水閘復合樁基礎優化及承載力特性研究

徐小文

（蘇州明駿建設工程有限公司,江蘇 蘇州 215131）

1 引言

隨著工程技術的發展,地基處理的深度在不斷增加,關于樁基的研究也受到越來越多學者的重視。目前,研究樁基承載的主流方法有荷載傳遞法、地基反力法、虛擬樁法[1]、有限元法[2]等等。吳恒立提出使用雙參數進行離散數值求解的方法。張磊等[3]在經典彈塑性理論的基礎上,考慮頂層土壓力求解單樁的承載力。樓曉明等[4]以及工程實例為研究背景,結合p-y 法探究單樁在上拔組合荷載作用下的承載力變化規律。

當前的實際工程中多采用樁基承擔水平荷載,但是關于單樁的水平承載力研究比較稀少。本文采用ANSYS 建模軟件結合工程實例探究樁徑和樁長對單樁水平承載力的影響。

2 工程概況

某水閘主要作用是放洪、泄潮以及供水,是一個集多種用途為一體的功能性水閘。該水閘寬14.2 m,共有12 個閘孔,平時多采用閘門來調節閘口出水量的大小。根據設計規范,該水閘的最大泄洪流量為1600m3/s,閘內最高水位為0.95 m,閘外最高水位為0.77 m。在面對200年一遇的洪水時,過閘最大流量不超過1750 m3/s,閘內最高水位為0.99 m,閘外最高水位為0.77 m。在面對100年一遇的洪水時,潮水最高位置不超過2.5 m。

該水閘的地貌屬于典型的珠三角區域沖積平原,地面的平均高程在-6 m～1 m 之間。建立水閘處的土層以粉質黏土為主,土層中含有部分植物根莖。粉質黏土層下為具有一定厚度的淤泥質土層,淤泥質土層處于28 m～48 m 的位置,平均土層厚度在36 m 左右。淤泥質土的天然孔隙率大,具有高含水率,高壓縮性的特點,導致土層的整體承載力較低。淤泥質土層的下層為粉質黏土層,該土層的平均厚度在5 m 左右。粉質黏土層的下層為砂礫層,處于1 m～9.5 m 的地層。在土層下為殘積沙黏土和全風化花崗巖層,平均厚度為10 m左右。各項指標的參數值見表1。

表1 巖層性質參數

3 模型建立

本文在建立模型時取樁徑為d=1 m,樁長為l=30 m 組作為模型尺寸。具體的建模過程和關于樁基模型的其余尺寸計算過程與求解過程如下：

首先打開ANSYS 輸入裝的尺寸數據,然后進行網格劃分。根據規范要求,在建模時地基的范圍要在5 倍～10 倍樁徑范圍內。建模是樁徑選擇1 m,本次建模選擇地基范圍為16 m×16 m。建模時選擇樁長為l=30 m,地基的深度為h=40 m,建模后預留10 m 的范圍,作為緩沖空間,便于感受樁端對下臥土層的壓力。在樁頂建立一個1.5 m×0.3 m 的承臺,便于對樁施加水平荷載。最終的建模結果見圖1,樁體和地基土體的各項材料參數見表2。

圖1 整體模型圖

表2 樁體和地基土體的各項材料參數

4 計算結果整理

在建模軟件中完成對模型的建立和計算后,多不同尺寸的模型進行數值分析運算,計算結果見表3。表3中匯總了不同的樁基直徑和樁基長度的樁基組合的水平承載力。通過表中的數據分析,可以比較出相同條件下,樁端的水平承載力與樁基參數的變化規律,從而得出樁基參數對樁的影響趨勢。

表3 不同樁徑、樁長組合的樁的水平承載力

4.1 樁長對單樁水平承載力的影響

根據表3中的數據,繪制不同樁徑與水平承載力的變化趨勢,由于數據較多,文中只展示了樁徑d=1 m 的變化趨勢,見圖2。之后將各個樁徑與樁長的組合計算承載力繪制在圖3中,探究不同的樁徑時樁長對單樁承載力的影響趨勢。

圖2 樁徑1 m 時水平承載力與樁長變化的曲線

圖3 各個樁徑情況下水平承載力隨樁長變化的曲線

由圖2可以看出,單樁的水平承載力的大小與樁長呈正相關,隨著樁長的增加,樁基的水平承載力呈出逐漸增大的趨勢。但水平承載力的增長速率隨樁長的增大表現出逐漸減小,最后區域平緩的趨勢。在樁長小于15 m 時,單樁水平承載力與樁長呈線性發展趨勢,保持直線增長狀態,單樁表現出剛性特性。在樁長大于15 m 時,單樁水平承載力隨樁長的增加,增長趨勢放緩,曲線的發展也區域穩定,單樁表現出柔性特性。因此15 m 可以當做樁長的臨界值。

將各個樁徑與樁長的組合計算承載力繪制在同一幅圖中,探究不同的樁徑對單樁承載力的影響趨勢,見圖3。由圖3可知,不同樁徑的單樁水平承載力與樁長的發展趨勢基本一致。水平承載力的總體變化趨勢分別為兩個階段,快速增長階段和緩慢增長階段。隨著樁長的增長,承載力增長速率放緩。在快速增長階段,水平承載力漲幅極大,基本呈線性增長趨勢。在緩慢增長階段,樁長在不斷增加,但水平承載力的變化很小。在快速增長階段和緩慢增長階段之間,樁長存在一個顯著的臨界值,本文定義臨界樁長為l0。在樁長小于l0時,單樁水平承載力與樁長呈線性發展趨勢,保持直線增長狀態,單樁表現出剛性特性。在樁長大于l0時,單樁水平承載力隨樁長的增加,增長趨勢放緩,曲線的發展也趨于穩定,單樁表現出柔性特性。因此l0可以當做樁長的臨界值。

