四川阿壩州山區(qū)微型樁承載性能分析

范榮全，董 斌，劉曉宇，王 亮，唐 楊

(1.國網四川省電力公司，四川成都610041；2.成都理工大學地質災害防治與地質環(huán)境保護國家重點實驗室，四川成都610041；3.國網阿壩供電公司，四川茂縣624000)

微型樁是在樹根樁基礎上發(fā)展起來的一種新型小直徑鉆孔灌注樁[1]，直徑通常小于0.4 m，長徑比較大[2]。微型樁具耗材少、作業(yè)占地少、施工機具調遣靈活以及施工方便等優(yōu)點[3]，可很好地解決傳統(tǒng)基礎運輸困難、施工慢及污染大等難題；較傳統(tǒng)灌注樁基礎其具有更好的經濟效益，因而在我國部分地區(qū)的軟土以及黃土等地基中得到初步應用，并取得一定成功經驗[4]。微型樁在工程中的應用主要分為兩種：作為抗滑樁應用于邊坡治理工程，已有研究主要集中在這方面[5]；作為樁基礎用于基礎工程，受到部分學者關注。Shin等[6]試驗研究了長徑比對微型樁抗拔承載力的影響，提出飽和黏性土中樁抗拔承載力的經驗公式；Shelke等[7]發(fā)現，隨著軸壓力增大，沿樁長的摩阻力減??；Scott等[8]試驗得出極限抗拔承載力由樁側的摩阻力與樁體自重組成；劉兵民等[9]通過工程實例分析得出微型樁可作為硬巖地區(qū)的樁基礎；劉自龍等[10]認為戈壁灘地區(qū)微型樁的極限抗拔承載力與極限抗壓承載力之比取0.58較合適；李元[11]認為相同上拔荷載作用下的負斜樁樁身彎矩大于正斜樁，上拔荷載越大，正負斜樁樁身同一截面處的軸力越大，樁側同一截面處的平均摩阻力也越大；孫劍平等[12]提出了微型樁的抗壓承載力估算公式；屈偉[13]研究了施工工藝對微型樁承載性能的影響，結果表明二次注漿技術可顯著提高微型樁的承載力。上述文獻表明，微型樁作為樁基礎的應用多針對軟土地區(qū)，較少涉及巖質較為堅硬的山區(qū)等地區(qū)。

新建的成蘭鐵路位于四川和甘肅境內，正線457.6 km。牽引變電站等送變電工程是保障成蘭鐵路正常運營的重要組成部分，穩(wěn)定的桿塔基礎是送變電工程系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的基石，成蘭鐵路某牽引站送變電工程擬在桿塔基礎工程中使用微型樁。鑒于此，文中結合實際工程，采用ABAQUS軟件數值分析川西山區(qū)工程微型樁基礎的承載性能，以期推廣微型樁基礎在山區(qū)的應用。

1 數值分析的計算原理

在ABAQUS 軟件中地基土的承載力理論分析方法主要有α 法和β 法。α 法適用于黏土地區(qū)，β 法是基于有效應力的分析方法[14]。山區(qū)地下水一般埋藏較深，與α 法的適用環(huán)境不同，在無地下水的影響下，山區(qū)地基土承載力由有效應力確定，因此選擇β 法計算微型樁承載力。

1.1 樁側地基土的摩阻力極限強度

β 法中單位面積上的摩阻力極限強度fs計算公式為

式中β=μK0。對于正常固結土近似有

式中φ′為土體的有效摩擦角，而樁壁與土體之間的摩擦系數μ 可取tan(0.75～1)φ′，當微型樁二次注漿時取較大值[15]。

1.2 樁端土的端阻力極限強度

β 方法中單位面積上的端阻力極限強度fb計算公式為

其中η 為控制樁端破壞面性狀的角度(如圖1)，在0.33π(黏土)至0.58π(緊砂)之間變化。

2 模型的建立

2.1 工程概況與模型

某樁基工程位于阿壩藏族羌族自治州松潘縣境內，海拔高度在3 000 m 左右。據鉆探揭露，0～4 m 為粉質黏土，4 m 以下為碎塊石，場地地層結構簡單，地層變化較小，第四系土層主要為含碎石粉質黏土和含粉質黏土碎塊石，未見地下水。根據樁基工程概況，利用對稱性建立樁基軸對稱模型，如圖2。

