水閘基礎灌注樁豎向承載力的判定方法對比研究

蘇曉棟，孟星宇，李 致，何建新，陳燦明

(1.南京水利科學研究院， 江蘇 南京 210029；2.水利部水科學與水工程重點實驗室， 江蘇 南京 210029)

建筑物的基礎處理中，灌注樁具有地質適應性強、施工技術成熟、成本較低等優點廣泛應用于橋梁、水利水運及房建工程中。鉆孔灌注樁最大樁徑可達4.5 m，最大樁長可達125 m。應用于水利工程的水閘基礎灌注樁的樁徑一般為0.6 m～1.5 m，樁長20 m～30 m左右[1-2]。目前對于灌注樁承載力確定主要靜載試驗、高應變、自平衡和基于地勘資料的經驗估算法等，由于靜載試驗法雖然準確可靠，但試驗時間長，成本相對大，代表性差，受試驗設備限制，僅用于鉆孔灌注柱承載力的檢驗。隨著計算機技術的發展，已有學者通過有限元對缺陷灌注樁加固處理后的承載力進行分析[3-5]。為探索達到一定精度、經濟、快速的鉆孔灌注樁承載力確定方法，以某水利工程節制閘底板的兩根灌注樁為對象，分別采用ABAQUS有限元數值分析、現場高應變試驗及根據地勘資料采用規范方法推求的承載力進行對比分析，為灌注樁在軟土地基中的優化設計和推廣運用提供技術支撐。

1 基于ABAQUS的數值模擬分析

1.1 有限元模型

采用ABAQUS有限元軟件計算分析節制閘基礎底板兩根灌注樁豎向承載性能(1#、2#灌注樁)，樁徑0.80 m、樁長32.04 m、混凝土強度等級C25，灌注樁樁底持力層位于黏質粉土層。1#、2#灌注樁經反射波法和高應變法檢測，樁身完整，為I類樁。鋼筋混凝土灌注樁采用線彈性本構模型，強度等級C25。地基土體采用Mohr-Coulomb彈塑性本構模型，以灌注樁鄰近的鉆孔土層物理力學指標作為土體模型參數[6-8]。

灌注樁模型樁周土體取25倍樁徑，土層總厚度取1.5倍灌注樁入土深度。有限元模型網格采用漸變網格，樁周環向由圓心至圓周網格長度從0.4 m漸變至2.0 m，土體范圍內樁端土層區域每隔0.5 m劃分一個單元，其余土層每隔2.0 m劃分一個單元。樁體和土體的單元均采用三維八節點減縮積分單元(C3D8R)。模型底部邊界設置固定約束，四周邊界設置法向水平位移約束。樁-土接觸面單元法向模型設為硬(hard)接觸，切向摩擦模型采用彈性滑移變形，服從Coulomb摩擦定律。地應力平衡采用理論計算法，通過編輯關鍵語句*initial conditions, type=stress, geostatic輸入樁和土體的初始預應力場進行平衡。為保證樁-土建立正確的初始接觸狀態，地應力平衡時設置樁體重度與土體相同，在下個分析步中樁體重度再設置為實際值即可[9]。

圖1 樁土三維有限元模型

1.2 模型參數

(1)土層分布及指標。基坑開挖后閘底板位于Ⅲ1淤泥質黏土夾粉土上，下臥Ⅲ2淤泥質粉質黏土和粉土互層、Ⅲ3淤泥質黏土層、Ⅴ1黏質粉土層及Ⅴ2粉砂層，灌注樁樁尖位于Ⅴ1黏質粉土層。1#、2#灌注樁附近均有地勘孔，土層分布見圖2，土層厚度及物理力學指標見表1。

圖2 試驗樁土層分布示意圖

表1 灌注樁模型土層分布及物理力學參數

(2) 鋼筋混凝土灌注樁。1#、2#灌注樁樁徑0.80 m、樁長32.04 m、混凝土強度等級C25，鋼筋混凝土樁身綜合彈性模量3.8×104MPa，密度2 400 kg/m3，泊松比為0.30。

