經排水固結的中心排水注漿混凝土樁承載特性數值分析

王 凱， 王 飛

(1.重慶交通大學，重慶 400074；2.重慶市高新工程勘察設計院，重慶 401121)

樁體復合地基由樁體和樁周土共同承擔上部荷載，是一種較理想的地基處理技術[1]。目前對樁體復合地基工作性狀的研究廣泛。李丹等[2]研究了混凝土芯水泥土攪拌樁復合地基在褥墊層作用下的承載特性，證實了褥墊層會從剛度較大的樁體“流動”至剛度較小的樁間土進行擠壓，達到樁間土承擔更多荷載的效果；崔瑩等[3]利用有限元研究了不同樁土相對剛度對復合地基承載特性的影響，表明灰土樁復合地基較素混凝土樁復合地基存在更為明顯的應力集中現象；安關峰等[4]研究了不同彈性模量下旋噴樁復合地基承載特性，表明隨著樁-土相對剛度增加，樁-土應力比越大；陸清元等[5]研究了路堤下剛性樁復合地基樁-土應力比理論解，闡述了樁-土剛度差異降低，樁-土應力比則逐漸減小；劉毅等[6]研究了不同樁體性質條件的復合地基性狀，得到了樁身模量增加，樁體分擔的荷載相應增加；李俊圓[7]借助離心模型試驗研究了柔性基礎下剛性樁復合地基性狀，揭示了隨著樁間土的固結，樁間土強度增大，土的應力也逐漸增大。以上研究均表明樁體復合地基受力情況與樁-土剛度、軟土強度緊密相關，樁-土相對剛度差異越大，軟土強度越小，則樁體應力越集中，樁-土應力比值也越大，相應樁承擔的荷載越大，隨之樁周土承載力發揮越小。據此，圍繞以樁體和樁周土承載能力同步達到最大限度的研究深入開展，一批新型復合地基處理技術不斷涌現，如混凝土芯砂石樁、漿固碎石樁、高噴插芯組合樁、透水性混凝土樁、中心排水注漿混凝土樁等技術。這些新技術立足改善樁周軟土性質，強度和剛度特性提高，改善樁-土受力條件，從而樁-土發揮至較理想的承載狀態，復合地基承載能力得以最大發揮。文獻[8]提出中心排水注漿混凝土樁樁體復合加固技術，它是一種可排水和可注漿的新型復合地基加固技術。

為較全面了解中心排水注漿混凝土樁經過排水固結后單樁復合地基承載性狀，利用PLAXIS有限元軟件，建立了對經過真空負壓排水加固后的中心排水注漿混凝土樁、普通預制混凝土樁兩類樁型靜載荷試驗對比計算模型，探究單樁復合地基的荷載-沉降關系、樁-土應力比、樁身軸向應力、側向摩阻力等承載特性規律。旨在取得能夠指導中心排水注漿混凝土樁設計的有益科研成果，推動其應用實踐。

1 模型建立

中心排水注漿混凝土樁是一種可排水、可注漿的剛性樁體結構，如圖1所示。

圖1 中心排水注漿混凝土樁的排水加固構造Fig.1 The drainage consolidation structure of central drainage and grouting concrete pile

研究考慮排水固結的樁土承載作用的有限元分析，需要構建中心排水注漿混凝土樁“真空負壓排水固結”后的承載性能數值分析工作體系。以單樁復合地基為研究對象，將樁、土以及載荷板視為一個相互作用的結構體系，考慮樁-土接觸界面特性、軟基的非線性特征等影響，采用PLAXIS3D有限元建立中心排水注漿混凝土樁和普通預制混凝土樁單樁復合地基計算模型。

