基于ABAQUS的鉆孔灌注樁承載特性

馬 聰

(云南省交通科學(xué)研究院，云南 昆明 650011)

0 引 言

鉆孔灌注樁具有單樁承載能力大、樁端能夠有效嵌入巖層、樁側(cè)與土體可有效黏結(jié)以及施工震動(dòng)低、噪音低等優(yōu)勢(shì)[1-5]，而在喀斯特地貌發(fā)育的地質(zhì)情況下，這類基礎(chǔ)工程需要考慮的安全因素較多。為了研究鉆孔灌注樁在特殊地質(zhì)條件下的使用情況，本文利用有限元軟件ABAQUS對(duì)樁體承載機(jī)制及破壞形式進(jìn)行分析。

1 工程概況

云貴高原剝蝕地貌區(qū)的高跨橋梁采用鉆孔灌注樁的施工工藝。該地區(qū)的地質(zhì)特點(diǎn)為：地形起伏大，巖溶地質(zhì)復(fù)雜且存在斷層；以坡洪積層、坡殘積層、粉質(zhì)黏土、黏土、碎石土、巖性灰?guī)r、白云巖、泥灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r、泥巖、砂巖為主要不良地質(zhì)巖；地表水系發(fā)達(dá)，地下水以巖溶水為主。

鉆孔樁施工采用CFZ-1000反循環(huán)沖擊鉆機(jī)成孔，樁徑有1.0、1.25、1.5 m等，導(dǎo)管灌注成樁，并通過鉆孔平臺(tái)搭設(shè)、護(hù)筒埋設(shè)、鉆孔、清孔、制作、安裝鋼筋骨架、灌注水下混凝土、 截除樁頭和樁基檢驗(yàn)等一系列施工流程來完成基礎(chǔ)施工。

2 計(jì)算模型

大直徑灌注樁的計(jì)算模型如圖1所示。計(jì)算公式為

Quk=Qsk+Qpk=u∑ψsqskli+ψpqpkAp

(1)

式中：Quk為單樁極限承載力；Qsk為單樁極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值；Qpk為單樁極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值；li為第i層土厚度；Ap為樁截面積；qsk、qpk分別為樁側(cè)第i層土側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值、樁端阻力標(biāo)準(zhǔn)值；ψs、ψp分別為樁側(cè)與樁端尺寸應(yīng)變系數(shù)；u為樁周長(zhǎng)。

(2)

根據(jù)圖1進(jìn)行簡(jiǎn)易計(jì)算，則有式中：Qs1為樁土接觸面的摩擦力；Qs2為樁端與土體的剪切力；Qs3為樁端阻力；μ為樁土摩擦系數(shù)，μ=tan(0.75Φ)，Φ為摩擦角；K0為靜止土壓力系數(shù)；γ1、γ2分別代表土體和基巖的重度；d為注漿體直徑；c為土體黏聚力。

圖1 計(jì)算模型

3 有限元分析

3.1 有限元建模

根據(jù)工程采用的大直徑灌注樁選取直徑為1.25 m的樁進(jìn)行ABAQUS三維建模，分析其承載機(jī)制及土體破壞形式[6-8]。為了便于數(shù)值模擬，土體材料參數(shù)歸一化，這里嵌入巖層厚度選擇3d；土體采用M-C模型，考慮樁土接觸面的設(shè)置時(shí)，樁與土采用face-face接觸，摩擦系數(shù)μ選取為tan(0.75Φ)；同時(shí)，考慮邊界條件的尺寸效應(yīng)問題。樁土材料參數(shù)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)的取值見表1，樁土模型如圖2所示。

3.2 數(shù)據(jù)分析

3.2.1 承載力分析

本文選取樁長(zhǎng)為12 m的樁作為研究對(duì)象。通過計(jì)算得到荷載與位移曲線關(guān)系，如圖3所示，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取位移為0.05d時(shí)的荷載值作為單樁抗壓極限承載力值，由此得到該單樁的安全承載力為3 916.8 kN，并由式(2)計(jì)算得到Qs3的極限值為2 034.9 kN，可見該灌注樁主要由樁端承載。

表1 樁土材料參數(shù)

圖2 樁土模型

由圖3可知，樁體呈現(xiàn)緩變承載趨勢(shì)。在荷載傳遞過程中，先是樁側(cè)發(fā)揮抵制下壓荷載的作用，呈線性，即ab段；荷載逐漸增大，樁端發(fā)揮作用，呈現(xiàn)緩變，即bc段；繼續(xù)加大荷載，樁端土體能夠完全進(jìn)入塑性發(fā)展?fàn)顟B(tài)，呈線性，即cd段。

圖3 荷載與位移的曲線關(guān)系

3.2.2 樁身軸力分析

通過靜力荷載分級(jí)施加，對(duì)樁身軸力進(jìn)行分析，如圖4所示。樁身軸力沿著樁深曲線走勢(shì)一致，樁頂至樁深8.25 m處，上部荷載沿著樁側(cè)線性遞減幅度較小，可看作是等效荷載傳遞；樁深8.25 m至樁底，曲線形式有較大變化，先是荷載遞減程度加大，隨后在樁底形成應(yīng)力擴(kuò)散，表現(xiàn)為端承樁的特性。