(3) 設計單樁豎向抗壓極限承載力標準值950 kN。

(4) 為研究灌注樁在豎向荷載作用下的承載性能，對灌注樁的承載過程進行全程模擬，取3倍左右設計單樁豎向抗壓極限承載力標準值進行加載，單級荷載200 kN，分13級逐級施加，初始荷載為單級荷載兩倍即400 kN，最大計算荷載2 800 kN。

1.3 數值模擬結果分析

1.3.1 樁頂位移

根據數值模型計算結果繪制的1#、2#灌注樁豎向荷載與樁頂位移曲線、豎向荷載與樁頂位移級差曲線見圖3。

圖3 豎向荷載與樁頂位移及位移級差曲線

計算結果表明：

(1) 豎向荷載作用前期，樁頂位移Z隨荷載H增加近似線性增大，加載后期樁頂位移Z隨荷載H增加近似拋物線增大，其變化可近似用二項式表示：Z1#=0.000002H2+0.0004H(R2=0.9577，H(kN)，Z(mm)，下同)、Z2#=0.000002H2+0.002H(R2=0.9654)。

(2) 從豎向荷載與樁頂位移級差曲線可以看出，加載前期各荷載級的樁頂位移級差變化不大，曲線近似呈水平線；直至后期某一級荷載，曲線出現明顯拐點斜向上發展，1#樁拐點位于2 000 kN處，對應樁頂位移8.60 mm；2#樁拐點位于2 200 kN，對應樁頂位移11.32 mm。

(3) 1#樁和2#樁的荷載與樁頂位移曲線規律基本一致，加載前期2#樁樁頂位移略大于1#樁，在加載后期1#樁和2#樁樁頂位移基本接近，且2#樁加載曲線比1#樁出現拐點遲，說明灌注樁前期位移大小與最終極限承載力不一定正相關，2#樁豎向承載性能略優于1#樁。

1.3.2 樁側摩阻力及樁端阻力

數值模型計算的各級豎向荷載作用下灌注樁樁身側摩阻力分布[10](扣除灌注樁自重影響)如圖4所示。

圖4 不同豎向荷載下樁身側摩阻力分布

計算結果表明：

(1) 各土層樁側摩阻力和樁端阻力均隨豎向荷載增加有不同程度增長，從曲線特征上看，1#樁和2#樁主要由淤泥質粉質黏土與粉土互層和淤泥質黏土層為主提供側摩阻力，樁尖所在黏質粉土層受厚度和距樁底距離影響，其側摩阻力未能有效發揮。

(2) 1#樁在3倍設計豎向荷載標準值作用下，樁側摩阻力Qs隨荷載H呈現反拋物線增大，近似用二項式Qs1#=-0.00004H2+0.8853H表示(R2=0.9997)，與之相反，樁端阻力呈拋物線增長，說明樁頂位移拐點出現的加載后期1#樁樁側摩阻力和樁端阻力仍能隨豎向荷載增加而有效發揮，但位移速率比加載前期要大。

(3) 2#樁在2.5倍設計豎向荷載標準值作用下，樁側摩阻力Qs隨荷載H變化可近似用二項式Qs2#=-0.00003H2+0.8752H表示(H∈[0,2400]，R2=0.9999)，樁端阻力則呈拋物線增長。大于2.5倍設計豎向荷載標準值作用時，樁側摩阻力Qs基本不再增加，而樁端阻力快速增大，說明1#樁在加載到2.5倍設計豎向荷載標準值時樁側摩阻力已達極限，樁體出現下滑趨勢。

(4) 灌注樁樁側摩阻力達到極限出現整體滑移趨勢前，樁側摩阻力與樁端阻力比值為17.42%～24.89%；樁體出現下滑趨勢時樁側摩阻力與樁端阻力比值最大可達44.11%。

1.3.3 樁截面軸力

扣除樁體自重應力后，不同豎向荷載下灌注樁截面軸力變化曲線[11]見圖5。

計算結果表明：

(1) 隨著豎向荷載增加，樁側摩阻由上向下逐漸傳遞和發揮，當樁側摩阻力發揮到極限，樁整體出現下滑趨勢時，豎向荷載剩余部分將全部由樁端阻力承擔，樁底土體將迅速出現塑性變形，導致樁頂位移快速增加。

