含水率對(duì)膨脹土地基載體樁抗壓承載力影響的研究

齊旭輝，唐永成，蔡文江

（1、深圳市宏源建設(shè)工程有限公司 深圳 518108；2、深圳榕亨實(shí)業(yè)集團(tuán)有限公司 深圳 518014）

0 引言

膨脹土是指含有大量的強(qiáng)親水性粘土礦物成分，具有顯著的吸水膨脹和失水收縮、且脹縮變形往復(fù)可逆的高塑性粘土。它一般強(qiáng)度較高，壓縮性低，易被誤認(rèn)為工程性能較好，但由于具有膨脹和收縮特性，在膨脹土地區(qū)進(jìn)行工程建筑，如果不采取必要的設(shè)計(jì)和施工措施，會(huì)導(dǎo)致大批建筑物的開(kāi)裂和損壞，并往往造成坡地建筑場(chǎng)地崩塌、滑坡、地裂等嚴(yán)重的地質(zhì)災(zāi)害，而載體樁作為一種新型樁型，通過(guò)夯填建筑垃圾加固樁端土體提高其承載力，具有施工簡(jiǎn)便、經(jīng)濟(jì)環(huán)保等特點(diǎn)，得到廣泛的的應(yīng)用，在膨脹土地基中，它可以減少地基脹縮變形量，有效解決對(duì)低層建筑物的不良影響［1］。

在工程建設(shè)中，樁基可以有效地處理膨脹土地基問(wèn)題。目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于膨脹土樁基的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和理論研究還尚不成熟，張明遠(yuǎn)等人［2］通過(guò)室內(nèi)模型試驗(yàn)，研究了膨脹土中樁基分別在最優(yōu)含水率和飽和含水率條件下的下壓和上拔荷載樁基的承載特性。孔令剛等人［3］考慮了土體含水量對(duì)土體變形模量和表觀粘聚力的影響，對(duì)不同含水量條件下擴(kuò)底樁上拔性狀進(jìn)行了分析。齊道坤等人［4］通過(guò)改變土體含水率，研究膨脹土地基中樁基在最優(yōu)含水率和飽和含水率條件下的抗壓承載力和抗拔承載力變化，并采用彈性模量折減的方法，模擬了膨脹土含水率升高對(duì)膨脹土樁基上拔承載力的影響。

載體樁由于對(duì)地基適應(yīng)性強(qiáng)、環(huán)保等特點(diǎn)被廣泛關(guān)注，相比于傳統(tǒng)的擴(kuò)底樁，載體樁的樁端土體影響區(qū)域較大，單樁承載力更高［5］。王虎妹等人［6］通過(guò)靜載試驗(yàn)，分析了載體樁復(fù)合地基承載受力原理，并計(jì)算得出了承載受力與地基沉降的關(guān)系。

目前，關(guān)于載體樁在膨脹土地基的相關(guān)研究?jī)H報(bào)道在工程實(shí)際應(yīng)用中，有關(guān)樁基的承載受力機(jī)理和理論分析還有待研究。本文利用孫紅云等人［7］通過(guò)膨脹土強(qiáng)度試驗(yàn)得到的力學(xué)參數(shù)，采用ABAQUS 軟件對(duì)膨脹土地基載體樁工作性狀進(jìn)行數(shù)值模擬分析，研究了在不同含水率下，載體樁的抗壓極限承載力、樁身軸力以及樁側(cè)摩阻力的變化規(guī)律，其研究結(jié)論對(duì)工程應(yīng)用具有重要參考意義［8］。

1 載體樁數(shù)值模擬計(jì)算模型建立

采用ABAQUS 建立載體樁及樁周土三維數(shù)值模型，基于結(jié)構(gòu)和受力的對(duì)稱(chēng)性，取實(shí)際模型的1/2進(jìn)行計(jì)算。為了消除邊界對(duì)計(jì)算區(qū)域的影響，水平方向取土的有效作用范圍為20 倍樁徑，豎向方向取2 倍樁長(zhǎng)。假定膨脹土為單一均質(zhì)的線性彈塑性材料，飽和度均勻分布，且服從Mohr-Coulomb 屈服準(zhǔn)則。土體和載體樁的有限元模型如圖1所示。

圖1 有限元模型及網(wǎng)格劃分Fig.1 Finite Element Model and Mesh Generation

模型中載體樁的直徑為0.45 m，樁長(zhǎng)為5 m，載體直徑為1 m，假定樁身和載體緊密相連，且都為均勻的線彈性材料。土體和樁的單元類(lèi)型都采用八節(jié)點(diǎn)縮減積分（C3D8R），樁與樁側(cè)土之間的相互作用采用主-從接觸屬性，樁-土接觸面采用庫(kù)倫摩擦模型，法向采用硬接觸的形式，切向運(yùn)用罰函數(shù)，摩擦系數(shù)根據(jù)不同含水率作用下膨脹土的內(nèi)摩擦角取其為tan（0.75φ）。在模型側(cè)向約束X、Y方向的位移，模型底部固定［9］。載體樁的彈性模量E=27.6 GPa，泊松比ν=0.37，混凝土的重度γ=23.0 kN/m3，土的重度γ=18.5 kN/m3，土的彈性模量隨含水率的變化而變化，在含水率為13%時(shí)，E=60 GPa，當(dāng)含水率為30%時(shí)，E=8.0 GPa，泊松比ν=0.26。不同含水率條件下膨脹土地基的強(qiáng)度參數(shù)如表1所示。