1.1 模型構建

考慮實際情況，中心排水注漿混凝土樁與普通預制混凝土樁均采用直徑0.8 m，樁長9.5 m的混凝土樁，樁頂載荷板采用3 m×3 m方形板，其中中心排水注漿混凝土樁排水孔采用星狀對向螺旋型布置，孔徑為30 cm，共27個，在PLAXIS3D軟件[9]中通過排水面實現。地基模型尺寸為長30 m、寬30 m、高35 m，地基軟土為35.0 m厚性質均勻飽和軟黏土。以此，構建了PLAXIS3D數值計算簡化模型，如圖2所示。

圖2 單樁復合地基模型Fig.2 A schematic of the single-pile composite foundation

1.2 材料模型及參數

飽和軟黏土采用彈黏塑性模型，能夠較好反映樁-土相互作用非線性特性和強度軟化特征，軟土計算參數如表1所示。按照PLAXIS模型手冊提供的本構模型評價等級表[10]，混凝土樁體采用摩爾-庫侖模型，樁體計算參數如表2所示。樁-土界面相互作用力學行為是通過PLAXIS3D有限元構造接觸界面單元實現，界面模型采用理想彈塑性模型，該模型能夠考慮樁-土在接觸界面上滑移、分離等情況。

表1 軟土計算參數

表2 樁體計算參數

1.3 模型條件

兩組試驗模型均在相同條件下進行，相同條件是指加載條件、樁土體參數、網格劃分等均相同。不同條件：按照中心排水注漿混凝土樁結構特點，對其單樁復合地基實施30 d的真空負壓排水固結，真空負壓大小為90 kPa，形成圖3所示的有效真空壓力。而普通預制混凝土樁結構不具排水固結條件，其單樁復合地基未進行真空負壓軟基加固措施，在PLAXIS3D有限元中通過控制排水面狀態，在同一個模型不同工況條件下實現對中心排水注漿混凝土樁和普通預制混凝土樁單樁復合地基模型計算，排水固結具體內容詳見文獻[10]。

圖3 有效真空壓力分布Fig.3 The distribution of effective vacuum pressure

靜載荷板試驗加載方案如下：采用分級加載，共分12級，荷載沿載荷板均勻分布，每級加載量為25 kPa，從荷載0 kPa分級加至最大荷載300 kPa。

2 結果分析

中心排水注漿混凝土樁(樁Ⅰ)和普通預制混凝土樁(樁Ⅱ)單樁復合地基靜荷載模型計算結果主要為荷載-沉降曲線、樁身軸向應力分布圖、樁土界面剪應力分布圖、樁-土應力比曲線等。根據計算結果對比分析中心排水注漿混凝土樁與普通預制混凝土樁承載性狀行為。

2.1 荷載-沉降曲線特性

單樁復合地基荷載-沉降曲線(P-S曲線)是樁土復合地基破壞機理和破壞模式的宏觀表現，如圖4所示。從圖4可以看出：

(1)樁Ⅰ和樁Ⅱ單樁復合地基P-S曲線變化規律有相似性，都表現出隨著荷載逐級施加，兩樁復合地基沉降量亦隨之增加。但曲線整體表現形式不同，前者為緩變型，后者為陡降型。樁Ⅰ單樁復合地基P-S曲線表現形式為緩變型，說明在荷載作用下樁端未發生刺入剪切破壞，反映出中心排水注漿混凝土樁單樁復合地基以樁-土剪切作用為主的力學行為。樁Ⅱ單樁復合地基P-S曲線表現形式為陡降型，說明在荷載作用下樁Ⅱ單樁復合地基進入發生刺入剪切破壞，表現出較大的且長時間的劇烈沉降。值得一提的是，第一級荷載施加初始，樁Ⅰ單樁復合地基出現小荷載引起劇烈沉降的現象，分析認為經過排水固結沉降，樁Ⅰ沿樁身分布著負摩阻力，負摩阻力引起了劇烈沉降。實際工程中建議在加載前對其進行預壓處理，消除樁身負摩阻力。

