超長樁側摩阻力退化效應數值分析

林驍騁

（上海農工商房地產置業有限公司　上海　201708）

1　有限元模型

1.1　模型建立

本文采用有限元軟件ABAQUS進行模擬分析。根據上海軟土土層特性，將土層簡化為五層，采用修正劍橋模型（Critical state（clay）plasticity model）模擬土體的彈塑性行為。為了真實地模擬超長排樁結構，并能保證運算效率，本文選取三根超長樁組成排樁結構。其中，樁長60m，樁直徑1m，自由高度10m，入土深度50m，樁間距為3m，承臺尺寸為16m×8m×2m。樁身材料為混凝土，故選用理想彈性材料，根據修正劍橋模型要求，樁土單元類型均為C3D8I單元。樁側土體寬度取20倍樁徑，樁端下土體取1倍樁長。

1.2　樁土接觸及邊界條件

為了真實地模擬樁土之間的相對滑動，在樁土界面處設置主-從接觸，定義樁為主面，土為從面，采用庫倫摩擦模型來描述接觸面間的摩擦行為。綜合考慮土層特性，取摩擦系數u=0.3。土體兩側邊界分別約束其水平位移，對土體底部邊界同時施加水平和豎向約束。

1.3　模型加載

為了研究水平荷載、邊載大小和邊載距離對超長樁承載性狀的影響。本文取不同水平荷載大小（0～1200kPa），以均布力形式作用于樁頂，邊載大小（10～200kPa）和邊載距離（2～10m）進行計算分析。在超長樁一側土體表面施加邊載。

1.4　模型驗證

為了驗證模型建立方法的有效性，選用佛山市某現場試驗實例進行模擬。本文選取三號樁進行分析，有限元模擬值和試驗值對比見圖1。模擬的在水平荷載作用下樁頂側移與試驗值大小有少許誤差，變化趨勢基本一致，可見本文的數值模型是準確的。

圖1　試驗值與有限元計算結果對比

2　超長樁側摩阻力退化型式

目前研究樁側阻力的退化一般是指樁身某截面單位側阻力的退化。本文通過一系列有限元模擬計算，發現超長樁隨著外部荷載或樁頂沉降的增加，達到極限后樁身總側阻力反而降低的現象。

如果樁身總側阻力出現了退化，一般是因為樁身大部分截面單位側阻力出現退化所致。對本例中樁進行分析，選取幾個有代表性的截面，分析結果如圖2（a）所示，隨著樁頂沉降的不斷增加，樁身各截面側阻力表現出不同的變化趨勢。樁頂下6m和30m處截面單位側阻力都隨樁頂沉降先增大后減小，最后減小速率變緩，側阻力趨于一個恒定值。這兩個截面單位側摩阻力達到極限后退化時的樁頂沉降分別為20mm和37mm。樁頂下12m處截面單位側阻力隨樁頂沉降先增大后迅速減小，該截面單位側摩阻力達到極限后退化時的樁頂沉降為28mm。樁頂下50m處截面單位側阻力隨樁頂沉降的增大而幾乎呈線性增大，其余三個截面單位側摩阻力達到極限開始退化時，該截面單位側阻力還未完全發揮。

由圖2（b）知，樁身總側阻力隨樁頂沉降的增大而先增大后減小。當樁頂沉降為26mm時，樁身總摩阻力達到極限開始出現退化，退化后總摩阻力不再隨樁頂沉降的增加而提升。所以當樁身大部分截面出現退化時，樁身總摩阻力一般也發生退化效應。

圖2　本文樁身總側阻力退化和截面側阻力退化的比較

由此可見，超長樁樁身側摩阻力發揮是異步的，當上部截面側阻力已經發生退化時，下部截面側阻力才剛開始發揮。其完全發揮所需的樁頂沉降也各不相同，這與樁身不同截面處樁側土層性質存在一定關聯。

由以上分析可以發現，超長樁樁身某些截面單位側阻力退化普遍存在，特別是在樁的上部位置截面，而樁身總側阻力退化只存在部分樁中。

3　側摩阻力退化效應影響因素分析

3.1　荷載比值系數k對側摩阻力退化效應的影響

本節保持其他參數不變，變化k=2，4，6，研究水平荷載和邊載比值大小對樁側摩阻力退化效應的影響。

圖3　不同k下樁身總側阻力退化曲線

由圖3知，在邊載和水平荷載共同作用下，無論是中間樁還是邊部樁，隨著k減小超長樁樁身側摩阻力都出現了不同程度的退化現象，且退化后側摩阻力數值也隨k的減小而減小。當k=2時，中間樁總摩阻力退化后基本保持恒定殘余值，當k=4、6時，中間樁總摩阻力退化后一直降低。而邊部樁總摩阻力退化后一直呈減小趨勢。這主要是因為地基上邊載作用使樁周土體產生附加沉降，引起樁側某些截面出現負摩阻力，導致樁側總摩阻力降低甚至出現側阻退化。根據第四章分析，隨著邊載增大，樁身負摩阻力區域變大。因此，也使得樁身總摩阻力更易出現退化，圖3反映了該現象。

