁周土裂縫下滲至持力層，持力層浸水發(fā)生軟化，從而降低管樁承載力并導(dǎo)致管樁下沉［2］，但有研究不認(rèn)同這種模式，張先偉等人［10］根據(jù)未進(jìn)行封底樁管的現(xiàn)場試驗(yàn)證明地下水對(duì)樁承載力基本沒有影響，但沒有說明管樁承載力大幅下降的問題；《建筑樁基技術(shù)規(guī)范：JGJ 94—2008》［11］第4.1.13條規(guī)定：樁端嵌入遇水易軟化的全、強(qiáng)風(fēng)化巖的預(yù)應(yīng)力管樁，應(yīng)采取有效的防滲措施?，F(xiàn)行規(guī)范明確提出對(duì)全、強(qiáng)風(fēng)化巖浸水軟化問題的技術(shù)要求，說明樁基持力層軟化現(xiàn)象確實(shí)存在，至于軟化機(jī)理仍存爭議。

彭建清等人［12］從基巖微觀結(jié)構(gòu)出發(fā)解釋樁基持力層軟化問題，查閱文獻(xiàn)［12］及黃飛宇［13］的研究結(jié)果，從微觀角度解釋的思路大致是：飽和巖體受壓時(shí)如果水來不及排出，由水承擔(dān)的超孔隙壓力會(huì)導(dǎo)致土顆粒有效應(yīng)力降低，導(dǎo)致巖石體積膨脹，且超靜孔隙壓力擴(kuò)展原生微裂紋并形成次生裂紋。巖體中的水會(huì)對(duì)潤滑節(jié)理和礦物顆粒，使得微裂隙處和礦物顆粒間的膠結(jié)作用減弱，使得內(nèi)摩擦角和粘聚力減小，宏觀表現(xiàn)為抗剪強(qiáng)度降低。全風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖的礦物分析顯示它們都含有較多的高嶺土、石英、伊利土，表明全、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖具有顯著的脫硅富鋁化現(xiàn)象，除了石英外，其它礦物均轉(zhuǎn)化為了衍生礦物，而高嶺土、伊利土等粘性礦物一般具有遇水時(shí)強(qiáng)烈吸附水分子而膨脹的特點(diǎn)，導(dǎo)致礦物集合體的結(jié)構(gòu)和連接強(qiáng)度軟化。

陳洪江等人［14］統(tǒng)計(jì)出東南沿海強(qiáng)風(fēng)化花崗巖抗壓強(qiáng)度變異系數(shù)為0.24～0.33，強(qiáng)風(fēng)化花崗巖試驗(yàn)指標(biāo)的變異系數(shù)大于0.3 的百分比最高，這表明強(qiáng)風(fēng)化花崗巖物理力學(xué)性質(zhì)的離散程度較其他風(fēng)化巖更大。

2 有限元模型

2.1 軟土模型參數(shù)

PLAXIS 軟件內(nèi)置的軟土蠕變模型基于標(biāo)準(zhǔn)小時(shí)加載固結(jié)試驗(yàn)得到的一維蠕變模型，軟土蠕變模型將一維蠕變模型擴(kuò)展為三維蠕變模型。模型參數(shù)及本文取值如下：粘聚力c=15 kPa、內(nèi)摩擦角φ=3°、修正壓縮指標(biāo)λ*=0.104、修正膨脹指標(biāo)κ*=0.035、修正蠕變指標(biāo)μ*=3.48×10-3、孔隙比e=1.5。λ*、κ*、μ*可以通過各向等壓壓縮試驗(yàn)或側(cè)限試驗(yàn)獲得。為工程師熟悉的壓縮指數(shù)Cc、回彈指數(shù)Cr、次固結(jié)指數(shù)Ca可以轉(zhuǎn)換得到λ*、κ*、μ*。

2.2 基巖模型參數(shù)