(2)根據《建筑地基處理技術規范》JGJ 79—2012[11]要求，對于樁Ⅱ單樁復合地基P-S曲線表現形式為陡降型，極限承載力為P-S曲線拐點對應的荷載，其單樁復合地基極限承載力約為250 kPa，相應復合地基承載力為125 kPa。對于樁Ⅰ單樁復合地基P-S曲線表現形式為緩變型，極限承載力為沉降比(b為載荷板寬度)對應的荷載，其單樁復合地基極限承載力約為550 kPa，相應復合地基承載力為275 kPa。比較而言，中心排水注漿混凝土樁單樁復合地基極限承載力較普通預制混凝土樁極限承載力提高了約120%，說明中心排水注漿混凝土樁真經過排水固結后能有顯著改善地基承載性能。

圖4 單樁復合地基靜載荷試驗的P-S曲線Fig.4 P-S curve of static load test for single pile composite foundation

2.2 樁身軸向應力分布規律

圖5、圖6所示分別為在最后一級荷載作用下，樁Ⅰ和樁Ⅱ單樁復合地基的樁身軸向應力分布情況。從圖5、圖6可以看出，中心排水注漿混凝土樁和普通預制混凝土樁均存在一定程度的應力集中，但是兩者軸向應力沿樁深存在顯著不同，中心排水注漿混凝土樁樁身軸向應力分布呈上下兩端小中間大的梭形，而普通預制混凝土樁樁身軸向應力分布呈上大下小的形狀。在最后一級荷載作用下，中心排水注漿混凝土樁單樁復合地基的樁頂軸向應力為569 kPa，普通預制混凝土樁單樁復合地基的樁頂軸向應力為794 kPa。說明相同荷載等級下，中心排水注漿混凝土樁單樁復合地基樁頂軸向應力明顯低于普通預制混凝土樁單樁復合地基樁頂軸向應力，反映中心排水注漿混凝土樁單樁復合地基樁周土能夠分擔更多荷載。

圖5 中心排水注漿混凝土樁軸向應力分布Fig.5 Axial stress distribution of central drainage and grouting concrete pile

圖6 普通預制混凝土樁軸向應力分布Fig.6 Axial stress distribution of ordinary precast concrete pile

2.3 側摩阻力分布規律

在PLAXIS3D中側摩阻力是通過樁土接觸界面上剪切應力大小來表征的，樁周土體產生剪切變形，以剪切應力形式產生側摩阻力。以最后一級荷載作用下樁土界面剪應力圖為例，對比分析中心排水注漿混凝土樁(樁Ⅰ)單樁復合地基和普通預制混凝土樁(樁Ⅱ)單樁復合地基側摩阻力分布規律，如圖7、圖8所示。

圖7 樁Ⅰ單樁復合地基樁土界面剪應力Fig.7 Shear stress of pile-soil interface for the pile Ⅰ

圖8 樁Ⅱ單樁復合地基樁土界面剪應力Fig.8 Shear stress of pile-soil interface for the pile Ⅱ

可以看出，在最后一級荷載下樁Ⅰ和樁Ⅱ單樁復合地基樁-土界面剪切應力的分布特征明顯不同。樁Ⅰ單樁復合地基樁土界面剪切應力沿樁深分布呈上、下兩端小，中間大的梭形，這與軸向應力分布規律相似，樁體上部出現負剪切應力(對應負摩阻力)，樁體下部出現正剪切應力(對應正摩阻力)，樁體表現出明顯的上部“削弱效應”、下部“增強效應”的特點。中性點位置在樁深3.7 m位置，約在樁體上部1/3長度左右，這是因真空負壓樁周軟土固結沉降沿樁深分布負摩阻力。在8.8 m深度處達到最大正摩阻力，大小為27 kN/m2。

樁Ⅱ單樁復合地基樁土界面剪切應力沿樁深分布呈上小中大下直的形狀，剪應力的符號沒有發生變化，樁身出現正剪切應力(對應正摩阻力)，最大正摩阻力在樁深8.5 m位置，大小為16 kN/m2。

