橋梁鉆孔灌注樁單樁靜載試驗數值仿真研究

白利剛

（大同高速公路管理有限公司,山西 大同 037000）

0 引言

隨著我國基礎建設的發展和交通運輸行業的需要，橋梁工程越來越大，大直徑鉆孔灌注樁是橋梁工程地基處理中的有效手段。對樁體極限承載力的研究一直是研究的難點與重點[1-2]。

王述紅等[3]考慮土體的連續性，對樁體承載力自平衡法進行了研究。馬甲寬等[4]基于太沙基極限平衡理論，通過現場監測等手段，對多種破壞模式下的螺紋樁承載力進行了計算。黃河等[5]通過室內試驗，研究了竹筋格柵套筒加筋碎石樁承載力。陳濤等[6]考慮巖溶的影響，通過現場試驗等手段研究了巖溶地區嵌巖樁樁身承載力的分布規律。

王國才等[7]通過數值模擬手段，對豎向荷載作用下螺紋樁的承載能力和群樁效應進行了研究。董建松等[8]依托實際工程案例，優化了特大巖溶空洞下的樁基施工技術。在此基礎上，該文針對橋梁鉆孔灌注樁單樁極限承載力進行研究，依托實際工程案例，進行了現場靜載試驗，并通過有限元軟件建立樁基模型進行數值仿真，對樁基沉降、樁身軸力分布、承載力組成和極限承載力大小進行了研究。

1 工程概況

該文依托某高速公路擴建工程項目，該項目包含橋梁13 座，全長13 km。樁基礎主要選用鉆孔灌注樁，穿越底層主要為不具濕陷性的黃土層，試驗區主要土層物理指標見表1。

表1 主要土層物理指標

為了研究該工程的結構和地質特性，首先通過現場靜載試驗對鉆孔灌注樁的承載特性進行了研究；其次通過有限元方法對單樁靜載試驗進行了分級加載數值仿真模擬。

2 單樁豎向靜載試驗

通過設置1 根30 m 的試樁進行靜載試驗，布置4 根樁長與試樁相同的錨固樁，即“四錨一”。根據規范要求，錨樁與試樁的間距設為3.4 m。樁徑均為1.5 m，采用C30 混凝土澆筑，試樁樁頂0.5 m 范圍內承臺采用C40混凝土澆筑，錨樁樁頂與地面平齊，試樁樁頂高出錨樁0.5 m。根據地勘資料，初步判定該試樁為摩擦型樁。

如圖1 所示展示了試樁的Q-s曲線。從圖中可以看出，隨著豎向荷載的施加，試樁沉降隨之增大。在豎向荷載增加到18 000 kN 時，由于反力梁發生撓度變形以及錨拔連接器出現松動、脫落，故而終止加載。當豎向荷載加載到18 000 kN 時，樁頂沉降量約為28.4 mm，卸載后，最大回彈量達到了9.4 mm，回彈率為33.1%。

圖1 試樁Q-s 曲線

3 單樁靜載試驗數值仿真

3.1 有限元數值模型建立

為進一步研究鉆孔灌注樁的單樁靜載承載力特征，該文通過有限元軟件進行了單樁靜載試驗數值仿真。樁體本構模型選用各向同性線彈性模型。根據以往模擬以及實際工程經驗，土體本構模型選用摩爾—庫倫模型。

根據上述靜載試驗，建立“四錨一”布置的樁土模型進行靜載試驗，試樁和錨樁的樁長均為30 m，直徑為1.5 m，如表2 所示為數值模型材料參數。

表2 模型材料參數

試樁加載從3 000 kN 開始以1 500 kN 為步長進行加載。考慮錨樁受拉上拔對試樁的影響，對荷載狀態進行了定義，分別為初始地應力平衡狀態、單樁受壓狀態和錨樁受拉狀態。忽略反力裝置在反力傳遞過程中自身的損耗情況，數值模型見圖2。

