摘要：一般軟土地層對(duì)樁形成的側(cè)摩阻力比較低，且軟土層厚度較大時(shí)還會(huì)對(duì)樁形成負(fù)摩阻效應(yīng)，直接影響到樁基承載力，因此常常以提高樁徑和樁長(zhǎng)的方式來(lái)保證單樁有足夠的豎向承載力。以泉州百崎通道A2合同段項(xiàng)目橋梁為背景，通過(guò)建立數(shù)值模型，分析不同樁長(zhǎng)、樁基附近土層不同時(shí)樁的荷載沉降曲線，同時(shí)研究樁身側(cè)摩阻力和軸力的變化趨勢(shì)。研究結(jié)果表明：樁的單樁豎向承載力基本不會(huì)受到樁頂附近土層性質(zhì)的影響嗎，只靠提高樁長(zhǎng)并不是增大樁極限承載力的有效方法，確定出合理的樁長(zhǎng)則更加經(jīng)濟(jì)。樁長(zhǎng)和樁的極限承載力表現(xiàn)為線性正相關(guān)關(guān)系，在樁長(zhǎng)較短或較長(zhǎng)時(shí)，單樁的極限沉降會(huì)增加，且增加速度較快；而在中等長(zhǎng)度范圍內(nèi)，極限沉降相對(duì)較小，沉降變化趨勢(shì)比較平緩。樁端支反力在樁長(zhǎng)小于40m時(shí)占比較大，樁長(zhǎng)超過(guò)60m時(shí)可不考慮樁端阻力的影響。

關(guān)鍵詞：軟土地層；樁基承載力；數(shù)值模型；樁身側(cè)摩阻力

0" "引言

鉆孔灌注摩擦樁具有樁基承載力可靠穩(wěn)定、工藝成熟等優(yōu)點(diǎn)，因而廣泛應(yīng)用于各類工程中[1]。為了保證樁基附近土層能給樁基提供充足的豎向側(cè)摩阻力，以支撐上部荷載，需要對(duì)樁基極限承載力、土層各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)、混凝土強(qiáng)度等進(jìn)行綜合考慮，以此確定樁長(zhǎng)和樁基位置[3-4]。相關(guān)研究人員發(fā)現(xiàn)，鉆孔灌注摩擦樁樁端阻力未開(kāi)始發(fā)揮作用時(shí)，樁側(cè)摩阻力就提前開(kāi)始作用。同時(shí)樁長(zhǎng)、地質(zhì)條件、樁徑等因素均會(huì)對(duì)樁基承載力造成較大影響。而對(duì)于樁基承載力，樁基規(guī)范中只給出了統(tǒng)一的計(jì)算方法[4]。所以在實(shí)際工程里，針對(duì)不同土層樁基豎向承載能力和其位置一般通過(guò)靜載試驗(yàn)法進(jìn)行確定。

張永等[5]研究了軟土區(qū)域超長(zhǎng)樁的承載性能，發(fā)現(xiàn)在軟土區(qū)域較為適合的樁類型為摩擦樁，同時(shí)發(fā)現(xiàn)非漸進(jìn)破壞為其破壞狀態(tài)。周海華[6]結(jié)合了數(shù)值分析法和試驗(yàn)法，對(duì)大理某區(qū)域超長(zhǎng)樁進(jìn)行設(shè)計(jì)，發(fā)現(xiàn)樁沉降是控制樁基極限承載力的主要因素。李韜等[7]以某軟土區(qū)域?yàn)槔?，?duì)比分析了不同樁長(zhǎng)對(duì)單樁承載力的影響，發(fā)現(xiàn)通過(guò)持續(xù)提高樁長(zhǎng)來(lái)增大單樁承載力并不合理。

本文以泉州百崎通道A2合同段項(xiàng)目橋梁為背景，通過(guò)數(shù)值模擬對(duì)比分析不同樁長(zhǎng)、樁基附近土層不同時(shí)樁的荷載沉降曲線，同時(shí)分析了樁身側(cè)摩阻力和軸力的變化趨勢(shì)，為軟土地區(qū)鉆孔灌注樁的設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

