勁性復合樁側摩阻力影響因素數值模擬研究

陳廷柱 何碧娟 黃國俊 劉濤 盛強 馮雨泉

(1.南京江北公用建設工程有限公司，江蘇 南京 211031；2.南京工業大學交通運輸工程學院，江蘇 南京 211816)

0 引言

軟土作為一種強度較低、壓縮量較高、滲透性較差的流變性土體，在我國東部沿江沿海地區廣泛分布。由于軟土不利于工程建設，故需進行地基加固處理，常用的處理方法主要是樁基礎。勁性復合樁是一種組合型樁體[1]，結合柔性水泥土攪拌樁和剛性混凝土樁的優點，能夠協調樁土變形，充分調動、發揮深層土體承載潛能，實現樁土共同作用[2-3]。

為對勁性復合樁進行優化設計，學者們對勁性復合樁工作性狀的影響因素進行相關分析。鐘佳男[4]探究了短芯勁性復合樁復合地基的荷載傳遞機理與變形特性，以及多個因素對其工作性狀的影響，并通過正交試驗分析各因素對樁土應力比、沉降的影響程度。李子田[5]采用室內模型試驗、數值分析和理論計算相結合的方法，分析了短芯勁性復合樁的豎向承載特性以及水泥土水泥摻入量和樁端阻力等因素對承載特性的影響。短芯勁性復合樁作為工程使用較多的勁性復合樁類型，對其工作性狀的研究已較為完善。但與短芯勁性復合樁不同，勁性復合樁內芯樁底直接與樁端持力層接觸，外芯水泥土樁只作為內芯混凝土樁與樁周土間的過渡層，兩者的受力性能與工作機理存在一定差別。

勁性復合樁作為一種在軟土地區使用的新樁型，其側摩阻力演化規律尚不明晰。鑒于此，本文采用有限元分析方法，研究不同水泥摻入量、內芯直徑和樁長對勁性復合樁工作性狀的影響，明晰勁性復合樁側摩阻力的演化規律。

1 計算模型建立

通過有限元軟件建立勁性復合樁模型，模型外芯樁長18m，直徑900mm，內芯樁長18m，直徑500mm，壁厚125mm，載荷板直徑與內芯直徑相等，高度150mm，置于內芯上方，水泥土中的水泥摻量為18%。為了保證模型的合理性，取15倍樁徑為樁的影響半徑，1.5倍樁長為整個模型的深度，最終建立的勁性復合樁模型尺寸為30m×30m×30m。對樁及樁周土采用彈塑性模型，載荷板及混凝土樁采用線彈性模型，相關模型材料見表1。模型網格劃分時對樁與樁周土體的網格進行局部加密，整個模型采用C3D8R實體單元。模型網格劃分情況如圖1所示。

圖1 勁性復合樁三維模型

表1 勁性復合樁模型材料參數表

在進行勁性復合樁設計時，通常會考慮到樁體材料與尺寸參數對樁體工作性狀的影響，此處主要討論水泥摻入量、復合樁內芯直徑及樁長對勁性復合樁工作性狀的影響。以單因素為變量進行數值模擬研究，內芯直徑分別為400mm、500mm、600mm、700mm，樁長分別為14m、16m、18m、20m，不同水泥摻入量的參數設置如表2所示。

表2 不同水泥摻入量的參數設置

2 計算結果分析

2.1 水泥土中水泥摻入量

水泥土中水泥摻入量的變化對勁性復合樁界面側摩阻力的影響如圖2所示。由圖2可以看出，隨著勁性復合樁水泥土中水泥摻入量的提高，內、外界面側摩阻力都有一定增長但變化量較小，變形曲線之間增長態勢并不明顯，不同水泥摻入量的內、外界面側摩阻力隨深度變化均呈現“M”型曲線，不同水泥摻入量的變化曲線并無峰值點的位移變化。這是因為隨著勁性復合樁水泥摻入量的提高，內、外界面的水泥粘結效應與摩擦作用都有一定增強，界面的剪切強度有所提升，相應側摩阻力也有一定提高，因而內、外界面側摩阻力都有一定的增長。但由于水泥摻入量只對水泥的粘結效應進行累加，因此其界面剪切強度變化不大，內、外界面側摩阻力提升有限，整體變化態勢不明顯。

