苗繼慶,穆鵬華,楊林深,韓劍波

(中冀建勘集團有限公司,河北 石家莊 050200)

0 引言

隨著我國經(jīng)濟建設的快速發(fā)展,各類建筑物對基礎的要求越來越高。樁基礎由于承載力高和變形小的優(yōu)點被廣泛應用與基礎工程建設中。研究表明,樁基礎可以有效控制上部結構的變形從而保證結構的穩(wěn)定性。鄧小雪[1]基于有限元研究了豎向荷載作用下復雜群樁的變形及荷載分布規(guī)律。結果表明,超長群樁的Q-S曲線呈緩變特征,樁身軸力在中樁最大,角樁最小,樁身的壓縮沉降量隨樁長增大而減小。劉祥沛等[2]基于室內(nèi)模型試驗和數(shù)值模擬系統(tǒng)的研究了樁基礎破壞特征。結果表明,樁基礎在破壞時樁頂位移會迅速增大,且破壞時樁底反力出現(xiàn)突變。秋仁東等[3]基于大比例模型試驗系統(tǒng)的研究了長群樁基礎承載力性狀。結果表明,群樁基礎存在明顯的硬化效應,端阻力在樁距較小的條件下提高幅度較大。此外,群樁承臺反力隨沉降的增大而增大。在其他條件相同的情況下,承臺反力隨樁距增大而增大。范慶來等[4]基于ABAQUS數(shù)值模擬,系統(tǒng)的研究了非均質(zhì)各向異性軟基上管樁基礎承載力。結果表明,對于弱超固結土層在考慮土層裂縫時得到的失穩(wěn)機制中,筒體界面與土體沒有明顯的裂縫。于炎成等[5]基于模型試驗和數(shù)值模擬系統(tǒng)的分析了根式樁基礎豎向荷載傳遞機制。結果表明,根式樁基礎承載力夠大,基礎的根腱部位可以釋放更大范圍土體的承載力,并可有效增大樁側(cè)摩阻力和極限承載力。張征等[6]基于振動臺試驗系統(tǒng)的研究了砂土液化過程中樁-土動力相互作用p-y曲線特征。結果表明,砂土液化過程中,樁身彎矩先增大后減小,其中p-y滯回曲線沒有出現(xiàn)軟化線性。在高頻加載下樁側(cè)土反力增大,p-y曲線呈現(xiàn)凹型。

考慮目前關于樁基礎承載力計算不精確,樁基工程經(jīng)常出現(xiàn)質(zhì)量問題,造成人員和財產(chǎn)的損失。本文采用數(shù)值模擬方法,開展豎向荷載作用下樁的承載力特性及承載力計算方法研究,本文的研究結果為相關工程設計及施工提供借鑒。

1 工況概況

本文所研究的樁基礎屬于橋梁樁基礎,樁基礎采用鉆孔灌注樁,樁徑為1.2 m,樁長為40 m,樁身混凝土強度均采用C30混凝土澆筑。預估單樁承載力特征值為580 t。試驗采用豎向承載力壓樁試驗,每根試驗樁設計4根反力錨樁。試驗中衛(wèi)了精確獲取樁的側(cè)阻力和端阻力,試驗過程中預埋沉降桿進行多斷面位移監(jiān)測。

鉆孔資料揭示,研究區(qū)的土體自上而下分別為中砂、粉質(zhì)黏土層、以及地層的細砂-中砂層。根據(jù)勘查報告顯示,現(xiàn)場地基屬于軟土地基,壓縮性較大。為保證基礎承載力及變形要求,采用鉆孔灌注樁進行施工。本次壓樁試驗采用分級加載方式,每級荷載為120 t,重級荷載為1 440 t,試驗加載方式見圖1所示。

圖1 試驗加載分級

2 結果與分析

2.1 試驗結果

圖2為試驗過程中各級荷載作用下樁的軸力分布結果。表明在最大荷載作用下,樁的沉降量約為7.6 mm。其中Q-S曲線沒有出現(xiàn)明顯的陡將,證明樁的完整性在試驗結束時比較完整。當荷載增大至840 t時,穩(wěn)定時間可達8.5 h。此外,根據(jù)圖1結果,樁身軸力隨樁的深度增加而減小。當荷載增大至最大時,樁端壓力較小,證明樁端地基承載力沒有發(fā)揮充分,另一方面也證明本文研究的樁屬于摩擦型樁。

圖2 樁軸力分布

為計算樁側(cè)摩阻力,本文利用下式計算計算:

Qi=qsi×U×Li

(1)

式中:Qi為第i層土所受的豎向力,qsi為側(cè)壁摩阻力,U為樁的周長,Li為土層厚度。

圖3計算得到樁側(cè)壁摩阻力分布。結果表明,當荷載較小時,側(cè)壁摩阻力分擔了多數(shù)的外荷載,隨著荷載增大,當側(cè)壁摩阻力達到極限時,樁端阻力開始發(fā)揮作用。圖4結果表明,當荷載為1 440 t時,樁頂變形為7 mm,樁端為0.7 mm,樁身壓縮量為4.9 mm。根據(jù)以上分析,樁身壓縮量隨深度的增大而減小,樁端變形是由于土體彈塑性變形的結果。

