載體樁在黏土持力層最優樁距的分析*

楊 璐，李 音，于永彬

(1. 沈陽工業大學 建筑與土木工程學院，沈陽 110870； 2. 沈陽市建設工程質量監督站，沈陽 110002)

近些年來，隨著城鄉建設的發展，載體樁應運而生.載體樁是在沉管式擴底樁與擴底樁這兩種樁基形式的基礎上發展而來的，載體樁將下層具有一定厚度且承載力比較高的土層作為持力層，將樁端填料夯擊成擴大頭且以樁端土體為承載研究對象，是一種較新的樁基形式.載體樁由樁身、載體兩部分組成.其載體是由混凝土、夯實填充料和擠密土體等三部分組成[1].載體結構構造圖如圖1所示.

圖1 載體結構Fig.1 Structure of bearing base

對于不同于傳統樁，載體樁因承載力高、施工速度快、工期相對較短、成樁質量好、施工過程將大量建筑垃圾工業廢料作為填充料利于環保、造價低且能在一定程度上調整不均勻沉降等優點而在全國各地受到廣泛應用.目前，對載體樁設計施工的研究以北京波森特巖土工程有限公司為主[2]，在載體樁的承載性能和受力機理方面，一些學者對載體樁進行了試驗及數值模擬研究[3-8].但作為一種較新的樁基形式，載體樁受周圍樁的擾動及最優樁距的研究還有不足.因此，本文在大連普灣新區的工程靜載試驗的基礎上，通過有限元數值模擬來深入分析載體樁受周圍樁的擾動及最優樁距的問題.

1 工程實例及試驗研究

1.1 工程實例

該項目位于大連普灣新區，此項目的樁基礎部分采用載體樁.本工程試驗樁有四組，樁長均為17 m，樁徑為φ500 mm，樁身混凝土為C35，施工填料采用碎磚等建筑垃圾或中風化碎石.經計算該工程載體樁夯擴體直徑為1.2 mm[9].

該場地地貌屬于海積漫灘，不存在泥石流及不良外動力地質作用條件，為穩定場地，因此適宜作為建筑用地.根據現場勘查，場地土層共分為四個主要地質層，分別為素填土、淤泥質黏土、粉質黏土和全風化巖.樁端持力層為粉質黏土.為方便數值模擬，根據經驗E的取值范圍為2.0Es～5.0Es，其中，E為彈性模量，Es為壓縮模量.經反復試算確定彈性模量E.

1.2 試樁試驗

該工程試樁采用低應變動測法，根據實測反射波曲線檢測樁身的完整性.每級2 h維持荷載法為本工程試樁豎向靜載試驗所采用的方法.

經實測反射波曲線分析可知，1#樁為III類樁，其極限承載力不能代表樁真實承載力水平，因此將其舍去.樁身完整性為Ι類的3#、4#試樁試驗結果較為接近，本文取3#、4#試樁進行研究，根據靜載試驗結果繪制反映樁頂豎向荷載Q與樁頂累計沉降值s的關系曲線，如圖2所示.由圖2可知，3#試樁和4#試樁豎向靜載試驗所得出的樁頂沉降結果與有限元模擬結果變化趨勢相同，曲線皆為緩變型，且有限元模擬結果與4#試樁試驗結果相近，誤差在10%以內，有限元計算結果和試驗結果吻合較好，因此，該有限元模型的建立是合理的.

圖2 有限元分析結果和試驗結果對比Fig.2 Comparison of results obtained with finite element analysis and experiments

2 有限元計算結果及分析

2.1 有限元模型建立與現場試驗結果對比

表1 載體樁建模參數Tab.1 Modeling parameters for ram-compacted piles with bearing base

表2 土體參數Tab.2 Soil parameters

有限元模型建立為1/2實體模型.本模型中設置了兩個生死單元，分別是針對載體樁和載體樁位置的土體.在地應力平衡時，載體樁單元無效，在后續分析步中，應激活載體樁單元并殺死載體樁位置的土體.定義模型的邊界條件時，需對土體底部施加三個方向的約束，對土體模型的外側施加徑向位移約束.在殺死載體樁位置土體的同時改變邊界條件，約束樁體的徑向位移.

本模型網格采用C3D8R單元類型[11]，對樁體附近土體及載體附近土體進行加密劃分[12]，共計10 764個單元，13 050個節點.土體網格劃分如圖3所示.樁網格劃分如圖4所示.地應力分析如圖5所示，平衡后土體位移達到10-4m以上，滿足模擬要求.

圖3 土體網格模型Fig.3 Mesh model for soil

圖4 樁網格模型Fig.4 Mesh model for pile

圖5 地應力平衡Fig.5 Geostatic stress balance

2.2 工程載體樁受周圍樁的影響分析

當用有限元軟件模擬分析時，先模擬載體樁單樁，取夯擴體一側最寬處為測點，測點位置如圖6所示.圖6中，A點為測點.運用Query information功能查看并記錄單樁數值模擬分析后測點的位置，然后在距離載體樁1.5、1.75、2、2.25、2.5、2.75、3 m分別模擬第二根載體樁，通過查看第一根載體樁測點的位置變化來確定載體樁的相互影響程度及擾動范圍.

