數(shù)值模擬法找自平衡法試樁自平衡點(diǎn)位置應(yīng)用研究

馬亮

（臨夏公路事業(yè)發(fā)展中心廣河公路段，甘肅 臨夏 731100）

尋找自平衡點(diǎn)位置的不準(zhǔn)確是影響樁基承載力測(cè)試結(jié)果的主要原因。自平衡試樁法的加載設(shè)備是埋在樁身中的荷載箱，因此確定平衡點(diǎn)對(duì)于后續(xù)工序的進(jìn)行起著至關(guān)重要，荷載箱位置的精度將直接決定樁基承載力測(cè)定的精度。自平衡點(diǎn)也即在使用荷載箱通過(guò)該點(diǎn)施壓時(shí)，樁體上下段同步達(dá)到極限狀態(tài)所對(duì)應(yīng)的位置。

1 自平衡點(diǎn)的確定方法

1.1 規(guī)范經(jīng)驗(yàn)值法

這一方法主要需要基于工程經(jīng)驗(yàn)及鉆探數(shù)據(jù)來(lái)大致估計(jì)平衡點(diǎn)位置：（1）對(duì)于持力層處于良好地質(zhì)層的端承樁，其樁側(cè)摩阻力一般小于樁端阻力，荷載箱也處于樁底位置，因此此時(shí)沒(méi)有平衡點(diǎn)，可通過(guò)在樁頂附加反力系統(tǒng)來(lái)測(cè)定樁側(cè)的極限摩阻力。（2）若樁側(cè)摩阻力高于樁端阻力，則荷載箱應(yīng)當(dāng)不至于樁身某一位置處，此處也即平衡點(diǎn)。在這樣的情況下，平衡點(diǎn)應(yīng)當(dāng)結(jié)合勘察報(bào)告對(duì)于樁側(cè)、樁端土體性質(zhì)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)分析，選定不同土層的qiu和qr，以此來(lái)計(jì)算樁基礎(chǔ)的極限承載能力，隨后再基于上、下段樁同時(shí)達(dá)到極限承載力的要求來(lái)具體分析。

其中，上述各參數(shù)的取值應(yīng)當(dāng)根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范要求確定。

1.2 相似模擬試驗(yàn)法

基于摩爾-庫(kù)倫準(zhǔn)則 τ =σ tan φ+c即可得到不同土層中的樁側(cè)摩阻力。上式中 σ為不同地層中點(diǎn)位置自重產(chǎn)生的側(cè)向水平應(yīng)力，c、φ 則可通過(guò)剪切模擬試驗(yàn)來(lái)具體測(cè)定。樁端阻力，可借助室內(nèi)三軸模擬試驗(yàn)來(lái)測(cè)定。對(duì)不同土層提供的樁側(cè)摩阻力、樁端摩阻力進(jìn)行疊加即可得到樁體的總承載力，以此即可確定平衡點(diǎn)，見(jiàn)圖1。

圖1 極限平衡應(yīng)力狀態(tài)

1.3 自平衡點(diǎn)改進(jìn)計(jì)算方法

自平衡試樁法計(jì)算樁基承載力時(shí)，基本計(jì)算公式中的K 由相同條件下進(jìn)行自平衡法和傳統(tǒng)靜載法對(duì)比試驗(yàn)得出，目前自平衡規(guī)范規(guī)定K 在以砂土為主時(shí)取1.25，粘性土為主時(shí)取1.4，過(guò)于粗略，不能滿足變化萬(wàn)千的土層地質(zhì)情況的需要。王伯惠教授利用同一土層的正負(fù)摩阻力比值Kτ 對(duì)K上進(jìn)行修正。Kτ對(duì)于特定的土層是一常數(shù)，較K上穩(wěn)定的多，利用其計(jì)算的自平衡點(diǎn)也較為準(zhǔn)確，但要依靠現(xiàn)實(shí)試驗(yàn)得到。

1.4 數(shù)值模擬分析法

借助由有限元分析軟件，對(duì)工程實(shí)際過(guò)程進(jìn)行模擬，以此求得不同土層中樁體所受的摩阻力及端阻力。

上述分析方法中，前三類均需借助《橋規(guī)》所建議的參數(shù)來(lái)完成分析，這些參數(shù)為經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)得出的平均值，在數(shù)值擬合度上難以與工程中土體實(shí)際的受力狀態(tài)完全相符，平衡點(diǎn)也就難以準(zhǔn)確求得。有限元模擬的方式可以較為全面地考慮到工程實(shí)際條件的影響，在這一方法下得出的摩阻力與實(shí)際情況比較接近，因此平衡點(diǎn)的確定也就更為精確。