圖4 樁沉降曲線

2.2 數(shù)值模擬

2.2.1 模型建立

為進一步研究樁土相互作用。本文在試驗的基礎上進一步采用數(shù)值模擬進行深入研究。采用FLAC建立數(shù)值分析模型見圖5。模型的具體尺寸見圖中所示。模型的邊界條件為:下邊界為約束三個方向的自由度,上邊界為自由邊界,左右邊界約為水平方向的位移。計算中假定側(cè)壓力系數(shù)為0.33。巖土體本構模型采用通用的摩爾-昆侖模型,樁采用線彈性本構。數(shù)值模擬中具體的巖土體物理力學參數(shù)見表1所示。

表1 巖土體物理力學參數(shù)

圖5 數(shù)值模型示意圖

2.2.2 對比結果分析

圖6給出了相同條件下試驗值與數(shù)值模擬的對比結果。表明,數(shù)值模擬與試驗值基本吻合,兩者的相對誤差在10%以內(nèi)。但在荷載為840 t時,兩者誤差較大,但總體來看,數(shù)值模擬在加載結束時,未達到樁的破壞極限。證明數(shù)值模型參數(shù)選取合理,計算科學,可為下文的深入分析做基礎。

圖6 試驗與數(shù)值模擬結果

2.2.3 樁的破壞機理

圖7給出了數(shù)值計算得到在各級荷載下的Q-S曲線。結果表明,當荷載為1 800 t時,曲線出現(xiàn)突變,且樁的變形是上級荷載的2.6倍。因此該級荷載可作為樁的極限荷載。在極限荷載下,樁的壓縮變形量為5.8 mm,占總變形的42%。

圖7 樁Q-S模擬曲線

圖8得到了樁身軸力分布規(guī)律。結果表明,模擬值與試驗結果基本吻合。當荷載為1 800 t時,樁端軸力迅速增大,這會導致在樁端土體發(fā)生較大的應力集中,從而導致地基發(fā)生塑性剪切破壞。

綜合以上分析,當荷載較小時,樁身會發(fā)生一定的彈性變形,樁承受外荷載的主要方式為側(cè)壁摩阻力,進一步增大荷載時,樁端阻力開始發(fā)揮作用,此外,外荷載主要有由側(cè)壁摩阻力和樁端阻力共同承擔。

2.2.4 參數(shù)優(yōu)化結果

為了優(yōu)化樁的承載力形狀,本文在外荷載為1 440 t的工況下,分析計算了不同樁長下的樁頂荷樁端的變形曲線,結果見圖9所示。

圖9 樁變形曲線模擬

圖9結果表明,隨著樁長的增大,樁頂位移和樁底部位移變形均表現(xiàn)出增大的趨勢。但樁身壓縮基本保持不變。當樁長為33 m時,樁頂荷樁底位移出現(xiàn)突變,因此在實際工程中,樁的最大長度不宜小于33 m。

進一步研究了在極限荷載1 440 t工況下,樁端進行注漿加固時的承載力形狀見圖10所示。結果表明,當在在不同位置處進行注漿加固后可以顯著減小樁的變形。尤其是樁底的位移減小量最大。其中樁頂位移減小了28%,而樁底位移減小了58%。根據(jù)注漿后樁的軸力分布結果(圖10)來看,注漿后樁端軸力明顯大于未注漿時的樁軸力。因此,注漿會顯著提高樁的承載力。綜合來看,注漿可以有效彌補樁基礎施工中樁端沉渣問題。

3 結語

本文基于樁基礎壓樁試驗和數(shù)值模擬,開展豎向荷載作用下樁承載力性狀研究,系統(tǒng)的分析了在逐級加載作用下,樁的軸力和樁的位移等變化規(guī)律,并進一步采用數(shù)值模擬對相關參數(shù)進行優(yōu)化,得到如下幾點結果:

(1)在荷載較小時,側(cè)壁摩阻力首先發(fā)揮作用,隨著荷載增大,當側(cè)壁摩阻力達到極限時,樁端阻力開始發(fā)揮作用。當荷載為1 440 t時,樁頂變形為7 mm,樁端為0.7 mm,樁身壓縮量為4.9 mm。根據(jù)以上分析,樁身壓縮量隨深度的增大而減小,樁端變形是由于土體彈塑性變形的結果。

(2)數(shù)值模擬與試驗值基本吻合,兩者的相對誤差在10%以內(nèi)。但在荷載為840 t時,兩者誤差較大,但總體來看,數(shù)值模擬在加載結束時,未達到樁的破壞極限。證明數(shù)值模型計算科學。

(3)隨著樁長的增大,樁頂位移和樁底部位移變形均表現(xiàn)出增大的趨勢。但樁身壓縮基本保持不變。當樁長為33 m時,樁頂荷樁底位移出現(xiàn)突變,在實際工程中,樁的最大長度不宜小于33 m。此外,采用后注漿的方式可以有效提高樁的承載力。