圖2 水泥摻量對界面側摩阻力的影響

2.2 內芯直徑

不同內芯直徑對勁性復合樁界面側摩阻力的影響如圖3所示。由圖3可以看出，在上部荷載及水泥土水泥摻入量一定的情況下，隨著勁芯復合樁內芯直徑的增加，內界面側摩阻力隨深度變化幅度減小，內界面側摩阻力峰值變化點不隨內芯直徑改變而發生變化。其原因為隨著內芯直徑增加，樁身長徑比減小，內界面的表面積增大，內芯抗壓剛度增大，樁身軸力作用下單位樁身壓縮量所需承擔的樁頂荷載減小，樁身側向壓縮變形減小，作用于內芯樁周界面上的法向應力減小，內界面側摩阻力逐漸減小。

圖3 內芯直徑對界面側摩阻力的影響

相較于內界面側摩阻力，由于內芯直徑改變對樁身長徑比及外界面表面積并無改變，且頂部作用荷載一定，單位樁身壓縮量所需承擔的樁頂荷載及樁身側向壓縮變形的影響變化較小，故在水泥土中水泥摻入量及上部荷載相同的條件下，內芯直徑變化對勁性復合樁外界面的影響小于內界面，內芯直徑對外界面側摩阻力的影響可忽略不計。因此實際工程中，在保證內界面側摩阻力安全的前提下，應當選擇較小的內芯直徑，以節約施工成本。

2.3 樁長

不同樁長對勁性復合樁界面側摩阻力的影響如圖4所示。由圖4可以看出，不同樁長的勁性復合樁，在靠近樁頂處，其內、外界面側摩阻力相近。在靠近某一樁長勁性復合樁的樁端深度范圍內，此樁長的勁性復合樁內界面、外界面側摩阻力均高于其他樁長的勁性復合樁內、外界面側摩阻力，其他樁長的樁內界面、外界面側摩阻力大小排序為樁長越靠近相應深度其值越高。這是因為由于在上部荷載一定的情況下，樁身側摩阻力一定，若樁身直徑不變，樁長增加，其長徑比增大，樁身壓縮單位長度產生的樁側摩阻力增大，故某一樁長的樁端深度范圍內，其樁長愈接近該樁端深度范圍，其內、外界面側摩阻力愈大。以靠近14m深度范圍內為例，14m樁內(外)界面側摩阻力＞16m樁內(外)界面側摩阻力＞18m樁內(外)界面側摩阻力＞20m樁內(外)界面側摩阻力。

圖4 樁長對界面側摩阻力的影響

此外，在相同上部荷載及水泥土水泥摻入量的條件下，不同樁長對最大側摩阻力有較大影響，表現為隨著樁長的增大，內界面、外界面最大側摩阻力都在減小，不同樁長的最大側摩阻力均位于距樁底端約2m處而非位于樁底端處，這是因為存在樁側摩阻力的深度效應，即在某一深度后樁側摩阻力達到最大側摩阻力，繼續增大深度，樁側摩阻力不再隨深度增加而線性增長，故不同樁長的最大側摩阻力均不位于樁底端處。

3 結束語

本文采用有限元分析方法，研究不同水泥摻入量、內芯直徑和樁長對勁性復合樁工作性狀的影響，明晰勁性復合樁側摩阻力的演化規律，結論如下：

（1）提高水泥土中水泥摻入量對勁性復合樁工作性狀影響較小，但其內、外界面側摩阻力均出現增長，不同水泥摻入量的變化曲線并無峰值點的位移變化。

（2）隨著勁性復合樁內芯直徑的增大，長徑比減小，內界面的表面積增大，內芯抗壓剛度增大，樁身軸力作用下單位樁身壓縮量所需承擔的樁頂荷載減小，樁身側向壓縮變形減小，內芯樁周界面法向應力減小，使得內界面側摩阻力逐漸減小，而外界面側摩阻力受內芯直徑變化影響較小。

（3）隨勁性復合樁樁長的增大，在樁頂處影響效果較小，隨著深度的增加，在樁底處樁長越長，內、外界面側摩阻力越小。

（4）在一定深度范圍內，內、外界面側摩阻力均呈現隨深度增加而增大的變化趨勢，但超出一定深度后，由于樁側摩阻力的深度效應，樁周豎向有效應力與覆蓋應力不再相等，樁側摩阻力不再隨深度增大而增加，不同樁長的最大側摩阻力均位于樁底端上部并非樁底端處。