PLAXIS 軟件內(nèi)置著名的Hoek-Brown 本構(gòu)模型，該模型可以模擬各向同性巖石的材料行為。

巖體彈模

式中：s、a為輔助材料參數(shù)；mb為對(duì)完整巖石參數(shù)mi的折減，mi=32；ν為泊松比，ν=0.25；σci為完整巖石單軸抗壓強(qiáng)度，σci=40 MPa。由于本文關(guān)注的花崗巖浸水軟化情況在Hoek-Brown 模型沒有具體考慮，但地質(zhì)強(qiáng)度指數(shù)GSI、擾動(dòng)因子D、模量比率MR值的變化將引起巖體剛度、強(qiáng)度的變化，本文將由GSI、D、MR變化引起的巖體“軟化”作為巖體浸水的等效結(jié)果，本文假設(shè)成礫砂狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖浸水后力學(xué)性質(zhì)大幅下降，通過設(shè)置GSI、D、MR的值實(shí)現(xiàn)對(duì)Erm、σc、σt的折減，折減效果按經(jīng)驗(yàn)確定是否合理，本文假設(shè)GSI、D隨時(shí)間變化的關(guān)系為：

據(jù)文獻(xiàn)［12，14］，考慮強(qiáng)風(fēng)化巖浸水軟化程度高、抗壓強(qiáng)度變異性大，本文設(shè)沉樁前MR為100，設(shè)沉樁后MR為60。則作為持力層的強(qiáng)風(fēng)化花崗巖彈性模量隨時(shí)間變化的關(guān)系如圖1 所示，根據(jù)霍克等人［15］的研究結(jié)果，強(qiáng)風(fēng)化花崗巖內(nèi)摩擦角和粘聚力估算值隨時(shí)間變化的關(guān)系如圖2 所示。有限元模型如圖3 所示，上部軟土厚20 m，下部強(qiáng)風(fēng)化花崗巖厚10 m，模型平面尺寸25 m×18 m，模型四側(cè)限制水平變形，模型底部固定，模型上部無約束。樁長24 m，樁采用C80 混凝土本構(gòu)模型，承臺(tái)及地梁采用C40 混凝土本構(gòu)模型。圖3 中樁序號(hào)從左至右依次為1 號(hào)、2 號(hào)、3 號(hào)及4號(hào)。1、2號(hào)樁嵌固段周圍巖體的彈性模量、抗剪強(qiáng)度參數(shù)隨時(shí)間的變化按圖1、圖2 確定。荷載在10 d 內(nèi)加載完，每根柱子受到最大225 t的荷載。

圖1 強(qiáng)風(fēng)化花崗巖彈性模量隨時(shí)間的變化Fig.1 Change of Elastic Modulus of Strongly Weathered Granite with Time

圖2 強(qiáng)風(fēng)化花崗巖抗剪強(qiáng)度參數(shù)隨時(shí)間的變化Fig.2 Change of Shear Strength Parameters of Strongly Weathered Granite with Time

圖3 有限元計(jì)算模型Fig.3 Finite Element Model

3 模擬結(jié)果與分析

3.1 變形結(jié)果

軟件模擬至85 d 左右時(shí)出現(xiàn)計(jì)算不收斂情況，表明此時(shí)已有模型構(gòu)件出現(xiàn)破壞。圖4展示了各樁樁頂及樁附近地表某點(diǎn)的豎向變形，可見地表在軟土蠕變下持續(xù)產(chǎn)生豎向沉降，地表沉降量與樁頂豎向變形量有較大差距，說明本文所建界面單元發(fā)揮了作用，得到的樁土相對(duì)變形更符合實(shí)際情況。圖4可見各樁豎向變形最大降幅在10 d 內(nèi)，且第10 d 時(shí)1、2 號(hào)樁與3、4樁的豎向變形相差很小，隨后20～70 d，這種差距基本保持不變，說明這段時(shí)間1 號(hào)、2 號(hào)樁樁端持力層力學(xué)性質(zhì)的軟化對(duì)樁基沉降基本無影響，1、2 號(hào)樁在70 d時(shí)開始出現(xiàn)大幅下沉，隨后3、4 號(hào)樁在80 d 時(shí)開始出現(xiàn)上浮，這是結(jié)構(gòu)即將破壞的標(biāo)志。各樁樁頂在X方向上的變形如圖5所示，可見在80 d之前，各樁在在X方向上的變形基本一致，而在85 d左右，1、2號(hào)樁大幅向x軸的負(fù)方向變形，而3、4號(hào)樁大幅向x軸的正方向變形，說明連接承臺(tái)的地梁可能已發(fā)生拉破壞。