由上述分析可以看出,單樁的在受水平力發生破壞時存在一個臨界長度l0,在樁長小于l0時,單樁水平承載力會大幅降低,單樁樁身表現出剛性轉動現象。在樁長大于l0時,單樁水平承載力與樁長的關系不大,繼續增加樁長也無法提高曲單樁的水平承載力。實際工程中,只要樁長設計值大于臨界值l0,就能夠達到增加樁長提高單樁水平承載力的目的。

單樁在工程中除了受到水平荷載的作用外,還遭受到豎向荷載的挑戰。在一定的技術范圍內,雖然可以通過增加樁長提高單樁水平承載力的目的,但在較大的豎向荷載下,單樁的豎向沉降值也會隨之增加。在樁長較大的情況下,會出現樁底的摩擦阻力未達到極限值,樁頂沉降量已超過設計上限的現象。因此實際工程中,對于樁長的選擇需要組合考慮承載力和沉降量的平衡,達到經濟效益和規范設計的最大化。

4.2 樁徑對單樁水平承載力的影響

根據表3中的數據,繪制不同樁徑與水平承載力的變化趨勢,由于數據較多,文中只展示了樁長l=30 m 的變化趨勢,見圖4。之后將各個樁長與樁徑的組合計算承載力繪制在圖5中,探究不同的樁長時樁徑對單樁承載力的影響趨勢。

圖4 樁長30m 時水平承載力與樁徑變化的曲線

圖5 不同的樁徑時樁長與單樁承載力的變化曲線

由圖4可以看出,單樁的水平承載力的大小與樁徑呈正相關,隨著樁徑的增加,樁基的水平承載力呈出逐漸增大的趨勢。并且圖4中水平承載力增長幅度要顯著大于圖2的增長幅度,這說明,樁徑的增長帶來的單樁水平承載力增長效益要高于樁長帶來的增長效益。單樁的樁徑增長越大,水平承載力的增長幅度越大,可以認為,樁徑是影響單樁水平承載力的主要因素,水平承載力高低與樁徑大小呈正相關。

將各個樁徑與樁長的組合計算承載力繪制在同一幅圖中,探究不同的樁徑時樁長對單樁承載力的影響趨勢,見圖5。由圖5可知,不同樁徑的單樁水平承載力與樁長的發展趨勢基本一致。同時與圖3相比,圖5中曲線排列的更加緊密,當樁長大于15 m 后,單樁的水平承載力與樁徑的關系曲線基本重合,也可以反映出樁徑的增長帶來的單樁水平承載力增長效益要高于樁長帶來的增長效益這一結論。

由上述分析可以看出,樁身直徑的增加對單樁水平承載力的提高作用顯著,樁徑長度的增加對單樁水平承載力的提高存在臨界長度。綜合比較發現樁徑的增長帶來的單樁水平承載力增長效益要高于樁長帶來的增長效益。但在實際工程中一味地增加樁徑,雖然可以增加單樁的水平向承載力,但是會造成混凝土大量的浪費和經濟損失。因此實際工程中,對于樁長和樁徑的組合選擇要綜合考慮,使設計達到經濟效益和工程要求的利用最大化。

4.3 樁基的水平承載力計算

以不同底層的特征孔隙為研究對象,根據表1中的數據,在ANSYS 中建立天然圖層的單樁模型,見圖6。然后根據第3 節中方法對樁基的水平承載力進行計算。

圖6 地層樁整體模型

經過建模計算,特征樁的最大承載力為248 kN,在進行計算前,通過已經存在的經驗模型求得的特征樁的最大承載力為257 kN,模型計算值和經驗模型公式估算值差值僅為3.8%,處于合理的誤差范圍內,說明采用本文的方法,模擬估算單樁的水平承載力是可行的,計算結果是可靠的。

根據規范要求,該水閘的每個閘門的設計荷載,該水閘范圍內的樁基水平承載力設計值為5900 kN,水閘進行樁基礎施工時布置60根樁,平均一根樁的承載力為98.3 kN,遠小于上述的計算結果,滿足設計要求。

5 結論

本文采用ANSYS 建模軟件結合工程實例探究了樁徑和樁長對單樁水平承載力的影響。研究結果如下：

（1）單樁的在受水平力發生破壞時存在一個臨界長度l0,在樁長小于l0時,單樁水平承載力會大幅降低,單樁樁身表現出剛性轉動現象。在樁長大于l0時,單樁水平承載力與樁長的關系不大,繼續增加樁長也無法提高單樁的水平承載力。

（2）單樁的水平承載力的大小與樁徑呈正相關,隨著樁徑的增加,樁基的水平承載力呈出逐漸增大的趨勢。

（3）樁身直徑的增加對單樁水平承載力的提高作用顯著,樁徑長度的增加對單樁水平承載力的提高存在臨界長度。綜合比較發現樁徑的增長帶來的單樁水平承載力增長效益要高于樁長帶來的增長效益。

（4）實際工程中,對于樁長和樁徑的組合選擇要綜合考慮,使設計達到經濟效益和工程要求的利用最大化。