(2) 在3倍設計豎向荷載標準值作用下，灌注樁最大壓應力為5.57 MPa，位于樁頂面，壓應力遠小于C25混凝土容許壓應力標準值16.7 MPa，因此對于承受豎向荷載的灌注樁，樁身混凝土強度只要滿足規范規定的最低強度等級即可。

(3) 根據勘察資料，樁底土層端阻力qpk極限標準值為800 kPa，插值計算所得樁底土體達到極限時的臨界荷載為2 025.42 kN(1#樁)和2 160.23 kN(2#樁)，與Q-s曲線的反彎點較為接近。

1.3.4 承載力判定

規范[12]規定：樁基豎向承載力試驗時某級荷載作用下終止加荷標準為：(1) 樁頂沉降量大于前一級荷載沉降量5倍，且樁頂總沉降量超過40 mm；(2) 樁頂沉降量大于前一級荷載沉降量2倍，且24 h尚未達到相對穩定標準；(3) 達到設計要求的最大加載值且樁頂沉降達到相對穩定標準；(4) 荷載-沉降曲線呈緩變型時，可加載至樁頂總沉降量60 mm～80 mm，當樁端阻力尚未充分發揮時，可以加載至樁頂累計沉降量超過80 mm。

圖5 樁截面軸力變化曲線圖

單樁豎向承載力極限值根據沉降隨荷載變化特征確定，對于陡降型Q-s曲線取發生明顯陡降的起始點對應的荷載值。單樁豎向承載力特征值則按單樁豎向抗壓極限承載力50%取值。

根據數值模型計算結果，1#樁和2#樁Q-s曲線開始發生明顯陡降的荷載分別為2 200 kN和2 400 kN，對應的樁頂位移分別為10.76 mm和13.83 mm，該級荷載位移增量為2.16 mm和2.51 mm，是上一級荷載位移增量的兩倍左右，故取前一級荷載2 000 kN和2 200 kN分別作為1#樁和2#樁單樁豎向承載力極限值。

取單樁豎向承載力極限值的50%、即1 000 kN、1 100 kN分別作為1#樁和2#樁豎向承載力特征值。

2 現場高應變承載力試驗驗證

高應變動力法測樁時采用樁錘動態沖擊樁頭，使樁土體系由彈性狀態進入塑性狀態，釆集樁頂附近樁身截面軸向應變和樁身運動加速度的時程曲線，根據一維波動方程對樁身阻抗和土阻力實現分段分析和計算，從而獲取樁身完整性、承載力方面的數據，并可模擬靜力計算，推算出相應的靜載荷試驗下的Q-s曲線[13-14]。

對1#樁和2#樁進行高應變檢測，擬合Q-s曲線及樁身軸力、樁側摩阻力分布曲線。

根據高應變試驗，采用CAPWAP曲線擬合法計算結果顯示：

(1) 1#樁豎向抗壓極限承載力1 963.4 kN，其中側摩阻力1 611.5 kN，樁端阻力351.9 kN，最大沉降11.67 mm，最大動位移1.66 mm，CASE法阻尼系數0.3，擬合系數2.88。

(2) 2#樁豎向抗壓極限承載力2 065.6 kN，其中側摩阻力1 714.0 kN，樁端阻力351.6 kN，最大沉降5.17 mm，最大動位移1.76 mm，CASE法阻尼系數0.3，擬合系數3.01。

3 基于地勘資料的承載力估算

根據規范[15]要求，地質條件復雜或重要建筑的樁基應通過單樁靜載試驗確定極限承載力，地質條件簡單的樁基可參照地質條件相同的試樁資料，結合靜力觸探等原位測試和經驗參數綜合確定，對于一般小型建筑的樁基，可根據原位測試和經驗參數確定[16]。

根據現場勘察的各土層物理力學性能指標，按下式估算單樁豎向極限承載力標準值：

Quk=Qsk+Qpk=u∑qsikli+qpkAp

(1)

式中：Quk、Qsk、Qpk分別為單樁豎向極限承載力、總極限側阻力和總極限端阻力的標準值，kN；qsik、qpk為樁側第i層土的極限側阻力和樁端極限端阻力的標準值,kPa；u為樁身周長,m;Ap為樁端面積,m2；li為樁周第i層土的厚度,m。

