沉渣對(duì)鉆孔灌注樁承載力影響分析

陶 彥

(遼寧建筑職業(yè)學(xué)院，遼寧遼陽(yáng) 111000)

0 引言

基礎(chǔ)工程是建筑工程的重要組成部分，基礎(chǔ)工程的質(zhì)量直接關(guān)系到整個(gè)建筑結(jié)構(gòu)的安全。樁基礎(chǔ)是基礎(chǔ)的主要形式之一，隨著高層建筑的蓬勃發(fā)展，結(jié)構(gòu)體越發(fā)得復(fù)雜，地下空間的利用也越發(fā)地被重視起來(lái)，樁基礎(chǔ)逐漸成為了許多建筑首選的基礎(chǔ)類型。

鉆孔灌注樁因其施工工藝簡(jiǎn)單、適用性強(qiáng)、造價(jià)低等特點(diǎn)，在建筑基礎(chǔ)工程中得到了廣泛的應(yīng)用。但是由于成孔、灌注混凝土、成樁都處于隱蔽狀態(tài)，因此往往樁基工程在設(shè)計(jì)、施工、質(zhì)量檢測(cè)等方面都比上部結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，更容易存在質(zhì)量隱患。在施工過(guò)程中，由于受施工設(shè)備、技術(shù)及工藝水平的影響，樁底沉渣控制難度較大，許多工程樁的樁底不可避免的殘余有一定厚度的沉渣，對(duì)單樁承載力影響頗大。

本文通過(guò)大型有限元分析軟件ADINA對(duì)樁體進(jìn)行二維模擬，并采用大型數(shù)值分析軟件MATLAB對(duì)得出的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得出相應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)公式，進(jìn)而研究不同樁底沉渣厚度對(duì)鉆孔灌注樁承載力的影響，具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值。

1 工程實(shí)例

蓋州北海新區(qū)住宅回遷樓基礎(chǔ)鉆孔灌注樁工程，采用的是反向循環(huán)泥漿護(hù)壁鉆孔灌注樁，樁體為埋頭樁，高程采用絕對(duì)高程，本工程±0相當(dāng)于絕對(duì)高程的13.4 m，樁頂標(biāo)高為－3.7 m，樁體設(shè)計(jì)承載力為2 500 kN。選取其中一根工程樁C15-24為例，其孔口高程為－0.63 m，鉆機(jī)采用反向回轉(zhuǎn)鉆機(jī)，導(dǎo)管直徑200 mm，混凝土采用C25商用混凝土，坍落度為207 mm，充盈系數(shù)為1.16，泥漿比重為1.16，樁體垂直度小于樁長(zhǎng)的1%，灌注時(shí)導(dǎo)管距離井底0.6 m，鋼筋籠長(zhǎng)16.6 m。

鉆孔范圍內(nèi)地質(zhì)情況見(jiàn)表1。

表1 C15-24鉆孔范圍內(nèi)地質(zhì)情況

2 仿真模擬

有限元分析模型中，在樁頂施加均布荷載，為簡(jiǎn)化起見(jiàn)，只考慮一層巖土體的情況，在樁與土體的側(cè)面接觸部分設(shè)置了接觸面，樁底無(wú)接觸面，采用了標(biāo)準(zhǔn)的約束條件，即限制了邊界上的水平變形，只允許產(chǎn)生豎向變形。當(dāng)樁頂總位移量不小于35 mm，本級(jí)荷載的下沉量不小于前一級(jí)荷載的下沉量的5倍時(shí)，即終止加載，取終止時(shí)荷載小一級(jí)的荷載為極限荷載。當(dāng)樁頂總位移量小于35 mm時(shí)，若P—S曲線呈陡變型曲線，取陡變的前一級(jí)荷載為殘余承載力的極限值。

采用大型有限元分析軟件ADINA對(duì)樁體進(jìn)行二維模擬分析，簡(jiǎn)化模型圖見(jiàn)圖1。

圖1 簡(jiǎn)化模型圖（單位：m）

模型中樁體采用各項(xiàng)同性線彈性體模型，土體采用Mohr-Coulumnb模型，計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 模型參數(shù)

提取數(shù)據(jù)后，利用MATLAB根據(jù)所得數(shù)據(jù)繪出不同沉渣厚度所對(duì)應(yīng)的P—S曲線，見(jiàn)圖2。

圖2 不同沉渣厚度所對(duì)應(yīng)的P—S曲線

根據(jù)圖2可以看出，與無(wú)沉渣的鉆孔灌注樁相比，沉渣厚度較大的鉆孔灌注樁的P—S曲線由“平緩型”過(guò)渡為“突變型”，進(jìn)而表明其破壞形式將由局部剪切破壞轉(zhuǎn)變?yōu)闃都獯倘肫茐?。因而?dǎo)致樁體的承載力大幅下降。

根據(jù)不同沉渣厚度所對(duì)應(yīng)的P—S曲線可以得出不同沉渣厚度所對(duì)應(yīng)的殘余承載力曲線，并利用MATLAB進(jìn)行擬合，對(duì)比圖見(jiàn)圖3。