1" "工程概況

本項(xiàng)目位于福建省泉州市，主線起于臺(tái)商投資區(qū)百東大道與洛沙大道交叉口，起點(diǎn)樁號(hào)為YK2+091.914，道路沿規(guī)劃百東大道向西延伸，上跨現(xiàn)狀海灣大道，與海灣大道間設(shè)百崎互通銜接，主線終于洛陽(yáng)江流域，終點(diǎn)樁號(hào)為YK3+352.000，路線長(zhǎng)度1260.086m，施工內(nèi)容涵蓋橋梁工程、路基工程、路面工程、交叉工程、管線工程等。主線橋?yàn)樵O(shè)計(jì)速度60km/h一級(jí)公路兼城市主干路，海灣大道為設(shè)計(jì)速度80km/h城市主干路，百東大道為設(shè)計(jì)速度60km/h城市主干路。本合同段橋墩鉆孔灌注樁直徑為1.2m、1.8m，根據(jù)孔徑要求、施工位置、地質(zhì)資料、工期要求及施工經(jīng)驗(yàn)，本標(biāo)段鉆盡可能采用沖擊鉆成孔。

2" "建立有限元模型

通過(guò)有限元軟件，構(gòu)建各土層和樁基的數(shù)值模型，選擇Mohr-Coulomb模型來(lái)對(duì)土層進(jìn)行模擬，在摩爾庫(kù)倫理論中，材料的剪應(yīng)力最大值可由下式表示：

τ=c+σtanφ" " " " " " " " "（1）

式中：σ和τ分別表示法向應(yīng)力和剪應(yīng)力，φ表示內(nèi)摩擦角，c表示粘聚力。

在模型中只將單樁的豎向承載力考慮在內(nèi)，未將土層受到樁基施工的影響考慮在內(nèi)。選擇Embedded樁模型來(lái)對(duì)樁基進(jìn)行模擬。

在模擬軟件中以設(shè)置“圖層相關(guān)”的方式來(lái)模擬樁側(cè)摩阻力，之后軟件會(huì)通過(guò)錄入的土層相關(guān)參數(shù)，對(duì)側(cè)摩阻力進(jìn)行計(jì)算。選擇剛性連接作為土層和樁底的連接方式。根據(jù)平面應(yīng)變模型選擇15單元節(jié)點(diǎn)進(jìn)行模擬，將土層整體范圍豎向、水平向定為100m×120m，保證邊界足夠大，能夠準(zhǔn)確的對(duì)土層里樁基的受力情況進(jìn)行模擬。施加荷載的方式為在樁基頂部逐級(jí)加載點(diǎn)荷載。

3" "參數(shù)影響分析

3.1" "單樁豎向承載力受樁頂周圍土層的影響

根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際情況，場(chǎng)地內(nèi)距離樁頂9.2m位置有一土層，為極軟土層。為了分析單樁承載力受樁頂周圍土層的影響，通過(guò)在二維平面應(yīng)變有限元模型中設(shè)置2種情況，即距離樁頂9.2m位置存在卵石土與淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土和這兩種情況。此次研究中，單樁沉降隨著加載荷載的變化而變化規(guī)律如圖1所示。

從圖1中能夠看出：樁頂周圍土層不同時(shí)，其單樁沉降和荷載間的變化關(guān)系大致相同，即無(wú)論土層類型如何，當(dāng)樁頂荷載從零逐漸增加時(shí)，樁沉降量也隨之增加，但增長(zhǎng)速度并不是一直保持穩(wěn)定。當(dāng)施加在樁頂?shù)暮奢d值較低時(shí)，樁體工作狀態(tài)為彈性階段，沉降量相對(duì)較小且沉降速率較慢；在繼續(xù)增大樁頂荷載且出現(xiàn)突變（拐點(diǎn)）時(shí)，樁頂沉降值迅速變大，沉降速度也得到大幅度提高。當(dāng)再次提高樁頂荷載時(shí)，樁將逐漸接近破壞狀態(tài)，即便荷載增量比較小，樁身沉降也有較大的變化。

在樁頂周圍土體是淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土的情況下，F(xiàn)gA加載力等于11.1MN時(shí)沉降出現(xiàn)拐點(diǎn)，樁沉降為3.1mm；在樁頂周圍土體為卵石土情況下，F(xiàn)gB加載力等于11MN時(shí)沉降出現(xiàn)拐點(diǎn)，樁沉降為2.6mm。通過(guò)比較能夠看出，無(wú)論是卵石土還是淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，兩者拐點(diǎn)加載力的數(shù)值大致相同，但樁沉降在樁頂周圍土層類型為卵石土?xí)r的值略小一點(diǎn)。

