樁基礎(chǔ)豎向承載力力學(xué)特性及影響因素研究

摘 要：為研究豎向荷載作用下樁的承載力效應(yīng)及樁基礎(chǔ)最優(yōu)設(shè)計方法。本文采用靜載試驗和數(shù)值方式研究了在逐級加載作用下，樁的內(nèi)力和變形規(guī)律，并對樁徑和樁長的參數(shù)進行優(yōu)化，得出以下結(jié)論。1）當樁徑相同時，樁長增加，樁的承載力越大。樁長一定，樁徑越大，樁的承載力也越大。但當樁徑和樁長增加到一定程度時，樁的承載力提升較小。2）在實際工程中，樁的長度設(shè)計須保證穿越軟弱土層，從而增加樁的豎向承載力。3）提出樁基礎(chǔ)最優(yōu)設(shè)計方案，針對本文工程案例的最優(yōu)樁長為60m，最優(yōu)樁徑為1.0m。

關(guān)鍵詞：靜載試驗；豎向承載力；參數(shù)優(yōu)化；數(shù)值模擬

中圖分類號：TU 47" 文獻標志碼：A

樁基礎(chǔ)由于承載力大和變形小的優(yōu)點被廣泛應(yīng)用于工程建設(shè)中。研究表明，樁基礎(chǔ)可以有效控制上部結(jié)構(gòu)的變形從而保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。針對樁基礎(chǔ)豎向承載力力學(xué)特性，鄧小雪[1]基于有限元方法研究了豎向荷載作用下復(fù)雜群樁的變形及荷載分布規(guī)律。結(jié)果表明，超長群樁的Q-S曲線呈緩變特征，樁身軸力在中樁最大，角樁最小，樁身的壓縮沉降量隨樁長增加而減少。劉祥沛等[2]基于室內(nèi)模型試驗和數(shù)值模擬研究了樁基礎(chǔ)破壞特征。結(jié)果表明，當樁基礎(chǔ)破壞時樁頂位移會迅速增加，破壞時樁底反力出現(xiàn)突變。秋仁東等[3]基于大比例模型試驗研究了長群樁基礎(chǔ)承載力性狀。結(jié)果表明，群樁基礎(chǔ)存在明顯的硬化效應(yīng)，端阻力在樁距較近的條件下提高幅度較大。此外，群樁承臺反力隨沉降的增加而變大。在其他條件相同的情況下，承臺反力隨樁距增加而變大。

考慮目前樁基礎(chǔ)承載力計算不精確，樁基工程經(jīng)常出現(xiàn)質(zhì)量問題，造成人員和財產(chǎn)的損失。本文采用數(shù)值模擬對樁的承載力特性及基礎(chǔ)參數(shù)進行優(yōu)化。為相關(guān)工程設(shè)計及施工提供借鑒。

1 工況概況與數(shù)值模擬

本文研究的樁基礎(chǔ)屬于橋梁樁基礎(chǔ)，樁基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁，樁身混凝土強度均采用C30混凝土澆筑。預(yù)估單樁承載力特征值為2000kN。靜載試驗采用豎向承載力壓樁試驗，每根試驗樁設(shè)計4根反力錨樁。根據(jù)現(xiàn)場鉆孔資料顯示，研究區(qū)土體自上而下為素填土，顏色褐色-黃褐色，稍密，物理力學(xué)性質(zhì)一般。黏土，呈淺灰色，濕，稍密，局部相變?yōu)轲ね粒骄鶚素灀魯?shù)N＝6.6擊，物理力學(xué)性質(zhì)一般。粉砂，中砂層呈灰色-灰黑色，顆粒大部分分散小部分膠結(jié)，粒徑＞2mm的顆粒含量占總質(zhì)量的25％～50％，稍濕～飽和，中密狀態(tài)。根據(jù)勘查報告顯示，現(xiàn)場地基屬于軟土地基，壓縮性較大。為保證基礎(chǔ)承載力及變形要求，采用鉆孔灌注樁進行施工。本次壓樁試驗采用分級加載方式，每級荷載為200kN，最終荷載為2000kN。