圖1 樁端剪切破壞面Fig.1 Shear failure surface of pile tip

圖2 數值分析計算模型Fig.2 Numerical analysis and calculation model

2.2 邊界條件與計算參數

根據地質分析，模型兩側邊界約束其水平位移，底邊界為全約束，頂邊界為自由邊界。樁身采用彈性模型，地基土采用M-C本構模型[16]。在試驗場地鉆孔取樣，對鉆孔樣進行室內土工試驗，地基土物理力學參數如表1。實際工程中，對于較硬的土，常取土體彈性模量E0為壓縮模量Es的2～8倍[17]，土越堅硬，倍數越大。除容重γ、彈性模量E0、泊松比υ、內聚力C 以及內摩擦角φ 外，還需考慮樁-土接觸時的摩擦系數μ。文中選取面-面接觸作為樁-土接觸的形式，在2個接觸面產生相對滑動之前，接觸面上會產生剪應力，這種狀態(tài)為黏合狀態(tài)；在剪應力超過樁-土界面的摩阻力極限強度后，2個接觸面會產生相對位移，這種狀態(tài)為滑移狀態(tài)。對于黏合至滑移狀態(tài)的樁-土，其相對位移在一定范圍內，黏性土一般為5～10 mm，砂土等非黏性土一般為10～15 mm。樁-土接觸面的摩擦系數受土體性質與施工工藝的影響，一般情況下，取0.75～1倍土體有效內摩擦角的正切值為樁壁與土之間的摩擦系數μ[18]。

根據工程區(qū)輸電線路設計資料，輸電鐵塔受到的下壓荷載為600～1 500 kN，受到的上拔荷載為550～1 200 kN，微型樁基礎多為群樁。因此，輸電線路中微型樁單樁受到的下壓荷載一般為150～375 kN，上拔荷載一般為100～300 kN。樁基礎承載力分析屬于靜力分析，故數值計算中不考慮時間效應[14]。參考承載力靜載試驗的分級加載要求[19-20]，文中對抗壓樁采用逐級加載的方式，第一級加載60 kN，之后每級加載30 kN；對抗拔樁每級加載25 kN，加載步驟如表2～3。

表1 地基土物理力學參數Tab.1 Physical and mechanical parametersof foundation soil

表2 抗壓樁加載步驟Tab.2 Loading steps of compressive pile

表3 抗拔樁加載步驟Tab.3 Loading steps of pile pulling resistance

3 數值計算結果與分析

3.1 樁長對微型樁承載性能的影響

3.1.1 樁長對抗壓樁承載性能的影響

為分析微型樁的承載性能，根據數值計算的結果提取微型樁樁頂截面與樁端截面的軸向力和軸向荷載。4種樁長L的單樁荷載-位移曲線如圖3。由圖3可看出：樁頂位移隨樁頂下壓荷載的增加而增大，隨樁長的增加而減少；樁長越短，樁頂位移增長率越大；在樁頂下壓荷載小于180 kN時，各樁長的荷載-位移曲線呈近水平狀，隨著樁頂下壓荷載的增加，荷載-位移曲線出現拐點，拐點后位移增量明顯增加；同一荷載作用下，樁頂的位移著樁長的增加而減小。

樁的摩阻力和端阻力的荷載分擔比是衡量樁基承載性能的重要指標，是劃分樁基類型的重要參考。不同樁長抗壓樁端阻力與摩阻力荷載分擔比分別如圖4，5。提取各樁長達到極限承載力時的樁頂下壓荷載及端阻力承載和摩阻力承載，結果如表4。

圖3 不同樁長抗壓樁樁頂荷載-位移曲線Fig.3 Load-displacement curves of pile top of compressive pile of different pile lengths

圖4 不同樁長抗壓樁端阻力分擔荷載曲線Fig.4 Load sharing curves of pile tip resistance of different pile lengths

圖5 不同樁長抗壓樁摩阻力分擔荷載曲線Fig.5 Load sharing curves of friction resistance of compressive piles with different pile lengths

表4 基樁荷載分擔比例Tab.4 Load sharing ratio of foundation piles

由圖4，5 及表4 可知：摩阻力與端阻力同時發(fā)揮作用，不同情況下荷載的主要承擔對象不同，樁頂下壓荷載為0 時，樁端地基土由于樁身自重受到8～20 kN的下壓力；樁頂下壓荷載較小時，端阻力分擔的荷載較小，此時樁頂下荷載主要由摩阻力承擔，端阻力發(fā)揮的作用很??；隨著下壓荷載的增大，端阻力開始逐漸增大，分擔的荷載隨之增加；隨著樁長的增加，端阻力的分擔比逐漸減小，根據受力類型劃分樁長較短時微型樁屬于摩擦端承樁，樁長較長時微型樁屬于端承摩擦樁。

3.1.2 樁長對抗拔樁承載性能的影響

圖6 不同樁長時抗拔樁荷載-位移曲線Fig.6 Load displacement curves of unpulled pile of different pile lengths

圖7 不同樁徑時抗壓樁荷載-位移曲線Fig.7 Load-displacement curves of compressive pile of different pile diameters

單樁在上拔荷載作用下的荷載-位移曲線如圖6。由圖6 可看出：隨著樁長的增加，各樁的極限抗拔承載力分別為75，125，200，275 kN；同一荷載作用下，隨著樁長的增加，樁頂的位移明顯減小。