從圖3可以看出圖像大致符合指數(shù)分布，利用MATLAB編寫如下程序:

圖3 不同沉渣厚度所對(duì)應(yīng)的殘余承載力曲線

根據(jù)擬合結(jié)果可以得出樁體殘余承載力的經(jīng)驗(yàn)公式，如式(1)所示。

式中:F'——?dú)堄喑休d力，kN;

h——樁底沉渣厚度，mm;

F——樁底無(wú)沉渣情況下樁體承載力，kN。

可以看出，樁體殘余承載力隨樁底沉渣厚度的增加而呈指數(shù)形式降低，并與周圍土體的性質(zhì)有關(guān)。當(dāng)沉渣厚度達(dá)到一定值時(shí)對(duì)樁體殘余承載力的影響作用趨于平緩。

提取相關(guān)數(shù)據(jù)得出不同荷載作用下樁頂位移和沉渣厚度關(guān)系曲線，見(jiàn)圖4。

圖4 不同荷載作用下樁頂位移和沉渣厚度關(guān)系曲線

由圖4可以看出，樁頂所施加的荷載及樁底沉渣厚度對(duì)樁頂位移均有影響，當(dāng)荷載不變時(shí)，樁頂位移與沉渣厚度呈指數(shù)關(guān)系，當(dāng)沉渣厚度小于200 mm時(shí)，對(duì)樁頂位移影響較大，當(dāng)沉渣厚度超過(guò)200 mm以后，對(duì)樁頂位移影響較小。

3 結(jié)語(yǔ)

鉆孔灌注樁在施工過(guò)程中，由于多種原因，樁底沉渣控制難度較大，對(duì)單樁承載力影響頗大。

本文利用大型有限元分析軟件ADINA和數(shù)值分析軟件MATLAB對(duì)不同厚度樁底沉渣樁體進(jìn)行模擬，通過(guò)分析得出如下結(jié)論:

1)與無(wú)沉渣的鉆孔灌注樁相比，沉渣厚度較大的鉆孔灌注樁的P—S曲線由“平緩型”過(guò)渡為“突變型”，進(jìn)而表明其破壞形式將由局部剪切破壞轉(zhuǎn)變?yōu)闃都獯倘肫茐?。因而?dǎo)致樁體的承載力大幅下降;

2)樁體殘余承載力隨樁底沉渣厚度的增加而呈指數(shù)形式降低，并與周圍土體的性質(zhì)有關(guān)。并且根據(jù)P—S曲線，利用MATLAB模擬出相應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)公式;

3)當(dāng)沉渣厚度在100 mm以內(nèi)時(shí)，對(duì)樁體的承載力削弱比較大，但是當(dāng)沉渣厚度達(dá)到一定值時(shí)，對(duì)樁體承載力的影響作用趨于平緩;

4)樁頂所施加的荷載及樁底沉渣厚度對(duì)樁頂位移均有影響，當(dāng)荷載不變時(shí)樁頂位移與沉渣厚度呈指數(shù)關(guān)系，當(dāng)沉渣厚度小于200 mm時(shí)，對(duì)樁頂位移影響較大，當(dāng)沉渣厚度超過(guò)200 mm以后，對(duì)樁頂位移影響較小。

［1］劉俊龍.樁底沉渣對(duì)超長(zhǎng)大直徑鉆孔灌注樁承載力影響的試驗(yàn)研究［J］.工程勘察，2000，61(3):8-11.

［2］張忠苗.軟土地基超長(zhǎng)嵌巖樁的受力分析［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2001，31(9):551-555.

［3］趙名華，鄒新軍.洞庭湖大直徑超長(zhǎng)鉆孔灌注樁豎向承載力試驗(yàn)研究［J］.土木工程學(xué)報(bào)，2004，34(10):63-67.

［4］唐軍峰，唐雪梅，胡祥昭，等.大直徑灌注樁的靜載試驗(yàn)研究［J］.巖土工程技術(shù)，2004，34(6):315-319.

［5］謝潤(rùn)華，孫 紅.大直徑超長(zhǎng)灌注樁設(shè)計(jì)方法分析［J］.巖土力學(xué)，2004，34(11):550-552.

［6］Davis A G.The Nondestructive Impulse Response Test in North America［J］.NDT and International，2003，36(4):185-193.

［7］Zhang L M，Li D Q，Tang W H.Reliability of Bored Pile Foundations Considering Bias in Failure Criteria［J］.Geotechncal Journal，2005，42(4):1086-1093.

［8］樓曉明，陳強(qiáng)華.鉆孔灌注樁承載力異?，F(xiàn)象分析［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2005，42(5):176-179.

［9］舒 翔，劉利民.鉆孔灌注樁承載力的成孔效應(yīng)［J］.建筑技術(shù)，2003，34(3):185-186.

［10］朱向容，方鵬飛.深厚軟基超長(zhǎng)樁性狀試驗(yàn)研究［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2003，61(1):76-79.