在樁頂周圍土體是淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土情況下，F(xiàn)uA極限加載力等于11.4MN時(shí)的樁沉降值為8.7mm。在樁頂周圍土體是卵石情況下，F(xiàn)uB極限加載力等于11.3MN時(shí)樁沉降值為3.05mm。無(wú)論是卵石土還是淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，兩者極限加載力的數(shù)值大致相同，但樁沉降在樁頂周圍土層類型為卵石土?xí)r的值僅為土層類型為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土?xí)r的35%。

樁頂周圍的土層類型對(duì)單樁承載力的影響非常小，幾乎不會(huì)影響樁的加載力極限值和樁拐點(diǎn)。這表明即使樁頂附近的土層質(zhì)量較差，單樁的負(fù)載容量也不會(huì)受到太大影響。但樁身極限沉降在樁頂周圍土層為卵石土?xí)r的值，要比樁頂周圍土層為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土?xí)r的值小得多，這表明單樁承載力的塑性發(fā)展受到土層性質(zhì)影響較大，具有更高彈性模量或更高硬度的土層，其沉降塑性性能也會(huì)更差。

3.2" "單樁豎向承載力受樁長(zhǎng)的影響

不同樁長(zhǎng)下，樁頂周圍土體是淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土?xí)r樁的沉降隨加載載荷變化趨勢(shì)如圖2所示。樁體長(zhǎng)度和單樁極限沉降值、極限承載力間的關(guān)系反映了關(guān)鍵控制參數(shù)受到樁長(zhǎng)的影響，具體如圖3所示。

從圖3中能夠看出，樁的長(zhǎng)度不同時(shí)，其荷載和位移之間的關(guān)系曲線大致相同，都表現(xiàn)為倒L形，說(shuō)明在荷載作用下，樁的沉降規(guī)律不會(huì)因?yàn)闃堕L(zhǎng)的不同而產(chǎn)生明顯的區(qū)別，即樁長(zhǎng)不會(huì)對(duì)樁整體的荷載沉降規(guī)律造成影響。

樁的長(zhǎng)度不同時(shí)，其荷載和位移之間的關(guān)系曲線在線彈性階段基本重合，只在拐點(diǎn)部位發(fā)生了分支平衡，這意味著樁基彈性受力情況基本不會(huì)受到樁長(zhǎng)的影響。

隨著樁長(zhǎng)的增大，樁的極限承載力也隨之增大，兩者表現(xiàn)為線性正相關(guān)關(guān)系。而單樁的樁長(zhǎng)和其極限沉降表現(xiàn)為S型關(guān)系，即在樁長(zhǎng)較短或較長(zhǎng)時(shí)，單樁的極限沉降會(huì)增加，且增加速度較快，而在中等長(zhǎng)度范圍內(nèi)，極限沉降相對(duì)較小，沉降變化趨勢(shì)比較平緩。

3.3" "分析沿樁長(zhǎng)傳力規(guī)律

樁長(zhǎng)分別為80m、60m以及40m時(shí)，在樁頂施加6000kN荷載，分析樁頂周圍土層為淤泥粉質(zhì)黏土?xí)r的樁身荷載傳力趨勢(shì)，同時(shí)研究沿樁身側(cè)摩阻力和樁身各部位軸力的分布情況。各樁長(zhǎng)樁身軸力對(duì)比如圖4所示。各樁長(zhǎng)樁側(cè)摩阻力對(duì)比如圖5所示。

3.3.1" 各樁長(zhǎng)樁身軸力對(duì)比

從圖4中能夠看出，樁長(zhǎng)為80m和60m時(shí)，樁身同樣部位各點(diǎn)軸力基本相同，而對(duì)于40m樁長(zhǎng)同樣部位的軸力則要小一點(diǎn)，這表示樁長(zhǎng)范圍在40m至80m時(shí)，狀長(zhǎng)的變化不會(huì)對(duì)樁身軸力的分布情況造成較大的影響；

