剛性釘形樁承載特性物理模型試驗(yàn)及有限元研究

劉明泉，高 嶺，李曉芝

(1.唐山學(xué)院 土木工程學(xué)院，河北 唐山 063000；2.河北省建筑工程與尾礦綜合利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 唐山 063000；3.河北省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院，石家莊 050000)

0 引言

釘形樁是一種變截面樁，在樁頂一定高度范圍內(nèi)有擴(kuò)大頭，常以復(fù)合地基的形式用于對(duì)軟土地基的加固處理[1-2]。普通釘形樁由水泥土攪拌樁結(jié)合雙向攪拌工藝改進(jìn)而成，解決了普通攪拌樁質(zhì)量差、有效處理深度淺、樁土共同作用難以協(xié)調(diào)等缺點(diǎn)，在市政道路、公路和鐵路路基工程中取得了良好的加固效果[3-5]。普通釘形樁屬于柔性樁，隨著對(duì)釘形樁復(fù)合地基研究的深入，人們發(fā)現(xiàn)：擴(kuò)大頭部分和樁身部分常常由于強(qiáng)度不足而出現(xiàn)剪切破壞和受壓鼓脹破壞，在鐵路和高填方路基下還有可能發(fā)生復(fù)合地基整體剪切破壞，這給釘形樁應(yīng)用范圍帶來了一定制約；此外，柔性樁還面臨著有效樁長的問題[6]，這對(duì)釘形樁處理深度形成了限制。混凝土樁屬于剛性樁，其樁身強(qiáng)度和剛度很大，抗剪和抗壓性能良好，而且不存在有效樁長的困擾。變截面鉆孔灌注樁技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展[7-10]，使剛性混凝土釘形樁成為可能。剛性釘形樁可以克服現(xiàn)有柔性釘形樁強(qiáng)度低、處理深度受限的缺點(diǎn)，具有更好的應(yīng)用前景。但目前對(duì)剛性釘形樁承載特性還沒有明確的認(rèn)識(shí)，尚需進(jìn)一步加以研究。

本文針對(duì)剛性釘形樁承載特性，采用物理模型試驗(yàn)和有限元模擬相結(jié)合的方法，研究擴(kuò)大頭尺寸對(duì)釘形樁承載性能的影響規(guī)律。

1 物理模型試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料和設(shè)備

物理模型試驗(yàn)用釘形樁的外形如圖1所示。

各試驗(yàn)樁總樁長L統(tǒng)一為600 mm，根據(jù)擴(kuò)大頭尺寸，共設(shè)計(jì)了7種不同尺寸的釘形樁和1種普通樁(無擴(kuò)大頭)，具體尺寸如表1所示。

(a)外形示意圖

表1 模型尺寸 mm

模型試驗(yàn)在模型箱內(nèi)進(jìn)行。模型箱采用角鋼焊接制作，箱內(nèi)填土采用砂土分層填筑，兩側(cè)為透明亞克力板，以便控制填土高度，如圖2所示。加載設(shè)備采用自制反力架，如圖3所示，荷載測量設(shè)備采用數(shù)顯壓力傳感器。

圖2 模型箱

圖3 反力架

1.2 試驗(yàn)方案

在試驗(yàn)前根據(jù)箱體尺寸和試驗(yàn)樁尺寸布置試驗(yàn)點(diǎn)，如圖4所示。

(a)平面設(shè)計(jì)圖

試驗(yàn)時(shí)，先進(jìn)行普通樁和土體靜載荷試驗(yàn)，然后進(jìn)行釘形樁靜載荷試驗(yàn)。加載時(shí)，采用慢速維持荷載法分級(jí)加載，每級(jí)荷載為最大試驗(yàn)荷載值的1/10。普通樁的最大試驗(yàn)荷載由壓入樁身時(shí)壓力傳感器測量得到的最大荷載近似估算；釘形樁的最大試驗(yàn)荷載由先前已經(jīng)完成的土體極限荷載和普通樁極限荷載之和近似確定。每次加載后記錄加載板沉降量一次，每一級(jí)加載之后，按第5 min，15 min，30 min，45 min，60 min測讀樁頂沉降量及相應(yīng)的荷載，以后每隔30 min測讀一次。終止試驗(yàn)的條件符合相關(guān)規(guī)范[11]中對(duì)靜載荷試驗(yàn)的要求。

1.3 試驗(yàn)結(jié)果

模型試驗(yàn)結(jié)束后，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和整理，繪制荷載-沉降關(guān)系曲線，如圖5所示。

圖5 試驗(yàn)荷載-沉降關(guān)系曲線

由圖5可以發(fā)現(xiàn)，擴(kuò)大頭對(duì)釘形樁承載特性有較大影響。首先，從曲線變化形態(tài)上看，普通樁荷載-沉降關(guān)系曲線呈陡降形，存在明顯拐點(diǎn)；而隨著擴(kuò)大頭直徑和高度的增加，釘形樁的荷載-沉降關(guān)系曲線逐漸呈緩變形，無明顯拐點(diǎn)。其次，由于存在擴(kuò)大頭，釘形樁承載力比普通樁大，曲線位于普通樁的右側(cè)。釘形樁承載力與擴(kuò)大頭直徑和高度有關(guān)，當(dāng)擴(kuò)大頭高度不變時(shí)，直徑越大樁承載力越大；當(dāng)擴(kuò)大頭直徑不變時(shí)，高度越大樁承載力越大。再次，擴(kuò)大頭直徑越大，頭下與土體接觸的面積越大，由頭下土體提供的端阻力越大；擴(kuò)大頭高度越大，與樁周圍土體接觸的面積越大，由樁周圍土體提供的側(cè)摩阻力越大。可見，釘形樁的端阻力和側(cè)摩阻力對(duì)其承載力有著重要的影響。

