確定盤徑下擴(kuò)孔樁臨界盤間距取值試驗(yàn)和數(shù)值分析

曾繁斌

(廣東省路橋建設(shè)發(fā)展有限公司,廣州 510623)

0 引言

多節(jié)擴(kuò)孔樁是上世紀(jì)五十年代印度學(xué)者提出的一類樁型(命名為Multi under reamed pile)，并在上世紀(jì)九十年代引入我國(guó)并得到進(jìn)一步發(fā)展[1-6]。該類樁型是在等直徑鉆孔的基礎(chǔ)上、在不同深度土層中通過旋轉(zhuǎn)切削或擠擴(kuò)方法形成擴(kuò)大盤后澆筑混凝土而成的變截面異型樁，此類樁型的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 擴(kuò)孔樁

相關(guān)研究表明，得益于盤體和承力岔承載力的發(fā)揮，相較于直桿樁，多節(jié)擴(kuò)孔樁的樁土荷載傳遞特性發(fā)生明顯變化。支盤在不同深度的地層中提供了端阻力并增加了樁土接觸面積，更加充分地調(diào)用了不同深度地層的承載性能。支、盤作為多節(jié)擴(kuò)孔樁的主要承載構(gòu)件，其承擔(dān)荷載占總荷載的比例有時(shí)能達(dá)到65%以上[7-14]。在等樁徑、等樁長(zhǎng)的條件下，多節(jié)擴(kuò)孔樁的承載力有明顯提高[14-21]。多節(jié)擴(kuò)孔樁早期多用于橋梁樁基或建筑物樁基中，由于其較高的承載力和沉降控制效果，開始逐漸應(yīng)用于我國(guó)軟土分布地區(qū)的公路工程中[10-11]。

盤間距是擴(kuò)孔樁承載性能的主要影響因素之一。盧成原[22]等通過室內(nèi)模型試驗(yàn)，分析了不同土質(zhì)中擴(kuò)孔樁的合理盤距，認(rèn)為當(dāng)盤間距較小時(shí)上盤的承載力不能充分發(fā)揮，而在盤間距太大時(shí)上下盤的承載力發(fā)揮的“時(shí)間效應(yīng)”明顯，導(dǎo)致其承載力不同步發(fā)揮，這兩種情況都會(huì)降低多盤樁的承載力，因此多盤樁存在一個(gè)合理的盤間距，可以使其承載力達(dá)到最大，充分發(fā)揮多擴(kuò)孔樁的承載效率。Zhang[23]等通過有限元模型對(duì)擴(kuò)孔樁的破壞機(jī)理進(jìn)行了研究，模型數(shù)據(jù)顯示盤端土體在荷載作用下會(huì)形成一個(gè)塑性區(qū)，當(dāng)盤間距較近時(shí)兩盤的塑性區(qū)域會(huì)貫通連成一個(gè)整體，影響上盤承載力的發(fā)揮。Zhang[23]等提出雙盤擴(kuò)孔樁有兩類破壞模式，即臨界盤間距內(nèi)圓筒剪切破壞和臨界盤間距外樁土界面破壞，且臨界盤間距與土的類型以及盤徑與樁徑的比值(D/d)相關(guān)。范孟華[24]等認(rèn)為在臨界盤間距時(shí)通過大圓柱面剪切破壞模型和小圓柱面剪切破壞模型計(jì)算得到的樁頂極限承載力相等，基于此推導(dǎo)出臨界盤間距的理論計(jì)算公式，并提出小于臨界盤間距時(shí)兩盤間的承載力可以假定為樁徑等于盤徑的摩擦樁來(lái)計(jì)算。然而，以上計(jì)算公式較為復(fù)雜，應(yīng)用不便，而且均沒有針對(duì)廣東深厚軟土地質(zhì)條件給出擴(kuò)孔樁的臨界盤間距。因此，考慮廣東深厚軟土的地質(zhì)條件，通過科學(xué)研究給出可用于擴(kuò)孔樁設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)臨界盤間距，具有重要的意義。

本文進(jìn)行了雙盤擴(kuò)孔樁的單樁承載力現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)分析，通過驗(yàn)證后的模型進(jìn)行不同盤間距下的承載力數(shù)值模擬，通過樁體位移和土體變形分析盤間距對(duì)極限承載力的影響，給出了可以用于深厚軟基處理的擴(kuò)孔樁經(jīng)驗(yàn)盤間距，相關(guān)成果可為后續(xù)研究和工程應(yīng)用提供參考。