樁長(zhǎng)在80m、60m和40m時(shí)的樁底反力值分別為153kN、246kN、1455kN，與樁頂荷載相比各占其2.6%、4.2%和24.4%。這表明柱底反力的占比會(huì)受到樁長(zhǎng)的影響，在樁長(zhǎng)超過(guò)60m時(shí)，可忽略柱底反力。

3.3.2" 各樁長(zhǎng)樁側(cè)摩阻力對(duì)比

從圖5中能夠看出，樁長(zhǎng)為80m和60m時(shí)，樁身同樣部位各點(diǎn)側(cè)摩阻力，這表示樁長(zhǎng)范圍在40m至80m時(shí)，狀長(zhǎng)的變化不會(huì)對(duì)樁身側(cè)摩阻力的分布情況造成較大的影響；樁長(zhǎng)在80m與60m時(shí)，樁底側(cè)摩阻力變化較為平緩，沒(méi)有發(fā)生較大突變，而對(duì)于40m樁長(zhǎng)發(fā)生了明顯突變。綜合樁底支反力分布情況能夠得出，樁底支反力占比較大，是導(dǎo)致40m樁長(zhǎng)樁底側(cè)摩阻力發(fā)生突變的主要原因。

4" "結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)數(shù)值模擬對(duì)比分析樁長(zhǎng)不同、樁基附近土層不同時(shí)樁的荷載沉降曲線，同時(shí)分析樁身側(cè)摩阻力和軸力的變化趨勢(shì)，得出樁長(zhǎng)和土層類型對(duì)鉆孔灌注樁承載力的影響規(guī)律，主要結(jié)論如下：

當(dāng)樁頂荷載從0逐漸增加時(shí)，樁沉降量也隨之增加；樁沉降在樁頂周圍土層類型為卵石土?xí)r的值僅有土層類型為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土?xí)r的35%；樁頂周圍的土層類型對(duì)單樁承載力的影響較小。

在荷載作用下，樁長(zhǎng)不會(huì)對(duì)樁整體的荷載沉降規(guī)律和彈性受力情況造成影響；隨著樁長(zhǎng)的增大，樁的極限承載力也隨之增大，兩者表現(xiàn)為線性正相關(guān)關(guān)系；在樁長(zhǎng)較短或較長(zhǎng)時(shí)，單樁的極限沉降會(huì)增加，且增加速度較快，而在中等長(zhǎng)度范圍內(nèi)，極限沉降相對(duì)較小，沉降變化趨勢(shì)比較平緩。

樁長(zhǎng)范圍在40～80m時(shí)，狀長(zhǎng)的變化不會(huì)對(duì)樁身軸力的分布情況造成較大的影響；樁長(zhǎng)在80m、60m和40m時(shí)的樁底反力值分別為153kN、246kN、1455kN，與樁頂荷載相比各占其2.6%、4.2%和24.4%。

參考文獻(xiàn)

[1] 白寧.強(qiáng)發(fā)育巖溶地區(qū)特大橋樁基勘察與施工研究[J].現(xiàn)

代交通技術(shù)，2022，19（3）：65-68+73.

[2] 馬亞濤，郭細(xì)偉，方智勇，等.氯離子在混凝土樁基中擴(kuò)散

過(guò)程的有限元分析[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)（交通科學(xué)與工程

版），2022，46（3）：477-482.

[3] 陳波，謝喬木，覃杰，等.基于沉降控制的深厚粘土層超長(zhǎng)

樁基的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].港工技術(shù)，2023，60（1）：53-56.

[4] 蘇怡霞.不同地質(zhì)條件下橋梁樁基設(shè)計(jì)選型及施工配合探

討[J].四川水泥，2022，（12）：272-274+277.

[5] 張永.復(fù)雜地質(zhì)條件下橋梁超長(zhǎng)樁基承載特性與施工關(guān)鍵

技術(shù)[J].交通世界，2023（35）：164-166.

[6] 周海華.盾構(gòu)下穿新建高鐵站房橋樁施工方案優(yōu)化設(shè)計(jì)及

風(fēng)險(xiǎn)分析[J].廣東土木與建筑，2023，30（5）：78-82.

[7] 李韜.軟土地區(qū)超長(zhǎng)樁承載特性的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究[J].建筑

結(jié)構(gòu)，2020，50（21）：114-120.