豎向荷載作用下樁的承載力效應研究

苗繼慶,穆鵬華,楊林深,韓劍波

(中冀建勘集團有限公司,河北 石家莊 050200)

0 引言

隨著我國經濟建設的快速發展,各類建筑物對基礎的要求越來越高。樁基礎由于承載力高和變形小的優點被廣泛應用與基礎工程建設中。研究表明,樁基礎可以有效控制上部結構的變形從而保證結構的穩定性。鄧小雪[1]基于有限元研究了豎向荷載作用下復雜群樁的變形及荷載分布規律。結果表明,超長群樁的Q-S曲線呈緩變特征,樁身軸力在中樁最大,角樁最小,樁身的壓縮沉降量隨樁長增大而減小。劉祥沛等[2]基于室內模型試驗和數值模擬系統的研究了樁基礎破壞特征。結果表明,樁基礎在破壞時樁頂位移會迅速增大,且破壞時樁底反力出現突變。秋仁東等[3]基于大比例模型試驗系統的研究了長群樁基礎承載力性狀。結果表明,群樁基礎存在明顯的硬化效應,端阻力在樁距較小的條件下提高幅度較大。此外,群樁承臺反力隨沉降的增大而增大。在其他條件相同的情況下,承臺反力隨樁距增大而增大。范慶來等[4]基于ABAQUS數值模擬,系統的研究了非均質各向異性軟基上管樁基礎承載力。結果表明,對于弱超固結土層在考慮土層裂縫時得到的失穩機制中,筒體界面與土體沒有明顯的裂縫。于炎成等[5]基于模型試驗和數值模擬系統的分析了根式樁基礎豎向荷載傳遞機制。結果表明,根式樁基礎承載力夠大,基礎的根腱部位可以釋放更大范圍土體的承載力,并可有效增大樁側摩阻力和極限承載力。張征等[6]基于振動臺試驗系統的研究了砂土液化過程中樁-土動力相互作用p-y曲線特征。結果表明,砂土液化過程中,樁身彎矩先增大后減小,其中p-y滯回曲線沒有出現軟化線性。在高頻加載下樁側土反力增大,p-y曲線呈現凹型。

考慮目前關于樁基礎承載力計算不精確,樁基工程經常出現質量問題,造成人員和財產的損失。本文采用數值模擬方法,開展豎向荷載作用下樁的承載力特性及承載力計算方法研究,本文的研究結果為相關工程設計及施工提供借鑒。

1 工況概況

本文所研究的樁基礎屬于橋梁樁基礎,樁基礎采用鉆孔灌注樁,樁徑為1.2 m,樁長為40 m,樁身混凝土強度均采用C30混凝土澆筑。預估單樁承載力特征值為580 t。試驗采用豎向承載力壓樁試驗,每根試驗樁設計4根反力錨樁。試驗中衛了精確獲取樁的側阻力和端阻力,試驗過程中預埋沉降桿進行多斷面位移監測。

鉆孔資料揭示,研究區的土體自上而下分別為中砂、粉質黏土層、以及地層的細砂-中砂層。根據勘查報告顯示,現場地基屬于軟土地基,壓縮性較大。為保證基礎承載力及變形要求,采用鉆孔灌注樁進行施工。本次壓樁試驗采用分級加載方式,每級荷載為120 t,重級荷載為1 440 t,試驗加載方式見圖1所示。

圖1 試驗加載分級

2 結果與分析

2.1 試驗結果

圖2為試驗過程中各級荷載作用下樁的軸力分布結果。表明在最大荷載作用下,樁的沉降量約為7.6 mm。其中Q-S曲線沒有出現明顯的陡將,證明樁的完整性在試驗結束時比較完整。當荷載增大至840 t時,穩定時間可達8.5 h。此外,根據圖1結果,樁身軸力隨樁的深度增加而減小。當荷載增大至最大時,樁端壓力較小,證明樁端地基承載力沒有發揮充分,另一方面也證明本文研究的樁屬于摩擦型樁。

圖2 樁軸力分布

為計算樁側摩阻力,本文利用下式計算計算:

Qi=qsi×U×Li

(1)

式中:Qi為第i層土所受的豎向力,qsi為側壁摩阻力,U為樁的周長,Li為土層厚度。

圖3計算得到樁側壁摩阻力分布。結果表明,當荷載較小時,側壁摩阻力分擔了多數的外荷載,隨著荷載增大,當側壁摩阻力達到極限時,樁端阻力開始發揮作用。圖4結果表明,當荷載為1 440 t時,樁頂變形為7 mm,樁端為0.7 mm,樁身壓縮量為4.9 mm。根據以上分析,樁身壓縮量隨深度的增大而減小,樁端變形是由于土體彈塑性變形的結果。