1 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)與數(shù)值建模

1.1 地質(zhì)條件與擴(kuò)孔樁

本文選取某一具有典型東南沿海深厚軟土地質(zhì)條件的場(chǎng)地進(jìn)行單樁承載力試驗(yàn)，并以此為基礎(chǔ)進(jìn)行數(shù)值模擬，分析該地質(zhì)條件下雙盤擴(kuò)孔樁的盤間距對(duì)承載力的影響。試驗(yàn)場(chǎng)地的地基主要由四層土體構(gòu)成：首先是3.7m厚的素填土;其下面是兩層含水率略有差異的淤泥質(zhì)軟土，厚度分別為4.3m和8.3m;最后一層是厚度為12m的粉質(zhì)黏土(圖2)。下部為強(qiáng)度較高的強(qiáng)風(fēng)化花崗巖地層?？傮w上看，除了首層素填土外，其余均為軟黏土，海相沉積地質(zhì)特征明顯。

圖2 地質(zhì)條件與擴(kuò)孔樁

采用的擴(kuò)孔樁樁長(zhǎng)24m，其中底盤中心高度位置為深度21m，上盤中心高度分別距離下盤中心高度為4.5m。土體參數(shù)和樁體如圖2所示。擴(kuò)孔樁單樁承載力試驗(yàn)參照直桿樁的靜載試驗(yàn)規(guī)程，試驗(yàn)中樁頂部設(shè)置軸力計(jì)測(cè)量樁頂軸力。

1.2 數(shù)值模型的建立

本文數(shù)值模擬分析采用通用計(jì)算軟件ABAQUS，在材料模型、單元模式、荷載及邊界條件，能夠求解靜力、動(dòng)力等多種問題，尤其是在求解非線性問題方面的能力優(yōu)異。本文利用問題的對(duì)稱性，采用軸對(duì)稱模型建立二維有限元模型，模型樁與地基分開建模。為了減小土體尺寸效應(yīng)，模型半徑為35m，樁體半徑為0.3m，盤體半徑為0.8m。采用的幾何模型和網(wǎng)格如圖3所示。土層參數(shù)設(shè)定與圖2一致，素填土采用M-C模型，軟黏土采用劍橋模型，擴(kuò)孔樁采用線彈性模型，工況設(shè)定為單樁承載力試驗(yàn)。考慮擴(kuò)孔樁使用C30混凝土灌注，其模量定為30GPa。樁土界面的法向接觸面模型為“硬接觸”，允許接觸面脫開；切向接觸面模型為“罰摩擦”。

圖3 幾何模型和網(wǎng)格

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

單樁承載力現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和數(shù)值模擬的Q-S曲線如圖4所示。由圖4可知，曲線經(jīng)歷了線性發(fā)展、沉降加速和急速刺入等三個(gè)階段，符合典型單樁承載力試驗(yàn)荷載-位移曲線的特征。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可知，上部荷載9 000kN之前，樁體沉降呈線性發(fā)展；之后沉降加速并最終發(fā)生刺入破壞。取線性增長(zhǎng)段尾端的荷載值為極限承載力，單樁極限承載力約為10 300kN。比較試驗(yàn)的實(shí)測(cè)值和模擬值可以看出，試驗(yàn)曲線和模擬曲線的趨勢(shì)和數(shù)值均有很好的吻合度，兩條曲線得出的極限承載力相差3%，試驗(yàn)曲線和模擬曲線的小差異可能來(lái)源于地勘參數(shù)的不確定性。綜合比較兩條曲線可知，本文的數(shù)值模擬方法可以較好地模擬單樁靜載試驗(yàn)。

圖4 數(shù)值模擬與實(shí)測(cè)曲線對(duì)比

2.2 盤間距對(duì)承載力的影響

模型驗(yàn)證后，利用此模型進(jìn)行不同樁間距單樁承載力的數(shù)值模擬。模擬中保持下盤位置不變，變化上盤位置，即分別將樁間距調(diào)小至3.0m和調(diào)大至5.5m進(jìn)行數(shù)值模擬。圖5是不同盤間距的靜載試驗(yàn)Q-S曲線。首先，三根擴(kuò)孔樁的模擬曲線均符合典型現(xiàn)場(chǎng)靜載試驗(yàn)曲線的特征，間接說(shuō)明模擬結(jié)果的可靠性。其次如表1所示，分析不同盤間距下的極限承載力發(fā)現(xiàn)，3m盤間距下樁承載力最小為9 218kN，4.5m與5.5m盤間距下樁承載力略有差異，但兩者基本一致。

圖5 不同盤間距下樁體Q-S曲線

表1 不同盤間距下多盤樁極限承載力

2.3 盤間距對(duì)盤間土變形的影響

由圖6可知，盤間距為2.5m和4.5m的算例中，樁體和盤間土的向下位移一致或者接近，表明樁和盤間土同步位移；而盤間距為5.5m時(shí)，樁和周圍土體的變形量不同，樁和周圍土體發(fā)生異步位移。Zhang[5]等對(duì)擴(kuò)孔樁的破壞機(jī)理進(jìn)行了研究，結(jié)果顯示盤端土體在荷載作用下形成一個(gè)塑性區(qū)，當(dāng)盤間距較近時(shí)兩盤的塑性區(qū)域會(huì)貫通并連成一個(gè)整體，影響上盤承載力的發(fā)揮。以往研究成果表明，擴(kuò)孔樁的樁間距存在一個(gè)臨界盤間距，實(shí)際盤間距小于臨界盤間距時(shí)樁體在極限承載力下發(fā)生筒體剪切破壞，而盤間距大于臨界盤間距時(shí)樁體在極限承載力下發(fā)生樁土界面破壞。根據(jù)模擬結(jié)果和以往研究成果，可知盤間距為4.5m以下，樁體發(fā)生筒體剪切破壞；盤間距為5.5m時(shí)，樁體發(fā)生樁土界面破壞。