灌注樁所在各土層的淤泥質黏土夾粉土、淤泥質粉質黏土與粉土互層、淤泥質黏土、黏質粉土和粉砂層側摩阻力qsik極限標準值分別為22 kPa、25 kPa、18 kPa、55 kPa、70 kPa。

根據閘基勘察和試驗所得各土層物理力學指標，依據規范方法推求的1#樁樁側摩阻力和樁端阻力標準值分別為1 995.13 kN、401.92 kN，單樁豎向極限承載力標準值2 397.05 kN。2#樁樁側摩阻力和樁端阻力標準值分別為1 880.48 kN、401.92 kN，單樁豎向極限承載力標準值2 282.40 kN。

根據規范方法推求的1#樁和2#樁豎向承載力特征值分別為1 198.53 kN、1 141.20 kN。

4 三種承載力確定方法的對比分析

根據地質勘察資料試驗、高應變試驗擬合以及規范推薦的各土層物理力學性能指標列于表2。

根據數模計算、高應變試驗和基于地勘資料根據規范方法推求的樁基承載力結果，對比分析如下：

(1) 極限承載力作用下，1#樁數模計算的最大沉降量為11.67 mm，高應變檢測結果8.41 mm，誤差為38.76%；2#樁數模計算的最大沉降量為11.32 mm，高應變檢測結果5.17 mm，誤差為118.96%，二者相差較大。從土層分布和相關指標等綜合分析，2#樁高應變檢測的樁頂沉降明顯偏小，不甚合理。

表2 勘察和規范推薦與高應變擬合地基土物理力學指標設計參數匯總表

(2) 基于地勘資料根據規范計算得到1#樁、2#樁極限樁側阻力值為1 995.13 kN和1 880.48 kN，高應變檢測法測得結果為1 611.5 kN和1 714.0 kN，數值模型計算結果為1 606.18 kN和1 787.58 kN。高應變試驗結果最小，基于地質勘察資料推算結果最大，若以高應變試驗結果為基準，數值模型計算結果、規范估計結果與之誤差為1.46%～23.81%(1#樁)和4.29%～9.71%(2#樁)。

(3) 基于地勘資料根據規范計算得到1#樁、2#樁極限端阻力值為401.92 kN，高應變檢測結果為351.9 kN和351.8 kN，數值模擬計算結果為393.82 kN和412.42 kN。高應變試驗結果最小，基于地質勘察資料推算結果最大，若以高應變試驗結果為基準，數值模型計算結果、規范估計結果與之誤差為11.91%～14.21%(1#樁)和14.31%～17.19%(2#樁)。

(4) 基于地勘資料根據規范計算得到1#樁、2#樁單樁豎向承載力極限值為2 397.05 kN和2 282.40 kN，高應變檢測結果為1 963.4 kN和2 065.6 kN，數值模型計算結果為2 000 kN和2 200 kN，以高應變試驗結果為基準，數值模型計算結果、規范估計結果與之誤差為1.86%～22.09%(1#樁)和6.51%～10.50%(2#樁)。

5 結論與建議

鉆孔灌注樁對于提高基礎承載力、控制水工結構的整體變形具有重要作用。本文以某水閘基礎的2根鉆孔灌注樁為對象，對基于ABAQUS有限元的數值模擬分析、高應變試驗和基于地質勘察資料按規范方法推求的承載力的三種方法進行對比分析，得到如下結論：

(1) 三種方法推求的灌注樁承載力基本接近，高應變試驗結果最小，基于地質勘察資料推算結果最大，數值模型計算結果居中，以高應變試驗結果為基準，數值模型計算結果、規范估計結果與之誤差分別為1.80%、22.09%(1#樁)和6.51%、10.50%(2#樁)。

(2) 高應變試驗擬合的樁側摩阻力、樁端阻力與數值模型計算結果較為接近，二樁相差分別為1.46%～4.29%、11.91%～17.19%，與基于地質勘察資料推算結果相差也不大，誤差在9.71%～23.81%、14.21%～14.31%。但樁頂位移受2#樁高應變試驗結果不甚合理的影響，高應變試驗擬合結果與數模計算結果相差較大，為38.76%～118.96%。