2 有限元模擬

為研究剛性釘形樁端阻力和側(cè)摩阻力與普通釘形樁的差異以及對(duì)承載力產(chǎn)生的影響，采用有限元方法進(jìn)行模擬研究。

2.1 數(shù)值模型

采用ABAQUS有限元軟件，建立數(shù)值分析模型。模型中，剛性釘形樁和普通樁為混凝土材料，采用線彈性模型模擬。樁周圍土體均采用基于Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則的彈塑性本構(gòu)模型模擬。樁尺寸設(shè)定與物理模型試驗(yàn)相同，分析單元采用CAX4平面軸對(duì)稱單元[12-13]。模擬中選用的參數(shù)如表2所示，基本分析模型如圖6所示。荷載采用位移控制法施加于釘形樁頂面，分8級(jí)加載，每級(jí)豎向位移增量為5 mm，總沉降為40 mm。

圖6 基本有限元分析模型

表2 模擬時(shí)選用的參數(shù)

2.2 模擬結(jié)果

模擬結(jié)束后，繪制荷載-沉降關(guān)系曲線，如圖7所示。

圖7顯示，模擬得到的剛性釘形樁荷載-沉降關(guān)系曲線與模型試驗(yàn)得到的曲線在形狀和變化規(guī)律上一致：隨著擴(kuò)大頭直徑和高度的增加，釘形樁的荷載-沉降關(guān)系曲線逐漸呈緩變形，擴(kuò)大頭直徑和高度越大，樁的承載力越大。通過對(duì)比圖5和圖7可以發(fā)現(xiàn)，擴(kuò)大頭直徑變化對(duì)樁承載力影響較大，當(dāng)擴(kuò)大頭直徑D由60 mm增大到100 mm時(shí)，樁極限荷載由1 538 N增大到2 921 N，承載力增加幅度較大。擴(kuò)大頭高度變化對(duì)樁承載力影響較小，當(dāng)擴(kuò)大頭高度H由100 mm增大到200 mm時(shí)，樁極限荷載由2 921 N增大到3 140 N，增加幅度較小。由此判斷，剛性釘形樁承載力受端阻力影響較大。

圖7 模擬荷載-沉降關(guān)系曲線

剛性釘形樁承載力特征值如表3所示。

表3 剛性釘形樁承載力特征值

表3顯示，模擬和試驗(yàn)的結(jié)果非常接近，誤差較小。考慮到物理模型試驗(yàn)中分層土體參數(shù)的差異以及樁承受偏心作用的概率較大，認(rèn)為有限元模擬結(jié)果更可靠，可作為承載力理論計(jì)算結(jié)果的檢驗(yàn)依據(jù)。

根據(jù)釘形樁承載特點(diǎn)[4]，其承載力由擴(kuò)大頭部分提供的承載力和普通樁身部分提供的承載力組成，即：

Ra=Rt+Rs。

其中，Ra為釘形樁承載力特征值；Rt為擴(kuò)大頭部分提供的承載力；Rs為普通樁身部分提供的承載力。Rt和Rs可由各自端阻和側(cè)摩阻經(jīng)理論計(jì)算得到，具體計(jì)算方法詳見文獻(xiàn)[11]。

據(jù)此，對(duì)剛性釘形樁承載力進(jìn)行理論計(jì)算，理論計(jì)算結(jié)果和模擬結(jié)果的比較詳見表4。

表4表明，剛性釘形樁端阻力在總承載力中的比例大于側(cè)摩阻力所占比例，端阻力對(duì)承載力影響較大，理論計(jì)算結(jié)果與模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬結(jié)果相一致。此外還發(fā)現(xiàn)，理論計(jì)算結(jié)果總體上大于試驗(yàn)和模擬結(jié)果，隨著擴(kuò)大頭直徑增加，理論計(jì)算結(jié)果與模擬結(jié)果之間的差異逐漸增大。造成這種現(xiàn)象的原因可能是由于擴(kuò)大頭對(duì)樁側(cè)摩阻分布和端阻分布形成的影響所致。因此，在通過理論公式計(jì)算剛性釘形樁承載力時(shí)，需要對(duì)理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行適當(dāng)折減，以保證設(shè)計(jì)安全。

表4 剛性釘形樁承載力特征值理論計(jì)算和模擬結(jié)果對(duì)比

3 結(jié)論

本文通過物理模型試驗(yàn)和有限元模擬，從承載力影響因素方面入手，對(duì)剛性釘形樁承載特性進(jìn)行了研究，主要研究結(jié)論如下。

(1)擴(kuò)大頭能提高釘形樁承載力，剛性釘形樁的承載力大于同條件下的普通樁。剛性釘形樁承載力與擴(kuò)大頭直徑和高度有關(guān)，擴(kuò)大頭高度越大、直徑越大，樁承載力越大。

(2)釘形樁的端阻力和側(cè)摩阻力對(duì)其承載力有著重要的影響。釘形樁承載力受端阻力的影響較大，隨擴(kuò)大頭直徑的增加承載力提高明顯。釘形樁承載力受側(cè)摩阻力影響較小，隨擴(kuò)大頭高度的增加承載力提高的幅度不大。

(3)釘形樁理論計(jì)算結(jié)果總體上大于試驗(yàn)和模擬結(jié)果，隨著擴(kuò)大頭直徑增加，理論計(jì)算結(jié)果與模擬結(jié)果之間的差異逐漸增大，因此，在進(jìn)行理論計(jì)算時(shí)要適當(dāng)考慮對(duì)承載力進(jìn)行折減。