2 數(shù)值模擬法統(tǒng)計(jì)平衡點(diǎn)位置

2.1 受力分析

對(duì)樁身進(jìn)行受力分析如圖2，由圖中上段及下段樁的受力得：

圖2 上下樁段受力圖

2.2 尋找平衡點(diǎn)位置

2.2.1 如前圖所示，給定樁基以荷載箱位置0.3li，利用驗(yàn)證可靠性后的地質(zhì)參數(shù)建立75m 深長(zhǎng)樁的自平衡加載模型。

2.2.2 分別在上段樁樁底（平面A）及下段樁樁頂（平面B）附加同等的分級(jí)荷載作用Ni(i=2,3,4……)，N2=2000kN, 其中每級(jí)荷載Ni對(duì)應(yīng)一上端樁底上位移SAi和下段樁底下位移SBi；利用數(shù)據(jù)（Ni,SAi;SBi）（如表1）繪出自

表1 數(shù)值加載位移數(shù)值表

平衡試驗(yàn)的加載-面A/B 位移曲線如圖3 所示。

圖3 加載-面A/B 位移曲線

2.2.3 建立自平衡加載模型后，可得到新荷載箱位置下的位移（Ni,SAi;SBi）情況，如表2 所示，加載位移曲線如圖4 所示。

表2 數(shù)值加載位移數(shù)值表

圖4 加載-面A/B 位移曲線

2.2.4 借助二分法逼近的方式確定荷載箱位置，當(dāng)N-SA與N-SB同時(shí)發(fā)生劇變時(shí)停止運(yùn)算，可得荷載箱位置為此時(shí)的荷載箱位置即為此樁的自平衡點(diǎn)位置。

2.2.5 針對(duì)本課題，要對(duì)此方法所求的自平衡點(diǎn)進(jìn)行準(zhǔn)確性驗(yàn)證：利用傳統(tǒng)法實(shí)測(cè)的75m 樁基的樁側(cè)摩阻力和樁端阻力，可算得一自平衡點(diǎn)位置，得出兩者平衡點(diǎn)位置吻合的結(jié)論。

2.2.6 在樁長(zhǎng)確定的情況下，改變樁徑，然后按（2）中方法得出不同樁徑下的平衡點(diǎn)位置。

2.2.7 在樁徑確定的情況下，改變樁長(zhǎng)，然后按（2）中方法得出各樁長(zhǎng)下的自平衡點(diǎn)位置。

2.2.8 通過(guò)以上分析，給出黃河中下游沖積平原不同樁長(zhǎng)、不同樁徑下的平衡點(diǎn)位置，為以后類似地區(qū)樁的自平衡試驗(yàn)提供參考。

3 結(jié)論

3.1 給定樁基以荷載箱位置，利用第五章驗(yàn)證可靠性后的地質(zhì)參數(shù)建立深長(zhǎng)樁的自平衡加載模型。

3.2 在上段樁樁底（平面A）和下段樁樁頂（平面B）同時(shí)施加等大的分級(jí)荷載Ni(i=2,3,4……)，則每級(jí)荷載Ni對(duì)應(yīng)一上端樁底上位移SAi和下段樁底下位移SBi；利用數(shù)據(jù)（Ni,SAi;SBi）繪出自平衡試驗(yàn)的加載-面A/B 位移曲線。

3.3 分析變形曲線，若N-SA曲線首先發(fā)生劇變，則荷載箱位置偏上，則荷載箱位置相應(yīng)下移一距離l1（l1大小有劇變發(fā)生荷載的大小判定），再次運(yùn)算模型，荷載箱位置利用二分法進(jìn)行逼近，當(dāng)N-SA與N-Sb同時(shí)發(fā)生劇變時(shí)停止運(yùn)算，此時(shí)的荷載箱位置即為此樁的自平衡點(diǎn)位置。

3.4 針對(duì)本課題，要對(duì)此方法所求的自平衡點(diǎn)進(jìn)行準(zhǔn)確性驗(yàn)證：利用傳統(tǒng)法實(shí)測(cè)的75m 樁基的樁側(cè)摩阻力和樁端阻力，可算得一自平衡點(diǎn)位置，得出兩者平衡點(diǎn)位置吻合的結(jié)論。說(shuō)明此方法的可行性和準(zhǔn)確性。

3.5 推廣使用黃河地區(qū)可以直接用本地質(zhì)參數(shù)進(jìn)行建模求平衡點(diǎn)位置。黃河中下游以外地區(qū)可以在擬合地質(zhì)參數(shù)后利用此方法求平衡定位置。