樁底沉渣對端承樁豎向承載性能的影響研究

原方 李志謙 張健 徐志軍

摘 要：沉渣是鉆孔灌注樁施工過程中常見的缺陷形式。但目前，關(guān)于沉渣缺陷樁工作性狀的研究還不夠完善。本文針對砂土中有較好持力層的端承樁，通過改變沉渣厚度和壓縮模量，研究端承樁的荷載-沉降曲線變化規(guī)律、單樁豎向極限承載力隨沉渣參數(shù)變化規(guī)律和樁頂沉降隨沉渣參數(shù)變化規(guī)律。研究表明：沉渣的出現(xiàn)會導(dǎo)致樁端阻力損失嚴(yán)重，進(jìn)而降低極限承載力；沉渣壓縮模量的增大能有效控制樁頂沉降；施工過程應(yīng)嚴(yán)格控制沉渣厚度。

關(guān)鍵詞：鉆孔灌注樁；沉渣；承載力；沉降

中圖分類號：TU473.1+1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-5168（2018）08-0114-04

Research of the Effects of Bottom Sediment on the

Vertical Bearing Behavior of End Bearing Piles

YUAN Fang LI Zhiqian ZHANG Jian XU Zhijun

（School of Civil Engineering and Architecture， Henan University of Technology，Zhengzhou Henan 450001）

Abstract： Sediment is a common form of defects in the construction of bored piles. But at present， the research on the behavior of sediment defective piles is not perfect enough. This paper changed the thickness and compression modulus of toe debris to research load-settlement curves， the ultimate bearing capacity of piles changes with the parameters of toe debris， the settlement of piles changes with the parameters of toe debris. The resulted show that the attendance of toe debris led to great loss of pile-end resistance； with the increment of the compression modulus of toe debris， pile settlement was under effective control； the thickness of toe debris should be strictly controlled in pile construction.

Keywords： bored piles；toe debris；bearing capacity；settlement

1 研究背景

鉆孔灌注樁因其對地層適應(yīng)性較強(qiáng)、施工過程無振動、對土體無擠壓的特性，是一種廣泛應(yīng)用于土木工程結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)類型[1]。然而，鉆孔灌注施工過程中易在樁底產(chǎn)生沉渣，對豎向承載力造成不利影響，產(chǎn)生沉渣的原因主要有以下幾方面[2，3]。①泥漿的性能指標(biāo)不達(dá)標(biāo)。施工過程中泥漿池內(nèi)泥漿的相對密度、稠度會降低，若未及時對泥漿的性能指標(biāo)進(jìn)行檢測，易造成塌孔，不能有效排除孔內(nèi)沉渣。②清孔力度不足。第一次清孔徹底能有效節(jié)省第二次清孔的時間。若第一次清孔不徹底、第二次清孔流于形式，就會導(dǎo)致孔底沉渣無法得到有效清除。③施工工序安排不緊湊。第一次清孔至第二次清孔之間，需要安放鋼筋籠和導(dǎo)管。對于這個過程，操作熟練的工作人員需要1～1.5h。若施工過程歷時過長、第二次清孔后未立即灌注混凝土，易造成孔內(nèi)泥漿失水，從而導(dǎo)致塌孔及泥漿中泥塊、碎石塊沉淀。④混凝土初灌量不足。在施工過程中，應(yīng)在滿足規(guī)范要求的前提下，盡量增大混凝土初灌量，否則無法對孔底沉渣產(chǎn)生足夠的沖擊力使其排出孔外。

章敏[4]考慮土體的三相性，對樁側(cè)土體為非飽和土的端承樁在水平簡諧荷載作用下的振動特性進(jìn)行研究，分析土體飽和度對樁身位移、樁身彎矩和剪力的影響。姜明[5]運(yùn)用MIDAS/GTS數(shù)值模擬軟件，分析不同沉渣厚度、彈性模量及有無樁頂承臺這3種情況下的旋挖成孔灌注樁荷載-位移曲線，研究了沉渣對端承樁豎向承載力的影響。欒魯寶[6]在研究樁基水平振動響應(yīng)時，以飽和土中的端承樁為例，將上部結(jié)構(gòu)作用于樁頂?shù)暮奢d及土體自重應(yīng)力作為影響因素，建立偏微分方程，分析上部荷載（樁頂彎矩、樁頂均布荷載）對樁基水平位移、樁頂彎矩與剪力變化規(guī)律。

