土體特性對(duì)灌注樁承載性能影響分析

金大勇

(遼寧省冶金地質(zhì)勘查局四0二隊(duì)，遼寧鞍山 114000)

建筑樁基礎(chǔ)常規(guī)的設(shè)計(jì)方法，是將上部荷載全部由樁來承擔(dān)，沒有考慮到承臺(tái)下地基土所起到的承載作用。然而近年來承臺(tái)下地基土分擔(dān)荷載的可能性已為大量的工程實(shí)踐及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)所證實(shí)。如果按照傳統(tǒng)的方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，沒有考慮地基土的作用，會(huì)盲目的增加樁的用量，造成很大的浪費(fèi)［1-3］。因此要研究在基礎(chǔ)沉降控制得到滿足的前提下，發(fā)揮承臺(tái)下地基土的承載能力，通過設(shè)置相對(duì)較少的樁滿足基礎(chǔ)的荷載及變形條件，節(jié)約工程造價(jià)［4-6］。本文以鉆孔灌注樁為研究對(duì)象，以數(shù)值仿真為手段，通過改變樁體周圍土體特性，研究對(duì)灌注樁承載力的影響所產(chǎn)生的規(guī)律，以便為樁土共同作用分析設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 工程概況

工程場(chǎng)地布設(shè)地質(zhì)勘探孔6個(gè)，最大探深34.00 m，總進(jìn)米169.60 m;原位測(cè)試中標(biāo)貫21次，并進(jìn)行了重型動(dòng)力觸探實(shí)驗(yàn)。根據(jù)勘察及原位測(cè)試實(shí)驗(yàn)得出了地基承載能力及土層物理力學(xué)參數(shù)，為計(jì)算分析奠定了基礎(chǔ)。

1)該場(chǎng)地地層較為簡(jiǎn)單，變化不大。2)①雜填土層不能作為天然地基淺基礎(chǔ)持力層。3)②粉土層不能作為天然地基淺基礎(chǔ)持力層。4)③中粗砂及④礫砂含角礫層分布較為均勻。5)⑤中風(fēng)化巖為場(chǎng)地內(nèi)穩(wěn)定地層，無軟弱夾層及下臥層，強(qiáng)度較高，可以作為橋墩基礎(chǔ)持力層，建議采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ)形式。

該場(chǎng)地為中硬場(chǎng)地土，場(chǎng)地類別為Ⅱ類?？拐鹆叶?度，標(biāo)準(zhǔn)凍結(jié)深度為1.40 m。

2 有限元仿真模擬

2.1 本構(gòu)模型

1)采用彈性材料對(duì)樁體進(jìn)行模擬。樁體材料由胡克定律可表示為:

其中，{σ}為應(yīng)力增量;{ε}為應(yīng)變?cè)隽?［D］為彈性矩陣。

2)Mohr-Coulomb彈塑性屈服準(zhǔn)則。采用Mohr-Coulomb材料對(duì)土體進(jìn)行模擬，其分層按照實(shí)際簡(jiǎn)化地層進(jìn)行建模。根據(jù)極限狀態(tài)應(yīng)力圓與強(qiáng)度包線的幾何關(guān)系，Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則可表示為:

或:

在三維主應(yīng)力空間中σ1＞σ2＞σ3條件下，其破壞面可采用與式(2)相似的屈服函數(shù)表示為:

在主應(yīng)力空間中M-C準(zhǔn)則的屈服面是一個(gè)以空間對(duì)角線為對(duì)稱軸的六角錐面，六個(gè)錐角三三相等。在扁平面或平面上的屈服曲線是六個(gè)錐角三三相等的六邊形。M-C準(zhǔn)則在p-q平面上的屈服曲線，在其他平面上也有相應(yīng)的屈服函數(shù)和屈服曲線形式。

2.2 材料參數(shù)

經(jīng)過初期現(xiàn)場(chǎng)勘探及室內(nèi)材料參數(shù)試驗(yàn)獲得土層參數(shù)如表1所示。

表1 土層參數(shù)表

2.3 模擬思路

1)邊界條件。根據(jù)工程情況建立3D實(shí)體模型進(jìn)行模擬，有限元模型側(cè)面采用水平約束，底面采取固定約束。采用實(shí)體單元類型，節(jié)點(diǎn)自由度為3個(gè)平移自由度;材料參數(shù)按照地質(zhì)勘察資料進(jìn)行選取。

2)荷載條件。將上部傳遞的荷載等效均布于樁頂，進(jìn)行樁土作用分析。

3)建立模型。樁體加載示意圖如圖1所示。

圖1 有限元加載模型

2.4 模擬結(jié)果與荷載試驗(yàn)對(duì)比分析

以該項(xiàng)目3號(hào)樁為研究對(duì)象，將單樁靜載實(shí)驗(yàn)和單樁3D模擬仿真進(jìn)行對(duì)比分析，模擬仿真參數(shù)均取值于工程地質(zhì)勘察數(shù)據(jù)，單樁靜載數(shù)據(jù)取自于實(shí)測(cè)實(shí)驗(yàn)。