圖4 樁沉降曲線

2.2 數值模擬

2.2.1 模型建立

為進一步研究樁土相互作用。本文在試驗的基礎上進一步采用數值模擬進行深入研究。采用FLAC建立數值分析模型見圖5。模型的具體尺寸見圖中所示。模型的邊界條件為:下邊界為約束三個方向的自由度,上邊界為自由邊界,左右邊界約為水平方向的位移。計算中假定側壓力系數為0.33。巖土體本構模型采用通用的摩爾-昆侖模型,樁采用線彈性本構。數值模擬中具體的巖土體物理力學參數見表1所示。

表1 巖土體物理力學參數

圖5 數值模型示意圖

2.2.2 對比結果分析

圖6給出了相同條件下試驗值與數值模擬的對比結果。表明,數值模擬與試驗值基本吻合,兩者的相對誤差在10%以內。但在荷載為840 t時,兩者誤差較大,但總體來看,數值模擬在加載結束時,未達到樁的破壞極限。證明數值模型參數選取合理,計算科學,可為下文的深入分析做基礎。

圖6 試驗與數值模擬結果

2.2.3 樁的破壞機理

圖7給出了數值計算得到在各級荷載下的Q-S曲線。結果表明,當荷載為1 800 t時,曲線出現突變,且樁的變形是上級荷載的2.6倍。因此該級荷載可作為樁的極限荷載。在極限荷載下,樁的壓縮變形量為5.8 mm,占總變形的42%。

圖7 樁Q-S模擬曲線

圖8得到了樁身軸力分布規律。結果表明,模擬值與試驗結果基本吻合。當荷載為1 800 t時,樁端軸力迅速增大,這會導致在樁端土體發生較大的應力集中,從而導致地基發生塑性剪切破壞。

綜合以上分析,當荷載較小時,樁身會發生一定的彈性變形,樁承受外荷載的主要方式為側壁摩阻力,進一步增大荷載時,樁端阻力開始發揮作用,此外,外荷載主要有由側壁摩阻力和樁端阻力共同承擔。

2.2.4 參數優化結果

為了優化樁的承載力形狀,本文在外荷載為1 440 t的工況下,分析計算了不同樁長下的樁頂荷樁端的變形曲線,結果見圖9所示。

圖9 樁變形曲線模擬

圖9結果表明,隨著樁長的增大,樁頂位移和樁底部位移變形均表現出增大的趨勢。但樁身壓縮基本保持不變。當樁長為33 m時,樁頂荷樁底位移出現突變,因此在實際工程中,樁的最大長度不宜小于33 m。

進一步研究了在極限荷載1 440 t工況下,樁端進行注漿加固時的承載力形狀見圖10所示。結果表明,當在在不同位置處進行注漿加固后可以顯著減小樁的變形。尤其是樁底的位移減小量最大。其中樁頂位移減小了28%,而樁底位移減小了58%。根據注漿后樁的軸力分布結果(圖10)來看,注漿后樁端軸力明顯大于未注漿時的樁軸力。因此,注漿會顯著提高樁的承載力。綜合來看,注漿可以有效彌補樁基礎施工中樁端沉渣問題。

3 結語

本文基于樁基礎壓樁試驗和數值模擬,開展豎向荷載作用下樁承載力性狀研究,系統的分析了在逐級加載作用下,樁的軸力和樁的位移等變化規律,并進一步采用數值模擬對相關參數進行優化,得到如下幾點結果:

(1)在荷載較小時,側壁摩阻力首先發揮作用,隨著荷載增大,當側壁摩阻力達到極限時,樁端阻力開始發揮作用。當荷載為1 440 t時,樁頂變形為7 mm,樁端為0.7 mm,樁身壓縮量為4.9 mm。根據以上分析,樁身壓縮量隨深度的增大而減小,樁端變形是由于土體彈塑性變形的結果。

(2)數值模擬與試驗值基本吻合,兩者的相對誤差在10%以內。但在荷載為840 t時,兩者誤差較大,但總體來看,數值模擬在加載結束時,未達到樁的破壞極限。證明數值模型計算科學。

(3)隨著樁長的增大,樁頂位移和樁底部位移變形均表現出增大的趨勢。但樁身壓縮基本保持不變。當樁長為33 m時,樁頂荷樁底位移出現突變,在實際工程中,樁的最大長度不宜小于33 m。此外,采用后注漿的方式可以有效提高樁的承載力。