對于端承樁的研究主要針對樁身沒有缺陷的正常樁，關(guān)于樁端存在沉渣缺陷樁研究相對匱乏?！督ㄖ痘夹g(shù)規(guī)范》（JGJ 94—2008）[7]規(guī)定：灌注混凝土之前，端承樁孔底沉渣厚度不得大于50mm。相關(guān)文獻(xiàn)主要是針對大厚度沉渣缺陷樁進(jìn)行數(shù)值模擬，遠(yuǎn)超規(guī)范要求，且對樁基承載性狀的分析局限于Q-s曲線，缺乏沉渣對樁頂沉降影響的研究。綜上所述，現(xiàn)有研究不足以從極限承載力和樁頂位移兩方面，較為全面地認(rèn)知沉渣對端承樁豎向承載性狀的影響規(guī)律。

本文通過大型有限元分析軟件ABAQUS，從沉渣厚度和沉渣壓縮模量兩方面入手，研究端承樁的荷載-沉降曲線變化規(guī)律、單樁豎向極限承載力隨沉渣參數(shù)變化規(guī)律和樁頂沉降隨沉渣參數(shù)變化規(guī)律。

2 有限元模型的建立

采用ABAQUS的軸對稱模型。樁徑為0.3m，樁長為25m，樁側(cè)土體為均質(zhì)砂土，持力層為基巖。幾何模型寬度方向取20倍樁徑（6m），深度方向取2倍樁長（50m）。對靠近樁側(cè)的土體進(jìn)行加密，以便反映較大的變形梯度。沉渣缺陷樁有限元模型簡圖見圖1。

樁體材料為混凝土，采用線彈性模型，具體參數(shù)見表1。樁側(cè)土體為均質(zhì)砂土、持力層為基巖，沉渣視為均質(zhì)材料，三種材料均采用Mohr-Coulomb塑性模型，具體參數(shù)見表2。在初始分析步中約束模型底部的水平和豎向位移，約束模型左側(cè)（軸對稱軸）和右側(cè)的水平位移。樁的加載通過指定樁頂位移條件實(shí)現(xiàn)。為了和初始地應(yīng)力相適應(yīng)，在地應(yīng)力分析中對模型整體施加重力荷載。樁土界面的相對位移較大，沉渣缺陷樁有限元模型的接觸跟蹤算法采用有限滑動。

研究沉渣厚度對端承樁豎向承載力的影響時，沉渣厚度分別取20、30、50mm；研究沉渣壓縮模量對端承樁豎向承載力的影響時，沉渣厚度取固定值20mm，壓縮模量分別為2.5、5、7.5、10MPa。

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 沉渣厚度對端承樁豎向承載力的影響

單樁豎向極限承載力隨沉渣厚度變化曲線見圖2。樁底無沉渣時，Q-s曲線為緩變型，根據(jù)《建筑基樁檢測技術(shù)規(guī)范》（JGJ 106—2014）[8]，取s=40mm，對應(yīng)的荷載值為單樁豎向極限承載力，正常樁的豎向極限承載力為3 821kN。正常樁的極限側(cè)摩阻力（Qsu）/極限承載力（Qu）=42.8%<50%，為摩擦端承樁。沉渣的出現(xiàn)導(dǎo)致樁的Q-s曲線由緩變型變?yōu)槎附敌?。單樁豎向極限承載力隨沉渣厚度變化曲線見圖3。沉渣厚度分別為20、30、50mm時，對應(yīng)的豎向極限承載力分別為1 799、1 803.5、1 779kN，極限承載力損失率分別為52.9%、52.8%、53.4%，極限承載力損失嚴(yán)重。沉渣缺陷樁極限側(cè)摩阻力（Qsu）/極限承載力（Qu）分別為86.8%、89.8%、92.7%，豎向受力情況由摩擦端承樁變?yōu)槎顺心Σ翗?。隨著沉渣厚度增加，豎向受力情況有接近純摩擦樁的趨勢。

取樁頂荷載Q為500、1 000kN和1 500kN這3級荷載作用下的樁頂沉降，繪制樁頂沉降隨沉渣厚度變化曲線，見圖4。在較低荷載作用下，主要是樁側(cè)摩阻力來承擔(dān)上部荷載，沉渣的出現(xiàn)導(dǎo)致樁側(cè)摩阻力有了一定程度的損失。相同樁頂荷載作用下，沉渣缺陷樁的樁頂沉降大于正常樁，差值為1.6mm。隨著樁頂荷載的增加，沉渣缺陷樁的樁頂沉降與正常樁的差值愈加增大。樁頂荷載Q為1 000kN時，沉降差值為4.6mm。當(dāng)荷載接近沉渣缺陷樁的極限承載力時，沉渣缺陷樁的樁頂沉降與正常樁相比差值最大為7.5mm，樁頂沉降最大增加56.4%，沉渣厚度在較大樁頂荷載時對樁頂沉降產(chǎn)生顯著影響。