表1 膨脹土試驗(yàn)強(qiáng)度參數(shù)Tab.1 Test Strength Parameters of Expansive Soil

2 計(jì)算結(jié)果分析

地應(yīng)力平衡是樁土模擬中非常重要的一個(gè)步驟，采用生死單元功能先對(duì)土體應(yīng)力進(jìn)行平衡計(jì)算，平衡后激活樁體，對(duì)其施加重力荷載，模擬樁的過(guò)程，其平衡效果如圖2所示。ABAQUS中可以使用多種方式施加荷載，本文采用對(duì)樁頂分級(jí)施加載荷，在抗壓分析中，第一步加載320 kN，之后每加載一級(jí)160 kN，直至加載到1 600 kN 時(shí)停止加載，隨后開(kāi)始卸載，每次卸載320 kN，直至荷載為0。

圖2 地應(yīng)力平衡前后應(yīng)力及位移云圖Fig.2 Geostress Equilibrium Stress Displacement Nephogram

2.1 土體含水率對(duì)抗壓承載的影響

對(duì)不同含水率條件下膨脹土樁基進(jìn)行模擬分析，計(jì)算出每級(jí)荷載作用下樁頂?shù)某两滴灰疲玫降暮奢d位移曲線如圖3所示。

圖3 不同含水率下抗壓樁荷載位移曲線Fig.3 Load-displacement Curve of Compression Pile under Different Water Content

由圖3可以看出，在膨脹土地基，隨著地基含水率的增加，樁基的承載力出現(xiàn)明顯下降。隨著樁頂荷載的增加，各樁的荷載位移曲線均是一條光滑連續(xù)的曲線，無(wú)明顯拐點(diǎn)，卸載荷載后，各樁的回彈量均在15 mm 以?xún)?nèi)。根據(jù)《載體樁設(shè)計(jì)規(guī)范：GJ 135—2007》，當(dāng)Q-s曲線非線性緩慢變化且無(wú)明顯拐點(diǎn)時(shí)，取沉降為60 mm 時(shí)所對(duì)應(yīng)的荷載值為極限承載力，故在含水率為13%時(shí)，取最大加載值1 600 kN 為極限荷載值，含水率為30%時(shí)，極限荷載值為760 kN，樁基極限承載力下降了52.5%［10］。不同含水率條件下載體樁的極限承載力如表2所示。

表2 不同含水率下載體樁的單樁極限抗壓承載力Tab.2 Ultimate Compressive Bearing Capacity of Single Pile with Different Water Content

2.2 土體含水率對(duì)樁身軸力的影響

自樁頂向下，每隔0.5 m 提取出樁不同深度處的軸力。極限荷載作用下，載體樁的樁身軸力沿樁深度的分布如圖4 所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，隨著樁基極限承載力的下降，極限狀態(tài)樁身軸力減小，在不同含水率條件下，軸力沿深度方向變化趨勢(shì)基本一致，隨著深度的增加，樁身軸力逐漸減小，且減小幅度較小。故可說(shuō)明，含水率對(duì)抗壓樁樁身軸力的影響較小。

圖4 極限抗壓荷載下樁身軸力分布Fig.4 Axial Force Distribution of Pile under Ultimate Compressive Load

2.3 土體含水率對(duì)樁側(cè)摩阻力的影響

在不同含水率條件下，提取極限荷載作用下樁側(cè)摩阻力隨深度變化曲線，如圖5所示?？梢?jiàn)，沿深度方向，樁側(cè)摩阻力變化趨勢(shì)呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢(shì)，含水率越高，極限荷載越大，樁側(cè)摩阻力越靠近樁端，但在樁端處，由于壓力作用下載體與周?chē)馏w分離，導(dǎo)致側(cè)阻力急劇下降。在不同極限荷載下，樁側(cè)摩阻力最大值不足整體承載力的5%，故僅可考慮安全儲(chǔ)備承載力。

圖5 極限抗壓荷載下樁側(cè)摩阻力分布Fig.5 Distribution of Pile Side Friction under Ultimate Compressive Load

3 結(jié)論

基于摩爾庫(kù)倫原理，結(jié)合相關(guān)膨脹土直剪試驗(yàn)結(jié)果強(qiáng)度參數(shù)，采用有限元分析法對(duì)膨脹土地基載體樁的抗壓承載性狀進(jìn)行數(shù)值模擬，分析了不同含水量條件下，載體樁在膨脹土地基中的抗壓承載力影響規(guī)律。研究結(jié)果表明：

⑴土體含水率對(duì)載體樁樁基的承載力有著顯著的影響，極限抗壓承載力隨著地基土含水率的增加而降低，含水率越高，承載力的降低速率越慢；

⑵在不同含水率條件下，極限荷載下的抗壓樁的樁身軸力沿深度方向變化均隨著深度的增加而逐漸減小。含水率對(duì)抗壓樁的樁身軸力影響較小，隨著樁深的變化軸力減小的幅度較?。?/p>

⑶在含水率相同的情況下，隨著深度的增大，抗壓樁的側(cè)摩阻力先增大后減小，呈拋物線形分布；土體含水率越高，抗壓樁側(cè)摩阻力最大值越靠近于樁身中部，且占全部承載力的比重較小，分析時(shí)僅可用作安全儲(chǔ)備承載力考慮。