為進一步研究樁土相互作用，本文采用ABAQUS數(shù)值模擬建立不同樁長及不同樁徑的有限元數(shù)值模型，以便系統(tǒng)分析樁基的豎向承載力特性，并選出最優(yōu)樁基礎(chǔ)設(shè)計方案。建立典型的數(shù)值模型如圖1所示。數(shù)值計算中模型長度和寬度均為13m，模型深度為100m。樁身長度為30～70m，樁徑為0.8～2.0m。樁土界面間的接觸采用彈簧模擬，彈簧法向的剛度取值為10N/m。最終得到的網(wǎng)格總數(shù)為35022個。計算中土體采用摩爾庫倫本構(gòu)模型，樁基礎(chǔ)采用線彈性本構(gòu)模型。模型所采用的計算參數(shù)見表1。

2 結(jié)果與分析

2.1 試驗結(jié)果

圖2為試驗過程中各級荷載作用下樁頂沉降的分布規(guī)律。結(jié)果表明，在不同樁長的工況下，各級荷載作用下，樁頂沉降變形較為均勻，沒有發(fā)生明顯的突變情況。在最大荷載為20000kN的工況下，樁頂?shù)淖畲蟪两抵禐?0.2mm，樁基礎(chǔ)滿足安全性要求。圖3為樁長在55m的工況下，樁身軸力的分布規(guī)律。結(jié)果表明，在各級荷載作用下，樁身軸力沿深度不斷變小且在同一位置處，相鄰加載等級的軸力差不斷變小。由此證明，樁身上部承擔的外荷載要明顯大于樁身下部分承擔的外荷載。

2.2 數(shù)值模擬驗證

圖4為數(shù)值模擬和試驗關(guān)于各級荷載下的Q-S曲線對比結(jié)果。結(jié)果表明，數(shù)值模擬與試驗結(jié)果吻合度較好，證明本文數(shù)值模擬是可靠的。在各級荷載作用下，隨荷載增加，樁頂?shù)某两当憩F(xiàn)出增加的趨勢且數(shù)值模擬與試驗結(jié)果均滿足實際加載中樁頂?shù)某两狄?guī)律。在最終荷載為20000kN的情況下，數(shù)值模擬計算得到的樁頂最大沉降量為67.78mm，現(xiàn)場實測得到的樁頂最大沉降量為68.38mm。兩者的相對誤差＜2%。圖5得到了樁身軸力分布的模擬值和現(xiàn)場試驗值。結(jié)果表明，模擬結(jié)果與數(shù)值結(jié)果基本一致。同理可證明本文數(shù)值模擬的可靠性。

2.3 樁徑對樁基礎(chǔ)的豎向承載力影響

為進一步研究樁徑對樁豎向承載力的影響。本文計算了樁直徑分別為0.6m、0.8m、1.0m、1.2m、1.5m和2.0m工況下的樁頂沉降規(guī)律。結(jié)果表明，不同樁徑工況下，樁頂沉降曲線的變化規(guī)律基本相同。在相同的荷載下，樁頂沉降值隨樁徑的增加而減少。不同樁徑下的沉降曲線表現(xiàn)出明顯的非線性。此外，當樁徑由0.6m增至1.0m時，樁基礎(chǔ)的豎向承載力明顯大于樁徑由1.0m增至2.0m的工況。在樁徑為0.6m和0.8m工況下，樁頂沉降出現(xiàn)明顯的突變，由此證明，樁徑太小會導(dǎo)致樁的承載力明顯不足。而當樁徑由1.5m增至2.0m時，樁的豎向承載力提升明顯較小，但是樁的體積卻明顯變大，容易造成材料浪費。

2.4 樁長對樁基礎(chǔ)的豎向承載力影響

為進一步研究樁長對樁豎向承載力的影響。本文計算了樁直徑分別為30m、40m、50m、60m和70m工況下的樁頂沉降規(guī)律。結(jié)果表明，不同樁長工況下，樁頂沉降曲線的變化規(guī)律基本相同。在相同的荷載下，樁頂沉降值隨樁長的增加而減少。不同樁長情況下的沉降曲線表現(xiàn)為明顯的非線性。其中，在樁長由30m增至50m工況下，樁基礎(chǔ)的豎向承載力明顯增加，但當樁長＜40m時，樁的承載力明顯較小，主要原因是當樁基礎(chǔ)太短時，樁頂?shù)能浫跬翆訜o法為樁提供足夠的承載力。當樁長＞50m時，樁底穿過軟土，因此可以提供較大的承載力。但當樁的長度由60m增至70m時，樁的豎向承載力提升程度明顯不足，由此表明，無限制的加大樁長并不能有效提高橋梁樁基礎(chǔ)的承載力，樁的體積卻明顯變大，也會造成材料浪費。