本文提出了擴(kuò)孔樁的兩種破壞機(jī)制，即樁土界面破壞和筒體剪切破壞。數(shù)值分析結(jié)果表明，對(duì)于分支間距大于4.5m的擴(kuò)孔樁，在受壓過程中，支盤下方形成了單個(gè)土壤破壞面。如圖6所示，在荷載作用下，每個(gè)支盤具有獨(dú)立的位移和塑性變形輪廓，即擴(kuò)盤樁發(fā)生樁土界面破壞。圖4和圖5表明支盤間距不超過4.5m時(shí)，擴(kuò)盤樁盤間土體在極限荷載下產(chǎn)生圓柱形塑性位移輪廓，即當(dāng)受到極限壓縮荷載時(shí)，擴(kuò)盤樁發(fā)生筒體剪切破壞。樁土界面破壞或筒體剪切破壞的發(fā)展在很大程度上取決于土壤類型和間距比S/D，其中S是相鄰分支之間的間距。當(dāng)擴(kuò)盤樁盤間距由大到小變化時(shí)，擴(kuò)盤樁的破壞模式將由樁土界面破壞轉(zhuǎn)化成圓筒剪切破壞，存在一個(gè)盤間距Hcr，當(dāng)擴(kuò)盤盤間距恰好等于Hcr時(shí)，兩種破壞模式同時(shí)發(fā)生，可定義Hcr為臨界盤間距。因此，在評(píng)估擠擴(kuò)支盤樁承載力時(shí)，應(yīng)考慮這兩種破壞機(jī)制。對(duì)于單盤破壞機(jī)制，樁的極限承載力主要取決于沿軸的摩擦力和每個(gè)支盤的承載力；而對(duì)于圓柱形剪切破壞機(jī)制，兩盤間土與土的破壞發(fā)生在支盤樁直徑處，此時(shí)兩盤間的承載力應(yīng)通過大圓柱破壞面的抗剪強(qiáng)度來(lái)計(jì)算。

圖6 樁和土豎向位移云圖

在雙盤均處于統(tǒng)一土層中時(shí)，臨界盤間距其實(shí)對(duì)應(yīng)著樁體的最優(yōu)盤間距。首先，當(dāng)實(shí)際盤間距小于臨界盤間距時(shí)，盤間剪切筒長(zhǎng)度越長(zhǎng)、抗剪面積越大，盤間距增大至臨界盤間距時(shí)的抗剪能力最大。其次，當(dāng)實(shí)際盤間距大于臨界盤間距時(shí)，樁體抗剪能力與樁土界面面積也就是樁體表面積有關(guān)，由于盤間距移動(dòng)不影響樁體表面積，因此大于臨界盤間距后樁體極限承載力基本恒定。圖7是三種不同盤間距下的極限承載力。結(jié)合圖5、圖6和圖7，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有理論與本文的數(shù)值模擬一致。臨界盤間距與土體參數(shù)、樁體幾何尺寸等有關(guān)，對(duì)于典型的廣東軟土地質(zhì)條件，當(dāng)采用擴(kuò)孔樁進(jìn)行處理軟土地基時(shí)，本文建議采用4.5m盤間距。

圖7 極限承載力與盤間距關(guān)系

3 結(jié)論

(1)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明，盤擴(kuò)孔樁的單樁極限承載力約為10 300kN。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果，本文建立了合理、可靠的數(shù)值分析模型。

(2)分析不同盤間距下的極限承載力，發(fā)現(xiàn)3.0m盤間距下樁承載力最小，為9 218kN；4.5m與5.5m盤間距下樁承載力略有差異，但兩者基本一致。位移云圖顯示，盤間距為2.5m和4.5m時(shí)樁和盤間土同步位移；而盤間距為5.5m時(shí)，樁和周圍土體發(fā)生異步位移。

(3)當(dāng)實(shí)際盤間距小于盤間距臨界值時(shí)，樁體在極限承載力下發(fā)生筒體剪切破壞；當(dāng)盤間距大于盤間距臨界值時(shí)，樁體在極限承載力下發(fā)生樁土界面破壞。在雙盤均處于均質(zhì)土層中時(shí)，臨界盤間距對(duì)應(yīng)著樁體最優(yōu)的盤間距。就本文工程實(shí)例中的樁體而言，當(dāng)采用擴(kuò)孔樁對(duì)典型廣東軟土地基進(jìn)行處理時(shí)，建議采用4.5m盤間距。