圖4 樁頂、地表豎向變形Fig.4 Vertical Deformation of Pile Top and Surface

圖5 樁頂x方向上的變形Fig.5 Deformation of Pile Top in x Direction

3.2 樁基軸力

樁身軸力計(jì)算結(jié)果（見圖6）顯示軸力沿深度方向上表現(xiàn)為先增大后減小，但各樁軸力在整個(gè)時(shí)間段幾乎沒有變化，說明場地存在負(fù)摩阻力，但負(fù)摩阻力很快就發(fā)揮到最大，并不會(huì)因?yàn)檐浲脸两盗侩S時(shí)間增大而跟著增大，界面單元很快進(jìn)入塑性狀態(tài)。以10 d時(shí)的1號(hào)樁為例計(jì)算負(fù)摩阻力，1號(hào)樁樁頂軸力1 061 kN，近乎線性增大至最大值1 442 kN，軸力最大值對(duì)應(yīng)的埋深為19.9 m，樁浮重度按15 kN/m3考慮，可估算在單樁上產(chǎn)生的負(fù)摩阻力值為322.4 kN，樁身平均負(fù)摩阻力強(qiáng)度約為10.3 kPa，19.9 m 范圍內(nèi)平均豎向有效應(yīng)力為59.7 kPa，反推得到負(fù)摩阻力系數(shù)約為0.17，文獻(xiàn)［11］建議飽和軟土負(fù)摩阻系數(shù)取值0.15～0.25，與本文模擬結(jié)果相符。

圖6 樁身軸力Fig.6 Axial Force Distribution of Pile

根據(jù)文獻(xiàn)［11］，樁端以基巖為持力層時(shí)，中性點(diǎn)位置靠近軟土底部，圖6 可以清楚看到軸力開始變小之處大致對(duì)應(yīng)著地層分界面。

3.3 地梁承臺(tái)受力

在85 d 時(shí)有限元計(jì)算不收斂，破壞前即80 d 時(shí)結(jié)構(gòu)在z方向的變形如圖7 所示，可見1 號(hào)樁沉降最大，3、4號(hào)樁沉降最小，雖然沉降值量級(jí)僅為厘米級(jí)別，但這種不均勻沉降在結(jié)構(gòu)中形成了非常大的內(nèi)力。結(jié)構(gòu)在x方向上的應(yīng)力分布如圖8 所示，可見沉降較小一側(cè)的地梁頂部產(chǎn)生了拉應(yīng)力，在沉降較大一側(cè)的承臺(tái)底部產(chǎn)生了拉應(yīng)力，隨著不均勻沉降的進(jìn)一步發(fā)展，最終造成結(jié)構(gòu)破壞。上述模擬結(jié)果與許多事故實(shí)例情況相符，實(shí)際工程中，事故常發(fā)生在柱上荷載已加載一段時(shí)間后，此時(shí)發(fā)現(xiàn)裂縫，不均勻沉降已很嚴(yán)重。

圖7 結(jié)構(gòu)在z方向上的變形Fig.7 Deformation of Structure in z-direction

圖8 結(jié)構(gòu)在x方向上的應(yīng)力Fig.8 Stress of Structure in x-direction

4 結(jié)論

⑴軟土蠕變?cè)跇渡懋a(chǎn)生的負(fù)摩阻力很早發(fā)揮出來，且達(dá)到最大值后基本保持不變。

⑵強(qiáng)風(fēng)化花崗巖軟化只有達(dá)到一定程度才對(duì)樁基及上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生危害，體現(xiàn)為不均勻沉降差達(dá)到一定程度時(shí)結(jié)構(gòu)突發(fā)拉裂破壞，但病害發(fā)生前，樁基及上部結(jié)構(gòu)變形并不明顯，病害具有隱蔽性。

⑶上部軟土下部強(qiáng)風(fēng)化花崗巖場地，存在軟土蠕變和基巖軟化共同作用影響樁基及上部結(jié)構(gòu)安全的風(fēng)險(xiǎn)，建議在上述場地中的樁基設(shè)計(jì)綜合考慮各種不利作用。