2.5 樁的彈性模量對承載力的影響

為研究樁身剛度對樁豎向承載力的影響，本文計算了樁彈性模量分別為15MPa、25MPa和35MPa工況下樁承載力分布規(guī)律。結(jié)果表明，樁頂沉降隨樁的彈性模量的增加而減少且樁的豎向沉降變化速率逐漸減少，證明無限制增加彈摸對樁的承載力影響有限。在實際工程中，過分考慮樁的剛度對樁的承載力和變形的影響可能會造成材料浪費[4]。

2.6 樁基礎(chǔ)的優(yōu)化設(shè)計

本文系統(tǒng)地分析了樁徑和樁長對樁基礎(chǔ)豎向承載力的影響。在實際工程中如何合理選取樁徑和樁長是工程中重要的結(jié)構(gòu)設(shè)計問題。研究表明，當樁的直徑＞1.5m，樁的長度＞50m時。增加樁徑和樁長，對樁的豎向承載力提升不明顯。為優(yōu)化樁基礎(chǔ)的設(shè)計參數(shù)，本文設(shè)計了兩種樁參數(shù)進行對比分析。方案一：樁徑和樁長分別取1.5m和50m。方案二：樁徑和樁長分別取1.0m和60m。圖6為兩種不同的設(shè)計方案下的樁頂沉降曲線。結(jié)果表明，兩種工況下樁的沉降變形規(guī)律基本相同。樁頂?shù)淖畲蟪两祷疽恢?。證明兩種方案均能滿足規(guī)范要求。為進一步優(yōu)化工程造價參數(shù)，本文采用如下模型進行計算，如公式（1）所示。

M=HS" " " " " " " " " " " " " （1）

式中：M為樁基礎(chǔ)混凝土的體積，m3；H為樁的長度m；S為樁基礎(chǔ)的橫截面積，m2。

采用公式（1）得到，方案一最終的混凝土用量為88m3，而方案二最終的混凝土用量為47m3。因此，在均滿足安全要求的前提下，方案二為最優(yōu)設(shè)計方案。

3 結(jié)論

本文基于橋梁樁基礎(chǔ)現(xiàn)場靜載試驗和ABAQUS數(shù)值模擬，對豎向荷載作用下樁承載力性狀進行研究，分析了在逐級加載作用下，樁的內(nèi)力和變形特性，并進一步采用數(shù)值模擬對樁徑和樁長的參數(shù)進行優(yōu)化，得到如下幾點結(jié)論。1）當樁徑相同時，樁越長，樁的承載力越大。樁長一定，樁徑越大，樁的承載力也越大。但當樁徑和樁長增至一定程度時，樁的承載力提升非常小。2）當樁底位于軟弱土層時，樁的承載力較小。在實際工程中，樁的長度設(shè)計須保證穿越軟弱土層，從而提升樁的豎向承載力。樁頂沉降隨樁的彈性模量的增加而減少且樁的豎向沉降變化速率逐漸減少。因此，過分考慮樁的剛度對樁的承載力和變形的影響可能會造成材料浪費。3）綜合有限元計算和混凝土用量計算公式，提出了一種樁基礎(chǔ)參數(shù)優(yōu)化模型。針對本文算例，對比分析了兩種不同的樁基礎(chǔ)設(shè)計參數(shù)，優(yōu)化后的樁長和樁徑分別為60m和1.0m。

參考文獻

[1]鄧小雪，李龍起，張帥，等.豎向荷載作用下復(fù)雜群樁的變形及荷載分布[J].鐵道建筑，2019，59（4）：53-56，75.

[2]劉祥沛，董天文，鄭穎人.樁基礎(chǔ)承載力室內(nèi)試驗與數(shù)值計算研究[J].地下空間與工程學(xué)報，2016，12（3）：719-728.

[3]秋仁東，劉金礪，高文生，等.長群樁基礎(chǔ)承載力性狀的大比例尺模型試驗研究[J].巖土工程學(xué)報，2012，34（12）：2233-2242.

[4]范慶來，張可譽，張令諾.非均質(zhì)各向異性軟基上管樁基礎(chǔ)承載力分析[J].巖土力學(xué)，2008，29（增刊1）：621-624.