沉渣對鉆孔灌注樁承載力影響分析

陶 彥

(遼寧建筑職業(yè)學院，遼寧遼陽 111000)

0 引言

基礎(chǔ)工程是建筑工程的重要組成部分，基礎(chǔ)工程的質(zhì)量直接關(guān)系到整個建筑結(jié)構(gòu)的安全。樁基礎(chǔ)是基礎(chǔ)的主要形式之一，隨著高層建筑的蓬勃發(fā)展，結(jié)構(gòu)體越發(fā)得復(fù)雜，地下空間的利用也越發(fā)地被重視起來，樁基礎(chǔ)逐漸成為了許多建筑首選的基礎(chǔ)類型。

鉆孔灌注樁因其施工工藝簡單、適用性強、造價低等特點，在建筑基礎(chǔ)工程中得到了廣泛的應(yīng)用。但是由于成孔、灌注混凝土、成樁都處于隱蔽狀態(tài)，因此往往樁基工程在設(shè)計、施工、質(zhì)量檢測等方面都比上部結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，更容易存在質(zhì)量隱患。在施工過程中，由于受施工設(shè)備、技術(shù)及工藝水平的影響，樁底沉渣控制難度較大，許多工程樁的樁底不可避免的殘余有一定厚度的沉渣，對單樁承載力影響頗大。

本文通過大型有限元分析軟件ADINA對樁體進行二維模擬，并采用大型數(shù)值分析軟件MATLAB對得出的數(shù)據(jù)進行擬合，得出相應(yīng)的經(jīng)驗公式，進而研究不同樁底沉渣厚度對鉆孔灌注樁承載力的影響，具有一定的工程應(yīng)用價值。

1 工程實例

蓋州北海新區(qū)住宅回遷樓基礎(chǔ)鉆孔灌注樁工程，采用的是反向循環(huán)泥漿護壁鉆孔灌注樁，樁體為埋頭樁，高程采用絕對高程，本工程±0相當于絕對高程的13.4 m，樁頂標高為－3.7 m，樁體設(shè)計承載力為2 500 kN。選取其中一根工程樁C15-24為例，其孔口高程為－0.63 m，鉆機采用反向回轉(zhuǎn)鉆機，導(dǎo)管直徑200 mm，混凝土采用C25商用混凝土，坍落度為207 mm，充盈系數(shù)為1.16，泥漿比重為1.16，樁體垂直度小于樁長的1%，灌注時導(dǎo)管距離井底0.6 m，鋼筋籠長16.6 m。

鉆孔范圍內(nèi)地質(zhì)情況見表1。

表1 C15-24鉆孔范圍內(nèi)地質(zhì)情況

2 仿真模擬

有限元分析模型中，在樁頂施加均布荷載，為簡化起見，只考慮一層巖土體的情況，在樁與土體的側(cè)面接觸部分設(shè)置了接觸面，樁底無接觸面，采用了標準的約束條件，即限制了邊界上的水平變形，只允許產(chǎn)生豎向變形。當樁頂總位移量不小于35 mm，本級荷載的下沉量不小于前一級荷載的下沉量的5倍時，即終止加載，取終止時荷載小一級的荷載為極限荷載。當樁頂總位移量小于35 mm時，若P—S曲線呈陡變型曲線，取陡變的前一級荷載為殘余承載力的極限值。

采用大型有限元分析軟件ADINA對樁體進行二維模擬分析，簡化模型圖見圖1。

圖1 簡化模型圖（單位：m）

模型中樁體采用各項同性線彈性體模型，土體采用Mohr-Coulumnb模型，計算參數(shù)見表2。

表2 模型參數(shù)

提取數(shù)據(jù)后，利用MATLAB根據(jù)所得數(shù)據(jù)繪出不同沉渣厚度所對應(yīng)的P—S曲線，見圖2。

圖2 不同沉渣厚度所對應(yīng)的P—S曲線

根據(jù)圖2可以看出，與無沉渣的鉆孔灌注樁相比，沉渣厚度較大的鉆孔灌注樁的P—S曲線由“平緩型”過渡為“突變型”，進而表明其破壞形式將由局部剪切破壞轉(zhuǎn)變?yōu)闃都獯倘肫茐摹Ｒ蚨鴮?dǎo)致樁體的承載力大幅下降。

根據(jù)不同沉渣厚度所對應(yīng)的P—S曲線可以得出不同沉渣厚度所對應(yīng)的殘余承載力曲線，并利用MATLAB進行擬合，對比圖見圖3。

從圖3可以看出圖像大致符合指數(shù)分布，利用MATLAB編寫如下程序:

圖3 不同沉渣厚度所對應(yīng)的殘余承載力曲線

根據(jù)擬合結(jié)果可以得出樁體殘余承載力的經(jīng)驗公式，如式(1)所示。

式中:F'——殘余承載力，kN;

h——樁底沉渣厚度，mm;

F——樁底無沉渣情況下樁體承載力，kN。

可以看出，樁體殘余承載力隨樁底沉渣厚度的增加而呈指數(shù)形式降低，并與周圍土體的性質(zhì)有關(guān)。當沉渣厚度達到一定值時對樁體殘余承載力的影響作用趨于平緩。

提取相關(guān)數(shù)據(jù)得出不同荷載作用下樁頂位移和沉渣厚度關(guān)系曲線，見圖4。

圖4 不同荷載作用下樁頂位移和沉渣厚度關(guān)系曲線

由圖4可以看出，樁頂所施加的荷載及樁底沉渣厚度對樁頂位移均有影響，當荷載不變時，樁頂位移與沉渣厚度呈指數(shù)關(guān)系，當沉渣厚度小于200 mm時，對樁頂位移影響較大，當沉渣厚度超過200 mm以后，對樁頂位移影響較小。

3 結(jié)語

鉆孔灌注樁在施工過程中，由于多種原因，樁底沉渣控制難度較大，對單樁承載力影響頗大。

本文利用大型有限元分析軟件ADINA和數(shù)值分析軟件MATLAB對不同厚度樁底沉渣樁體進行模擬，通過分析得出如下結(jié)論:

1)與無沉渣的鉆孔灌注樁相比，沉渣厚度較大的鉆孔灌注樁的P—S曲線由“平緩型”過渡為“突變型”，進而表明其破壞形式將由局部剪切破壞轉(zhuǎn)變?yōu)闃都獯倘肫茐摹Ｒ蚨鴮?dǎo)致樁體的承載力大幅下降;

2)樁體殘余承載力隨樁底沉渣厚度的增加而呈指數(shù)形式降低，并與周圍土體的性質(zhì)有關(guān)。并且根據(jù)P—S曲線，利用MATLAB模擬出相應(yīng)的經(jīng)驗公式;

3)當沉渣厚度在100 mm以內(nèi)時，對樁體的承載力削弱比較大，但是當沉渣厚度達到一定值時，對樁體承載力的影響作用趨于平緩;

4)樁頂所施加的荷載及樁底沉渣厚度對樁頂位移均有影響，當荷載不變時樁頂位移與沉渣厚度呈指數(shù)關(guān)系，當沉渣厚度小于200 mm時，對樁頂位移影響較大，當沉渣厚度超過200 mm以后，對樁頂位移影響較小。

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