高承臺樁基豎向沉降及荷載傳遞研究

鄭 巧 魚

(山西省陽泉公路分局盂縣公路管理段，山西 陽泉 045100)

0 引言

樁基具有承載力高、沉降小及抗震等特點，廣泛應用于橋梁、建筑物基礎、基坑圍護結構和邊坡防護工程中，樁基可以將上部荷載傳遞到周圍巖土體和樁端持力層中，可以有效地提高樁基上部結構的穩定性[1]。尤其是在群樁基礎中，群樁和單樁基礎的承載力是否是簡單的疊加關系，群樁樁基的豎向承載力和沉降也是目前工程中廣泛關注的一個重要問題[2,3]。

針對軟土地區公路鐵路橋梁樁基承載問題，Ilamparuthi等[4]利用數值模擬與現場試驗相結合的研究方法對樁基荷載的傳遞機理、單樁與群樁的沉降量進行了深入的研究。楊明輝等[5]基于荷載傳遞法分析了超長樁的荷載傳遞規律，同時建立了軟土地區群樁有效樁長的計算方法。Tomlinson等[6]根據樁基周圍土體強度，結合成層軟土地基在樁基加載過程中排水固結的影響，提出軟土地基預處理后樁基的承載力提高值的計算方法。錢建固等[7]通過離心模型試驗對樁周注漿接觸面的樁側摩阻力進行了深入分析，研究表明樁側注漿可以顯著提高樁的抗拔剛度。

通過模型試驗與數值模擬對高承臺群樁樁基的受荷響應以及樁體豎向沉降等進行研究，得出了樁周土體固結對樁體軸力的影響，同時分析荷載增加對樁端沉降的影響，可為后續的樁基沉降計算、基樁周土體固結對于樁基的影響提供參考。

1 高承臺樁基沉降計算方法

現場試驗可以得到樁基的真實沉降數據，對于群樁而言，應該考慮樁—土—承臺之間的相互影響所產生的沉降，所以在計算高承臺群樁的豎向位移時應該考慮相鄰樁基的影響。對于高承臺樁基礎，由于承臺地面位于地面之上，上部傳遞的荷載將全部由樁土之間的側摩阻力與樁端的地基反力來承擔，由此對高承臺樁進行受力分析，高承臺樁基的受力如圖1所示。各個樁體之間對上部荷載進行一定的分配[8，9]，在剛性承臺下，各個樁體受到的荷載是相同的，因此樁基的沉降應該與承受的荷載有關，采用單向壓縮分層總和法計算土層沉降，并計入樁身壓縮se，樁基最終沉降量按式(1)、式(2)計算[10]：

(1)

(2)

2 數值模擬與模型試驗

2.1 模型試驗

基于理論分析樁基的豎向沉降量，可通過模型試驗進行驗證，其中模型箱凈空尺寸為長1 500 mm，寬度為700 mm，模型箱高度為1 000 mm(見圖2)。模型試驗土層參數如表1所示，模型實驗中通過百分表測量不同深度處樁周土層的豎向沉降量，應變片安裝在樁基左右兩側，兩個相鄰應變片間距為10 mm，用以監測樁基的軸力變化。模型實驗樁體直徑為4 cm，樁長為1 m，樁間距為14 cm。在樁端設置土壓力盒用以分析樁端反力。實驗加載通過上部和砝碼確定，采用逐級加載的方式進行加載，每級加載100 N，從100 N逐級加載到900 N。

表1 模型試驗土層參數

2.2 數值模擬

本次計算使用國際通用有限差分軟件FLAC3D，可專門用于巖土工程的變形及受力分析，數值模擬相關的參數見表2。由于模型試驗樁體屬于對稱樁體，因此在數值模擬過程中為了提高計算效率，取模型試驗的1/4進行數值模擬研究，圖3為數值模擬模型。其中數值模擬土層分布與模型試驗保持一致，圖3為數值模擬模型。

表2 土層及樁體參數

主要分析樁基試驗過程中地層及樁應力應變情況。做出如下假定：

1)土層材料采用理想彈塑性模型，使用摩爾庫侖屈服準則，采用大應變變形模式結構材料均采用線彈性本構模型；2)假定地表面和各土層均呈均質水平層狀分布；3)不考慮土體的構造應力場，只考慮自重應力場。