通過實驗發現；邊部樁出現側摩阻力退化現象的時間晚于中間樁。這是由于群樁效應造成的，邊樁附近土體只為邊樁提供側摩阻力，而中間樁附近土體不僅需要提供中間樁的側摩阻力，還需提供邊樁的，因此中間樁側摩阻力更易達到極限，也就更易出現退化現象。

3.2　樁長徑比對側摩阻力退化效應的影響

本節保持其他參數不變，變化樁的直徑d=1，1.2，1.5，此時，相應的長徑比L/D為60，50，40。考察長徑比對側摩阻力退化效應的影響。

通過分析可以發現，長徑比的改變對側摩阻力退化現象影響較大。在樁頂沉降小于20mm時，中間樁與邊部樁的樁身總側摩阻力增長速度都比較快，隨后樁身總摩阻力增長趨勢變緩，直至出現側阻退化，維持在一個殘余強度。隨著L/D的增大，樁身總摩阻力達到極限開始退化時的樁頂沉降減小，其減小形態大致呈線性遞減，退化后所保持的側摩阻力殘余值也隨之大幅減小，中間樁和邊部樁也都遵循這一樁身總摩阻力達到極限后的退化規律。中間樁出現總側阻力退化時所需的樁頂沉降小于邊部樁，即中間樁更易出現側阻退化效應，這與之前的分析吻合。

因此，減小長徑比對延緩側摩阻力退化效應有利，可以有效改善超長樁結構的承載性狀。

3.3　樁土摩擦系數u對側摩阻力退化效應的影響

樁基承載力中側摩阻力是靠樁周土提供的，其發揮前提是樁與樁周土產生相對位移或者具有相對位移趨勢。因此，樁土之間接觸面的力學特性是影響樁基礎承載力和變形的重要因素之一。本文采用庫倫摩擦模型，盡可能真實地描述樁土之間的接觸性狀。

本節保持其他參數不變，變化u=0.2，0.3，0.4，研究樁土界面間的不同摩擦性狀對樁側摩阻力退化效應的影響。

工程上為平衡土層壓力，穩定孔壁，防止塌孔、縮孔，超長鉆孔灌注樁成孔時一般會采用泥漿護壁措施。泥漿護壁成孔往往在樁周形成一薄弱層，即泥皮，厚度從幾毫米到幾厘米不等。由于樁側泥皮的存在，將引起樁土摩擦系數u的降低，使得樁側摩阻力更易出現退化，對超長樁承載性狀產生了嚴重影響。所以工程上應盡量控制泥皮厚度，清除沉渣，提高樁基側阻力。

通過以上研究分析發現，超長樁存在樁側總摩阻力退化現象。在實際工程中需要通過控制邊載大小、清除樁孔泥皮和沉渣、提高樁土接觸面粗糙程度、保證樁端持力層的強度等措施，來避免樁側總摩阻力顯著退化。

4　結語

本章針對邊載與水平荷載共同作用下超長樁側摩阻力退化效應進行研究，闡述了樁身總摩阻力退化現象。就荷載比值系數k，長徑比L/D，樁土接觸面摩擦系數，樁端土層性質以及樁側土層分布情況等相關參數做了影響性分析，并且對超長樁總側摩阻力達到極限后退化時所需樁頂沉降較大這一現象進行了討論，得到了以下一些主要結論：

（1）當樁頂沉降值增大時，樁身某些截面側摩阻力并不是一直增大而會出現回落，這往往導致樁身總側摩阻力退化，影響超長樁的承載性狀。

（2）隨著荷載比值系數k減小，樁側總摩阻力退化效應顯著且中間樁比邊部樁更易出現退化，控制邊載大小可以有效阻礙側摩阻力退化現象產生；隨著樁土接觸面摩擦系數u增大（即由動摩擦轉為靜摩擦），側摩阻力達到極限后退化時的樁頂沉降值不斷升高，當u=0.4時，樁身總摩阻力退化效應明顯減弱。

（3）減小長徑比和增加樁端土強度可以有效延緩側摩阻力出現退化。且側摩阻力退化后保持的殘余恒定值也變小。

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