圖6 測點位置示意圖Fig.6 Schematic location of measuring point

根據數值模擬結果觀察測點位置，發現載體樁在受周圍樁擾動的情況下，夯擴體向外向上移動.在實際工程中，此種情況的出現會嚴重影響載體樁的成樁質量.圖7為直徑為1.2 m時夯擴體相互擾動情況.由圖7可知，隨著樁距的增加，載體樁受周圍樁的擾動效果逐漸減小.當樁距在3 m時，夯擴體不再有向上向外移動的趨勢.模擬結果說明周圍樁對該工程載體樁的擾動范圍為3 m內.

圖7 直徑為1.2 m時夯擴體相互擾動情況Fig.7 Mutual perturbance between rammed bodies with diameter of 1.2 m

對于載體樁，如果樁的設計間距過小，樁在原狀土地的應力擴散面會有很大面積的重疊，這使得單樁承載力發揮不出來，造成經濟浪費.

由規范查得，載體樁應力擴散角為12.5°.該工程樁徑為0.5 m，夯擴體直徑為1.2 m(2.4倍樁徑).圖8為載體樁應力擴散示意圖.由圖8可知，夯擴體側面1倍夯擴體直徑，夯擴體底部2倍夯擴體直徑為載體樁加密區土體范圍，應力擴散圓直徑為

de=2tan 12.5°×2.5×2.4d+2.4d≈5.060d

(1)

式中，d為載體樁樁徑.

圖8 載體樁應力擴散示意圖Fig.8 Schematic stress dispersion of ram-compacted piles with bearing base

載體樁群樁布置形式如圖9所示.為了充分發揮群樁下持力層承載力，其應力擴散圓直徑與樁距的關系[13]滿足

de=(16/π2)1/4N≈1.13N

(2)

式中，N為載體樁樁距.

圖9 載體樁群樁布置示意圖Fig.9 Schematic arrangement of ram-compacted piles with bearing base

由式(1)、(2)可得，N=4.478d=2.239 m.

綜上所述，當夯擴體直徑為1.2 m且持力層為黏土時，既能使載體樁的相互擾動在允許范圍內，又能使持力層承載力充分發揮.載體樁的最優樁距為2.4 m.

2.3 載體樁最優樁距與夯擴體直徑的關系

將載體樁的夯擴體直徑從0.8、0.85、0.9 m逐漸增加到1.1 m，采用ABAQUS軟件進行數值模擬，限于篇幅原因，文中只列出夯擴體直徑為0.8、0.9、1、1.1 m時載體樁夯擴體受周圍樁的擾動情況，數值模擬結果如圖10所示.由模擬結果可知，隨著載體樁夯擴體直徑的增加，夯擴體相互擾動范圍逐漸增大.說明載體樁受相鄰樁的擾動情況與夯擴體直徑的大小有著密切的聯系.因此，夯擴體的大小是決定載體樁最優樁距的一個重要因素.

為了使持力層的承載力完全發揮，根據式(1)、(2)得出夯擴體直徑與樁距的關系，如表3所示.

根據規范規定載體樁樁間距不宜小于3倍樁徑，本工程中載體樁樁徑為500 mm，最小樁距為1.5 m.大量工程實踐表明，載體樁樁間距的大小與被加固土層的土體性質有關.當以含水量較高的黏性土為被加固土層時，設計樁間距應比常規設計大，這是因為含水量較高的黏性土的被加固性差，施工影響范圍大.當被加固土層為卵石和礫石時，由于卵石和礫石的被加固性較好，施工范圍影響較小，可適當減小樁間距[14].

樁間距的具體選擇需要從減小復合載體施工影響、盡量節約施工費用等方面考慮.由數值模擬分析得出的相鄰載體樁擾動情況、規范內容、理論分析，并結合以往工程實踐規律的基礎上得出載體樁最優樁距與夯擴體直徑的關系，如表4所示.

圖10 夯擴體的相互擾動情況Fig.10 Mutual perturbance between rammed bodies

表3 夯擴體直徑與樁距的關系Tab.3 Relationship between diameter of rammed bodies and pile spacings m

表4 夯擴體直徑與最優樁距的關系Tab.4 Relationship between diameter of rammed bodies and optimal pile spacings m

由表4可知，當夯擴體直徑在1～1.2 m時，載體樁最優樁距為夯擴體直徑的2倍；當夯擴體直徑大于等于0.8 m且小于1 m時，載體樁最優樁距略大于夯擴體直徑的2倍.

3 結 論

結合工程實例并利用ABAQUS軟件得出以下結論：

1) 數值模擬計算出的結果與真實的現場試驗數據較吻合，表明利用ABAQUS建立的模型可以真實準確地反應載體樁樁土性狀的規律性.

2) 在該工程中，載體樁在受周圍樁影響下，夯擴體會有向上向外的位移，擾動范圍在3 m內.該工程載體樁最優樁距為2.4 m.

3) 以受相鄰載體樁擾動情況、規范內容、理論分析并結合以往工程實踐規律的基礎上得出，在持力層為黏土的前提下，當夯擴體直徑在1～1.2 m時，載體樁最優樁距為夯擴體直徑的2倍；當夯擴體直徑大于等于0.8 m且小于1 m時，載體樁最優樁距略大于夯擴體直徑的2倍.