3.2 沉渣壓縮模量對端承樁豎向承載力的影響

不同沉渣壓縮模量下的荷載-沉降曲線見圖5。由圖5可知，隨著沉渣壓縮模量的增大，沉渣缺陷樁的Q-s曲線由陡降型向緩變型過渡。壓縮模量為2.5、5MPa和7.5MPa時的Q-s曲線為陡降型，取其發(fā)生明顯陡降的起始點(diǎn)對應(yīng)的荷載值為單樁豎向極限承載力。壓縮模量為10MPa時的Q-s曲線為緩變型。s=40mm對應(yīng)的荷載值為單樁豎向極限承載力。單樁豎向極限承載力隨沉渣壓縮模量變化曲線見圖6。沉渣壓縮模量分別取為2.5、5、7.5MPa和10MPa，極限承載力分別為1 782.7、1 799.2、1 913.1.3kN和2 177.6kN，極限承載力損失率分別為53.3%、52.9%、49.9%和43%。壓縮模量為2.5MPa和5MPa時，極限承載力相近，Q-s曲線發(fā)生陡降的起始點(diǎn)的位移均為26.6mm。壓縮模量為7.5MPa時，不僅極限承載力提升，Q-s曲線陡降段的斜率也小于前兩種情況，發(fā)生陡降的起始點(diǎn)的位移為28.9mm。沉渣厚度相同的情況下，缺陷樁的極限承載力隨著沉渣壓縮模量的增大而提高，Q-s曲線的形態(tài)發(fā)生顯著變化，極限承載力顯著提高。沉渣缺陷樁極限側(cè)摩阻力（Qsu）/極限承載力（Qu）分別為92%、86.8%、83.3%和80.7%時，由于沉渣壓縮模量的增大，樁端阻力有了較大提升，在荷載分擔(dān)比中的比例亦增大。

取樁頂荷載Q為500、1 000kN和1 850kN這3級荷載作用下的樁頂沉降，繪制樁頂沉降隨沉渣壓縮模量變化曲線，見圖7。在較低荷載作用下，此時樁端阻力尚未發(fā)揮作用，沉渣壓縮模量對樁頂沉降的幾乎沒有影響。樁頂荷載超過沉渣缺陷樁的極限承載力時，隨著沉渣壓縮模量增大，樁端阻力開始發(fā)揮，樁頂沉降有了顯著降低，沉渣缺陷樁的樁頂沉降差值最大為5mm，樁頂沉降最大減少了15.5%，樁頂沉降得到了有效控制。

4 結(jié)論

通過研究樁底沉渣對端承樁豎向承載性能的影響，綜合分析研究荷載-沉降曲線變化規(guī)律、單樁豎向極限承載力隨沉渣參數(shù)變化規(guī)律和樁頂沉降隨沉渣參數(shù)變化規(guī)律，初步得到以下結(jié)論。

①樁底沉渣的出現(xiàn)改變了Q-s曲線的形態(tài)，由無沉渣時的緩變型變?yōu)橛谐猎鼤r的陡降型，極限承載力隨著沉渣厚度的增大顯著降低，最大降低了53.4%。樁端阻力所分擔(dān)的荷載比例嚴(yán)重降低，單樁的受力情況從端承摩擦樁變?yōu)槎顺心Σ翗叮顺辛p失較嚴(yán)重。各級樁頂荷載作用下，沉渣缺陷樁的樁頂沉降均大于正常樁，沉降差隨著樁頂荷載的增大遞增。

②沉渣厚度相同時，隨樁底沉渣壓縮模量的增大（小于樁側(cè)土體壓縮模量的一半），沉渣缺陷樁的Q-s曲線由陡降型向緩變型過渡，極限承載力有了一定程度的提高，樁端阻力所分擔(dān)的荷載比例增大。樁頂荷載較大時，隨著沉渣壓縮模量的增大，樁頂位移逐漸減小，不同壓縮模量下的沉降差可達(dá)5mm。

③相關(guān)規(guī)范中規(guī)定了澆筑混凝土之前的沉渣臨界厚度，考慮了混凝土初灌時較大的沖擊力能讓沉渣隨泥漿排出孔外。本文進(jìn)行有限元分析時的沉渣厚度，為澆筑混凝土成樁之后的厚度，此時沉渣的出現(xiàn)會重削弱樁基承載力，故施工中應(yīng)嚴(yán)格控制沉渣厚度。

參考文獻(xiàn)：

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[8]中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.建筑基樁檢測技術(shù)規(guī)范：JGJ 106—2014[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2014.