3 高承臺樁基受荷響應

3.1 高承臺群樁Q—S曲線

圖4為模型試驗與數值模擬樁體的Q—S曲線圖，從圖中可以看出在樁尖荷載逐級增大的情況下，樁體的豎向沉降量明顯增加，而且模型試驗實測的樁尖沉降量稍大于數值模擬結果，分析其中的原因是模型試驗干擾較大，對樁體產生一定的擾動，導致模型試驗樁體的沉降大于數值模擬結果。圖5為承臺荷載從ph1荷載增加到ph9荷載時樁側摩阻力變化曲線，其中ph1對應承臺加載到100 N，ph9對應承臺加載到900 N。從圖5中可以看出隨著樁體埋深的增加，樁側摩阻力逐漸增大，但在樁端位置處的樁側摩阻力減少，分析其中的原因是樁端發生了刺入破壞，導致樁端附近的側摩阻力減小。

3.2 樁周土體固結

圖6為承臺加載到600 N情況下樁周土層固結數值模擬與模型試驗結果的對比圖，從圖6中可以看出隨著土體固結時間的增加，各個土層的豎向沉降量明顯增大，在固結超過200 h后土體的固結速率變慢，土體固結逐漸趨于穩定。圖6b)為數值模擬樁周土體固結曲線，對比模型試驗與數值模擬土體固結曲線可以看出，模型試驗在0.2 m深度處土層的沉降最終穩定在1.5 mm左右，數值模擬0.2 m深度處土層的固結沉降量為1.5 mm，在0.8 m埋深位置處模型試驗土體的固結沉降量為4.5 mm，而數值模擬的結果為2.8 mm，模型試驗沉降值稍大于數值模擬。

3.3 樁體力學響應

圖7為數值模擬與模型實驗樁基在豎向加載后軸力隨深度和固結時間的變化曲線，對模型實驗加載后1 d～10 d的樁基軸力進行監測，樁體承臺加載600 N。從圖7a)可以看出模型試驗中樁基的軸力隨著埋深是先增大后減小，在樁基埋深為0.5 m時，樁體的軸力達到最大值。模型試驗槽內土體達到固結1 d后樁體的最大軸力為210 N，在土體固結10 d后，樁體的最大軸力增長到260 N，說明隨著固結天數的增長，樁體的軸力也出現了顯著的增長，分析其中的原因是隨著固結天數的增加，土體中的孔隙水在樁端位置處逐漸排出，樁側土體出現固結沉降，從而導致施加在樁側的負摩阻力逐漸增長，導致樁體的軸力隨著土體固結天數的增加而逐漸增長。數值模擬樁體軸力的變化規律與模型試驗相同，樁體軸力的最大點出現在埋深0.5 m位置處，這與模型試驗軸力變化規律相同，但是模型試驗樁體軸力最大值小于模型試驗結果是因為模型試驗在填土和加載過程中土體的初始地應力平衡導致的。

模型試驗與數值模擬軸力均在樁體埋深0.5 m位置處達到最大值，說明該位置為樁體的中性點，在中性點以上位置處樁側土體對樁基產生上下的負摩阻力，從而引起樁基產生附加沉降，同時隨著土體的排水固結，導致中性點以上的負摩阻力逐漸增大，引起樁體軸力逐漸增大。在中性點以下樁周土體對樁體產生向上的正摩阻力，從而降低了樁體自身的軸力。

圖8a)為ph1為100 N荷載下土體與樁基的豎向位移云圖，從圖8a)中可以看到在100 N加載下樁體與周圍土體的豎向沉降接近，僅在樁端位置處樁體與周圍土體的豎向沉降存在差異，可以看到樁端位置處的沉降量大于周圍土體的沉降，說明在樁端位置處樁體產生了刺入破壞。在荷載增加到ph9為900 N后(見圖8b))，樁端的沉降量顯著大于樁端周圍土體，可以看到兩個樁體之間的土體出現明顯的豎向位移分層。圖9為樁在不同荷載下樁體的豎向位移曲線，從圖9中可以看出，在ph1加載下樁基的豎向沉降量約-0.1 mm，在樁端位置處樁體的沉降量迅速增加在樁端位置處，樁體的豎向沉降增大到-0.2 mm，說明隨著荷載的增大，樁端刺入到砂土層，在砂土逐漸排水固結情況下產生的下拽力引起樁端出現大于樁體的豎向沉降。

4 結論

1)樁基試驗是與實際工作條件最為接近的試驗方法，通過模型試驗和數值模擬對高承臺群樁的沉降與受荷響應進行分析。

2)增加樁周土體的摩阻力也隨之增大，隨著荷載增加樁端土體發生刺入破壞，樁端土體提供的側摩阻力逐漸減小。

3)隨著土體固結時間的增加，樁基的軸力也逐漸增大，是因為土中孔隙水逐漸排出引起的。