圖2 模型網格劃分

3.2 結果分析與討論

3.2.1 模型驗證

如圖3 所示，展示了有無錨樁兩種模型模擬結果與實測數據的對比情況。從圖中可以看出，隨著豎向荷載的施加，樁頂沉降隨荷載大小變化趨勢和數值大小，兩模型與實測值均較為接近。

圖3 兩種模型模擬結果與實測數據對比

相比較而言，無錨樁模型沉降計算結果偏大，表明錨樁的存在，有效抑制了樁周土體變形，對樁體形成了約束力，進而導致沉降減小。從樁體沉降而言，樁體沉降隨荷載呈現指數型增加趨勢，尤其是在20 000 kN 之后，樁體沉降速率大幅加快。

3.2.2 樁身內力分布

如圖4 所示，展示了不同荷載等級下樁身內力隨深度變化情況。從圖4(a)中可以看出，樁身軸力隨著深度的增加不斷衰減。樁身軸力與荷載大小呈現正相關關系。荷載較低時，樁身軸力隨深度變化呈直線，隨著荷載的增加，樁身軸力隨深度增加其下降速度呈現先慢后快的趨勢。在深度達到30 m 時，各荷載等級下的樁身軸力差異不大。這是由于樁身會產生側摩阻力，隨著深度的增加，側摩阻力不斷加大，對傳遞過來的上部荷載進行抵消，因此呈現出上述現象。

圖4 不同加載大小下樁身內力分布

從圖4(b)中可以看出，樁側摩阻力隨著荷載的增加而增大，與施加荷載大小呈現正相關趨勢。在深度較淺時，側摩阻力隨深度增加而增大，后保持穩定。在樁身上部，側摩阻力隨深度增加而逐漸增大，在淺部土層側阻力增大至接近極限后保持穩定。而在樁身中下部，裝測阻力達到峰值。在樁身下部及樁端位置處，部分側摩阻力沿深度方向減小，而由于樁端土體對樁產生擠密作用，使得樁側摩阻力出現一定程度的強化，因而在樁端位置處亦出現不同程度的增大。整體而言，隨著荷載的增大，樁側摩阻力曲線中心向下偏移，基本呈現“單峰狀”分布。

3.2.3 樁側摩阻力

如圖5 所示，展示了各土層樁側摩阻力隨相對位移變化曲線。從圖中可以看出，隨著相對位移的增大，樁側摩阻力呈現出先增大后趨于穩定的一般性規律。相比較而言，土層1 和土層2 在側摩阻力增加到峰值點后出現了一小部分的衰減后趨于穩定。從數值而言，土層3的側摩阻力最大，其次為土層2，樁側摩阻力最小的為土層1，這也對應了該文樁側摩阻力隨深度變化所展現出的規律。

圖5 樁側摩阻力隨相對位移變化曲線

4 結語

為研究橋梁鉆孔灌注樁單樁極限承載力，該文依托實際工程案例，進行了現場靜載試驗。基于此，通過有限元軟件建立樁基模型進行數值仿真，對樁基沉降、樁身軸力分布、承載力組成和極限承載力大小進行了研究，得出主要結論如下：

（1）當試樁豎向荷載加載到18 000 kN 時，樁頂沉降量約為28.4 mm。根據曲線變形規律，可判斷試樁Q-s變形曲線為緩變型曲線。

（2）數值模擬結果與實測值吻合較好，表明該樁基模型在參數設定、材料本構模型選取、邊界條件以及模型劃分方面是較為合理、有效的。

（3）樁體沉降隨荷載呈現指數型增加趨勢，在施加荷載較低時，沉降隨荷載增加變化速度較慢，而隨著荷載的提高，尤其是在20 000 kN 之后，樁體沉降速率大幅加快。

（4）在加載至接近20 000 kN 時，樁側摩阻力趨于重合，而沉降達到了40 mm，且增加速率較快，因此可以判定試樁的極限承載力約為20 000 kN。