豎向荷載作用下單斜樁承載力及可靠性分析

楊德鋒，王玉華，李 絲，袁周祥

(1.河北工程大學 水利水電學院，河北 邯鄲 056038； 2.中機國際工程設計研究院有限責任公司 華東分院，南京 210023)

1 概 述

某污水處理廠氧化溝采用混凝土樁基礎，樁基礎施工結束后，施工單位在氧化溝北側進行開挖管道施工，當開挖到設計標高后發(fā)現(xiàn)氧化溝北側的樁頭向北側傾斜，且越靠近北側樁基傾斜越大。如果將這些傾斜程度較小的傾斜樁作為廢樁來處理，將會造成較大的經濟損失，所以有必要對其豎向承載力做進一步研究。呂凡任和陳云敏[1]等對任意傾斜角的斜樁在承受任意平面荷載作用的工作性狀進行研究時提出彈性分析理論法；付茹[2]基于顆粒離散元理論研究了樁身側摩阻力的變化，在樁體受力過程中，樁端阻力和樁側摩阻力是互相關聯(lián)的。杜冰[3]利用Bayes方法對在小子樣下單樁極限承載力的設計值進行了精確估算。李志剛[4]通過有限元分析得出當荷載較小時,荷載-沉降曲線接近,而隨著荷載的增大,斜樁的沉降小于豎直樁；樁頂沉降對于樁體的承載力有一定關系,Wrana B[5]給出樁體承載力的計算方法，需要根據(jù)樁體荷載-沉降曲線來得到，那么對樁體在豎向荷載作用下的沉降研究很有必要。為此，本文在現(xiàn)場靜載試驗的基礎上進行有限元數(shù)值仿真模擬，分析樁身傾角對傾斜樁沉降的影響，并與豎直樁的沉降進行對比。

2 單樁豎向抗壓靜載試驗分析

工程設計要求對傾角6°以上的傾斜樁做單樁豎向抗壓靜載試驗，要求最大承載力為300 kN，承載力檢測值以豎向位移5 mm控制，圖1為裝置平面示意圖?，F(xiàn)場試驗依據(jù)《建筑基樁檢測技術規(guī)范》(JGJ 106-2014)[6]中單樁豎向抗壓靜載試驗方法進行加載，現(xiàn)場地質勘查土層剖面圖及物理參數(shù)分別見圖1和表1。

圖1 土層剖面圖

表1 試樁所在地層物理參數(shù)及有關指標

現(xiàn)場靜載試驗采用慢速維持荷載法，每級荷載達到相對穩(wěn)定后加下一級荷載，直到加載至設計要求最大加載值，每級荷載為設計要求最大加載值的1/10。

對圖2的969#樁靜載試驗結果分析可知，傾斜角度為6.7°的樁體Q-s曲線圖呈緩變型，按照設計要求s=5.0 mm，當加載至設計要求的最大加載值為300 kN穩(wěn)定時,樁頂最終沉降量為4.52 mm，樁體未發(fā)生陡降破壞。最大加載完成后進行單樁樁身完整性檢測，樁體未發(fā)生彎曲破壞，由此說明傾斜角度不大的傾斜樁還是具有一定的豎向承載力，仍可以承受豎向荷載。

圖2 969#樁靜載試驗Q-s圖

3 傾斜樁承載力數(shù)值方法分析

利用COMSOL Multiphysics有限元軟件建立三維樁-土模型對現(xiàn)場靜載試驗969#樁(傾斜角為6.7°)進行仿真模擬，經過參數(shù)反演，最終得到樁頂沉降規(guī)律與現(xiàn)場試驗的荷載-沉降曲線相吻合的樁土模型參數(shù)，然后根據(jù)此模型的參數(shù)進行數(shù)值模擬，研究分析樁身在不同傾斜程度時的承載力和樁頂沉降規(guī)律。

對傾斜樁的數(shù)值模擬過程做如下的假定：①傾斜樁體的工作性狀不受周圍其他建筑物的影響；②模型中土壤參數(shù)均勻，且各向異性；③不考慮地震等不可抗力對傾斜樁體及土體的影響。

3.1 樁-土模型建立

模型傾斜樁徑d為400 mm，樁長L為22 m，為了消除邊界條件對模型計算精度的影響，樁周土體采用半徑為50d=20 m(土體半徑遠大于樁體半徑)，對工程現(xiàn)場土層情況進行一定的簡化，上層土厚度為14.5 m，下層土厚度為15.5 m，圖3為有限元模擬樁土的剖面圖。土體側向邊界設置固定約束來限制其兩個水平方向上的位移，土體底邊界也設置固定約束來限制其在豎直方向和兩個水平方向上的位移，三維有限元模型見圖4。