比較分析單樁復合地基靜載荷試驗側摩阻力發揮程度，中心排水注漿混凝土樁的樁土界面極限側摩阻力為普通預制混凝土樁極限側摩阻力的2.5倍左右，得益于中心排水注漿混凝土樁的樁側軟土快速排水固結，使得軟土有效應力增加，軟土強度的提高，改善了樁土接觸界面的力學特性。

2.4 樁土應力比-荷載曲線對比分析

樁土應力比體現了復合地基受到荷載作用時樁體應力集中程度，它的變化直接表現為樁土復合地基承載力的分擔情況。借助單樁復合地基靜載荷試驗數值計算，得到各個荷載作用下相應的樁頂應力和樁周土應力，繪制得到樁Ⅰ和樁Ⅱ單樁復合地基樁土應力比與荷載關系曲線，如圖9所示。

可以看出，樁土應力比均隨荷載增加而逐漸增大，樁體出現應力集中現象。在每級荷載作用下，樁Ⅰ和樁Ⅱ樁土應力比值是不同的，且變化規律存在較大的差異，隨著荷載等級增大，樁Ⅰ單樁復合地基樁土應力比趨于較平衡狀態，樁Ⅱ單樁復合地基樁土應力比呈波動遞增狀態。中心排水注漿混凝土樁樁土應力比穩定值大約在15左右，對應的樁土荷載分擔比約為0.88，則樁周土承擔荷載約占總荷載的53.2%，普通預制混凝土樁最終樁土應力比大約在28左右，對應的樁土荷載分擔比約為1.65，則樁周土承擔荷載約占總荷載的37.7%。可見，中心排水注漿混凝土樁單樁復合地基樁土應力比明顯小于普通預制混凝土樁單樁復合地基樁土應力比，樁周土分擔荷載能力增強。分析原因：相比樁Ⅱ單樁復合地基，樁Ⅰ單樁復合地基采取了真空負壓排水固結，軟基強度和剛度均得到提高，從而樁周土分擔荷載能力增加以及自身承載能力提高，從而樁周土發揮了較大的承載作用，減少了樁體的受力。

3 結論

針對中心排水注漿混凝土樁單樁復合地基經過排水固結后的承載性狀，展開了靜載荷試驗數值模擬研究工作，獲得單樁復合地基P-S關系、樁-土應力比、樁身軸向應力、樁側剪應力等承載特性規律，揭示中心排水注漿混凝土樁承載性狀增強機理。結論如下。

(1)承載力方面，中心排水注漿混凝土樁單樁復合地基極限承載力較普通預制混凝土樁單樁復合地基極限承載力提高了約120%。在樁-土荷載分擔方面，中心排水注漿混凝土樁單樁復合地基樁土應力比明顯小于普通預制混凝土樁單樁復合地基樁土應力比，樁周土分擔荷載能力增強。

(2)中心排水注漿混凝土樁經過排水固結沉降，沿樁身存在負摩阻力，負摩阻力一定程度上削弱樁的承載能力，實際工程中建議在承載前對其進行預壓處理。盡管如此，中心排水注漿混凝土樁的樁土界面極限側摩阻力為普通預制混凝土樁極限側摩阻力的2.5倍左右，中心排水注漿混凝土樁的樁側軟土排水固結，軟土有效應力增加，改善了樁土接觸界面的力學特性。

(3)經過30 d真空負壓排水固結，中心排水注漿混凝土樁單樁復合地基樁周軟土性質得以改善，強度和剛度特性得到提高，增強了樁周軟土的承載力。此外，樁-土受力條件也得到改善，讓樁周軟土的承載力充分發揮。因此，中心排水注漿混凝土樁樁體復合地基能夠使得樁體和樁周土趨于同步發揮承載力極限狀態，承載能力得到極大提高。