如圖2所示，樁頂加載10 000 kN以內(nèi)，模擬值與計(jì)算值接近，說明有限元數(shù)值模擬精度較高，但模擬值更接近于線性變化。原因在于模擬值計(jì)算過程中將樁體及土層進(jìn)行了相應(yīng)的簡(jiǎn)化，與實(shí)際土體、樁體參數(shù)不完全相符所導(dǎo)致。樁體加載實(shí)驗(yàn)加到10 000 kN便進(jìn)行了卸載，因此沒有后半程曲線，模擬值中所表示10 000 kN以上樁頂位移開始擺脫線性變化，變?yōu)槎冈觯虼丝梢源_定樁基已經(jīng)達(dá)到了極限承載能力。

圖2 實(shí)驗(yàn)值與模擬值對(duì)比圖

3 土體特性影響因素分析

3.1 樁周土體粘聚力影響

研究樁周土體的粘聚力對(duì)大直徑鉆孔灌注樁豎向承載力的影響，該次仿真計(jì)算中選取樁長(zhǎng)為40 m，樁徑為1.0 m進(jìn)行有限元計(jì)算分析，計(jì)算中其他參數(shù)均與前述相同。樁周土體粘聚力如圖3所示。

圖3 粘聚力影響因素曲線

由圖3可見，粘聚力增加，則樁基承載能力增加，尤其是從0 kPa增加到1 kPa，承載能增幅最大。粘聚力從1 kPa繼續(xù)增加，則樁基承載能力增幅較小，粘聚力5 kPa增加到10 kPa增幅最小。由此可以看出粘聚力的增加對(duì)于樁基承載力的增加影響極為有限。

3.2 樁側(cè)土體強(qiáng)度的影響

研究樁側(cè)土體強(qiáng)度對(duì)樁基承載力的影響，土體強(qiáng)度用土體變形模量變化進(jìn)行仿真分析。該次仿真計(jì)算中選取樁長(zhǎng)為40 m，樁徑為1.0 m進(jìn)行有限元計(jì)算分析，計(jì)算中其他參數(shù)均與前述相同。土體變形模量如圖4所示。

圖4 土體強(qiáng)度影響因素曲線

由圖4可見，樁周土體強(qiáng)度的增加對(duì)樁基承載力的提高有很大影響，從1 MPa～50 MPa，變形模量增幅越大，對(duì)于樁基豎向承載力的提高也就越加明顯，但從50 MPa～100 MPa則對(duì)于樁基礎(chǔ)豎向承載能力的提高影響較小。模擬過程中根據(jù)條件，該大直徑鉆孔灌注樁基礎(chǔ)屬于摩擦樁，樁側(cè)阻力作用非常重要，因此樁側(cè)土體強(qiáng)度提高則會(huì)大幅度提高樁基承載力，樁基礎(chǔ)的沉降也隨之減小。

3.3 樁與土體摩擦系數(shù)影響

研究樁側(cè)土體與樁體之間的摩擦系數(shù)因素對(duì)樁基承載力的影響，通過設(shè)置摩擦系數(shù)來達(dá)到研究目的。該次仿真計(jì)算中選取樁長(zhǎng)為40 m，樁徑為1.0 m進(jìn)行有限元計(jì)算分析，計(jì)算中其他參數(shù)均與前述相同。土體摩擦系數(shù)如圖5所示。

圖5 摩擦系數(shù)影響因素曲線

由圖5可見，隨著樁頂荷載的增加，前階段樁頂位移與豎向承載力基本呈線性增大。樁基豎向承載能力隨著摩擦系數(shù)的增加而迅速增大，表明摩擦系數(shù)增大導(dǎo)致樁土之間的摩阻力大幅增加，對(duì)于這種大直徑摩擦樁的豎向承載力的提高顯著。因此施工中可以通過增加摩阻力的方式來提高樁基豎向承載能力。

4 結(jié)語

1)通過有限元軟件ADINA仿真模擬結(jié)果與加載試驗(yàn)對(duì)比結(jié)果分析可知，仿真計(jì)算結(jié)果較為準(zhǔn)確，根據(jù)模擬曲線特征判斷加載10 000 kN樁基已經(jīng)達(dá)到了極限承載能力。

2)粘聚力的增加對(duì)于樁基承載力的增加影響極為有限;該大直徑鉆孔灌注樁基礎(chǔ)屬于摩擦樁，樁側(cè)阻力作用非常重要，因此樁側(cè)土體強(qiáng)度提高則會(huì)大幅度提高樁基承載力，樁基礎(chǔ)的沉降也隨之減小。

3)摩擦系數(shù)增大導(dǎo)致樁土之間的摩阻力大幅增加，可以通過增加摩阻力的方式來提高樁基豎向承載能力。

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