圖4 樁身軸力曲線

3.2.3 破壞形式分析

大直徑鉆孔灌注樁在承受極限荷載時(shí)，往往表現(xiàn)出對(duì)樁端土體的剪切破壞，呈現(xiàn)出沖剪錐臺(tái)的形狀，計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖5所示。通過圖6樁端位移矢量云圖可以觀測(cè)到：隨著荷載的增加，樁側(cè)帶著樁周土體向下移動(dòng)，在樁底以上約1.5d處形成角度小于45°的變形區(qū)。

圖5 樁端土體剪切破壞

圖6 樁端位移矢量圖

樁體破壞表現(xiàn)為樁端土體進(jìn)入塑性屈服，如圖7所示。大致影響區(qū)域?yàn)椋哄F臺(tái)上表面直徑為1.75d，下表面直徑為4.5d，高為5d(包括1.5d的嵌入部分)。因此，在樁基施工時(shí)若不能保證樁端有效承載，可以采取樁端注漿措施來提高強(qiáng)度。

3.2.4 參數(shù)變化分析

(1)變化Φ、c值。這里選取單一土層土體進(jìn)行參數(shù)變化分析，在M-C模型里，Φ、c值的選取較為關(guān)鍵，各樁徑荷載隨Φ、c值的變化情況如圖8、9所示。其中，Φ值分別取18°、23°、28°、33°，c值分別取19.0、39.0、59.0、79.0 kPa。

圖8 Φ改變時(shí)不同樁徑極限荷載情況

圖9 c改變時(shí)不同樁徑極限荷載情況

由圖8、9可見，樁承載能力隨著Φ、c值的增大呈線性增大。因此，在實(shí)際工程中，可根據(jù)樁體設(shè)計(jì)承載力及地質(zhì)勘測(cè)情況選取適當(dāng)樁徑的樁。

(2)變化樁長(zhǎng)。選取樁長(zhǎng)L分別為8.0、12.0、20.0、28.0 m進(jìn)行分析，如圖10所示。由圖10可知，隨著樁長(zhǎng)的增大，承載能力增加；樁徑越大，承載能力也越大。

圖10 樁長(zhǎng)改變時(shí)不同樁徑極限荷載情況

4 關(guān)鍵技術(shù)分析

鉆孔灌注樁常采用泥漿護(hù)壁來保證樁土的緊密黏結(jié)，并采取一系列的工程措施，如平整場(chǎng)地使鉆孔樁錘與地面垂直、樁孔測(cè)量放樣、護(hù)筒高于地面0.3 m進(jìn)行鋪設(shè)以及傾斜偏差要小于1%等[9-12]。在鉆孔過程中需要有穩(wěn)定的泥漿壓力對(duì)壁孔形成支撐，當(dāng)遇到樁深低于潛水時(shí)，孔內(nèi)水位一般高于潛水位2.0 m，以防止周圍土體涌入孔內(nèi)形成塌孔。鉆孔過程應(yīng)連續(xù)并及時(shí)觀察成孔質(zhì)量，在吊放鋼筋籠之前對(duì)孔內(nèi)沉渣進(jìn)行處理，并采用導(dǎo)管法對(duì)孔內(nèi)澆注漿液，最終采用超聲波對(duì)樁體質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)。

成樁及護(hù)壁與周圍土體的關(guān)系如圖11所示。樁與土體的接觸需要考慮護(hù)壁對(duì)兩者的影響，在有限元分析中即考慮樁土、接觸面的摩擦關(guān)系。設(shè)置樁土接觸面的摩擦系數(shù)分別為μ、1.5μ、2μ進(jìn)行有限元分析，結(jié)果如圖12所示?？梢?，摩擦系數(shù)對(duì)樁體承載力有一定影響，摩擦系數(shù)為μ的樁體極限承載力是摩擦系數(shù)為2μ的83.85%。

圖11 鉆孔灌注樁

圖12 μ改變時(shí)荷載與位移關(guān)系

5 結(jié) 語

(1)基于灌注樁的荷載傳遞機(jī)制，通過計(jì)算公式得到，L/d<10時(shí),承載主要由樁端維持，有端承樁的特性。

(2)灌注樁在極限荷載下破壞形式表現(xiàn)為錐臺(tái)型的端部土體塑性屈服，影響深度為5d，因此在施工時(shí)要保證有足夠的端部土體承載力。

(3)承載力隨著樁徑d的增大而增大，Φ、c值及樁長(zhǎng)L與承載力成正比關(guān)系。

(4)對(duì)于短樁，除了改善端層土提高承載力外，還可以采用增大樁土接觸面的摩擦系數(shù)來提高極限承載力。在實(shí)際工程中，可以在樁土接觸部位施加無機(jī)膠凝材料等。