圖3 有限元模擬樁土的剖面圖

圖4 傾斜樁有限元模型

3.2 樁-土模型參數(shù)

3.2.1 土

土體采用COMSOL Multiphysics有限元數(shù)值模擬計算軟件內嵌的Drucker-Prager準則匹配Mohr-Coulomb準則模型[7]。模型土體物理參數(shù)取地質勘探報告中土層參數(shù)，見表2。樁、土之間的接觸采用接觸對來實現(xiàn)，接觸對中將樁體表面設定為源邊界，土體表面設定為目標邊界。通過庫倫摩擦模型來描述樁-土表面的接觸屬性。

表2 模型土體物理參數(shù)

3.2.2 混凝土樁

在本次有限元模擬中樁體采用呂凡仁提出的彈性分析理論法將樁體視作彈性模型[1]，數(shù)值模擬中傾斜樁的物理參數(shù)見表3。

表3 傾斜樁體物理參數(shù)

4 傾斜樁承載力數(shù)值模擬結果

4.1 模擬現(xiàn)場靜載試驗結果

根據(jù)施工現(xiàn)場地質勘探報告中的各土層物理力學參數(shù)資料，土體參數(shù)反演分析后有限元數(shù)值模擬與實測結果趨同,并且可以得出各土層楊氏模量折減系數(shù)接近0.85[8]，反復調整后，上下土層的楊氏模量分別為15.34和39.70 MPa。數(shù)值計算得到傾斜角為6.7°傾斜樁的結果與現(xiàn)場靜載試驗所得樁頂荷載-沉降曲線的對比圖見圖5。在樁頂荷載為300 kN時，數(shù)值模擬結果和現(xiàn)場實驗結果相差4%，COMSOL有限元數(shù)值模擬結果和現(xiàn)場試驗所得荷載沉降曲線基本吻合，荷載-沉降曲線屬于緩變形。

圖5 數(shù)值模擬與靜載試驗樁頂荷載-沉降曲線

4.2 傾斜樁有限元數(shù)值模擬結果分析

圖6為樁頂在各級豎向荷載作用下，樁身傾角對傾斜樁樁頂沉降的影響。由圖6可知，樁頂沉降隨著傾斜角的增大而增大；當傾斜角小于8°時，斜樁的荷載-沉降曲線形態(tài)相似，均為緩變形，但是傾斜角為12°的斜樁荷載-沉降曲線在加載后期出現(xiàn)陡降趨勢；當傾斜角小于8°時，在各級荷載作用下豎直樁與各傾斜樁樁頂沉降基本相同，對于傾斜角為10°和12°的傾斜樁，豎向荷載為240 kN時，樁頂沉降比豎直樁分別增加17%和29%；豎向荷載為300 kN時，樁頂沉降比豎直樁分別增加19%和37%。

由柱狀對比圖可知，當荷載為240 kN時，傾斜角為2°、4°和6.7°的傾斜樁的樁頂沉降分別為2.83、2.94和3.02 mm，此時豎直樁的樁頂沉降量為3.17 mm。當荷載為300 kN時，傾斜角為2°、4°和6.7°的傾斜樁的樁頂沉降分別為4.37、4.44和4.57 mm,此時豎直樁的樁頂沉降量為4.88 mm。因此，在同等荷載下，對于傾斜角不大于8°的斜樁的沉降反而小于豎直樁。樁體豎向承載力是由樁側摩阻力和樁端阻力來維持，所以該結果與樁體兩側摩阻力以及樁端阻力的變化有關。

圖6 樁頂荷載-沉降曲線

5 結 論

1) 969#樁體的現(xiàn)場靜載試驗說明，傾斜角度不大的傾斜樁還是具有一定的豎向承載力，仍可以承受豎向荷載。

2) 基于有限元軟件建立樁-土共同作用的數(shù)值模型，通過折減樁土的楊氏模量模擬樁體在土層中的沉降反演樁-土力學參數(shù)，可以得到與現(xiàn)場單樁靜載試驗相吻合的荷載-沉降曲線。

3) 有限元結果分析表明，傾斜樁體沉降量在相同樁頂豎向荷載作用下，隨著傾斜角度的增大而增大，傾斜角度小于8°時為緩變型，大于10°后為陡增型；在樁體剛度足夠大的情況下(樁體極限荷載內)，傾斜角在8°以內樁頂沉降小于豎直樁。