3.2 樁徑對微型樁承載性能的影響

3.2.1 樁徑對抗壓樁承載性能的影響

不同樁徑D 下微型樁單樁的荷載-位移曲線如圖7。由圖7可看出：樁頂位移隨樁頂下壓荷載的增加而增大；各樁徑的荷載-位移曲線均有較為明顯的轉折點，樁頂下壓荷載小于轉折點荷載時，樁頂位移增加較小，樁頂下壓荷載大于轉折點荷載時，樁頂位移增量明顯增大，且拐點的出現隨樁徑增大而延后；同一荷載作用下，樁徑較小時樁頂的位移較大，隨著樁徑增加樁頂位移明顯減小，樁的承載性能顯著提高。

不同樁徑的抗壓樁端阻力與摩阻力分擔荷載曲線分別如圖8，9。提取各樁徑達到極限承載力時的樁頂下壓荷載及端阻力承載和摩阻力承載，結果如表5。由圖8，9 及表5 知：小于極限抗壓荷載時，隨著樁徑增大，端阻力分擔比逐漸減小，即端阻力的發(fā)揮作用變小，但隨著荷載的增大，端阻力呈增大趨勢；樁徑不同，端阻力與摩阻力最先充分發(fā)揮作用的情況不同，樁徑較大時端阻力先充分發(fā)揮，樁徑較小時摩阻力先充分發(fā)揮。因此，根據受力類型劃分樁徑較大時微型樁屬于摩擦端承樁，樁徑較小時型樁屬于端承摩擦樁。

圖8 不同樁徑抗壓樁端阻力分擔荷載曲線Fig.8 Load sharing curves of pile tip resistance of different pile sizes

圖9 不同樁徑抗壓樁摩阻力分擔荷載曲線Fig.9 Load sharing curves of pile friction resistance of different pile diameters

表5 基樁荷載分擔比例Tab.5 Load sharing ratio of foundation piles

3.2.2 樁徑對抗拔樁承載性能的影響

單樁在上拔荷載作用下的荷載-位移曲線如圖10。由圖10可看出：同一荷載作用下，樁頂位移隨著樁徑的增加減??；各樁徑均可滿足75 kN的上拔力；各樁徑均有拐點，且拐點對應荷載均小于300 kN，樁頂上拔荷載為300 kN 時，樁體被拔出；隨著樁徑增加，樁頂極限抗拔承載力相應增加，即樁徑為200，250，300，350，400 mm時對應的極限抗拔承載力分別為75，100，125，150，175 kN。

3.3 樁基礎的工程性能

樁基礎的工程性能包括基礎的穩(wěn)定性及經濟性，穩(wěn)定性用樁基礎的承載力來衡量，經濟性用樁承載力與樁身體積比來衡量，即用單位體積混凝土承載力來衡量。對計算結果進行整理，得到樁長與樁徑對微型樁工程性能的影響，結果如圖11，12。由圖11，12 可知：隨著樁長增大，樁的承載力增加，單位體積混凝土承載力降低，樁穩(wěn)定性提高，經濟性降低；隨著樁徑增大，樁的承載力增加，單位體積混凝土承載力降低，樁穩(wěn)定性提高，經濟性降低。

圖10 不同樁徑時抗拔樁荷載-位移曲線Fig.10 Load-displacement curves of tensile pile of different pile diameters

圖11 樁長對微型樁工程性能的影響Fig.11 Influence of pile length on engineering performance of micro piles

圖12 樁徑對微型樁工程性能的影響Fig.12 Influence of pile diameter on engineering performance of micro piles

結合工程實際承載要求，工程基礎的抗拔承載力設計值為550 kN，抗壓承載力設計值為1 000 kN。考慮到樁長較大時，施工難度大，結合數值計算的結果，選取樁長8 m、樁徑300 mm的微型樁組成2×2的群樁基礎作為工程的試驗基礎。

4 結 論

1)樁頂位移隨樁頂下壓荷載的增加而增大，隨樁長的增加而減少；根據受力類型，樁長較短時微型樁為摩擦端承樁，樁長較長時微型樁為端承摩擦樁；對于抗拔樁，隨著樁長增加，各樁的極限抗拔承載力逐漸增大。

2)樁頂位移隨樁頂下壓荷載的增加而增大，隨樁徑的增加而減?。桓鳂稄降暮奢d-位移曲線均有較明顯的轉折點，樁頂下壓荷載小于轉折點荷載時樁頂位移增加較小，樁頂下壓荷載大于轉折點荷載時樁頂位移增量增大，且拐點的出現隨樁徑增大而延后；根據受力類型，樁徑較大時微型樁為摩擦端承樁，樁徑較小時微型樁為端承摩擦樁。對于抗拔樁，各樁徑均可滿足75 kN的上拔力，均有拐點，且拐點對應荷載均小于300 kN，即樁頂上拔荷載為300 kN時，樁體被拔出；隨著樁徑增加，各樁的極限抗拔承載力逐漸增大。

3)隨著樁長與樁徑的增大，樁的承載力增加，單位體積混凝土承載力降低，也即樁穩(wěn)定性提高、經濟性降低。結合工程的實際承載要求與施工難度，選取樁長為8 m、樁徑300 mm的微型樁組成2×2的群樁基礎作為工程的試驗基礎。