傳統(tǒng)靜載實(shí)驗(yàn)對樁基承載力特性的影響

邢文福

(福建華電邵武能源有限公司 福建邵武 354000)

引 言

隨著高層建筑及橋梁工程建設(shè)的增多，樁基礎(chǔ)應(yīng)用越發(fā)廣泛。由于我國地域遼闊，地質(zhì)條件千差萬別，在樁基工程中如何確定不同條件下樁的承載力與沉降就成了設(shè)計(jì)與施工人員急需解決的問題。目前現(xiàn)場靜載試驗(yàn)被認(rèn)為是最可靠的試樁方法，然而大型工程中樁基的工作特點(diǎn)決定了大面積的靜載試驗(yàn)費(fèi)時費(fèi)力，且對周圍土體的擾動較大。目前國內(nèi)暫時還沒有系統(tǒng)的討論采用錨固法和堆載法時對試樁及周圍土體的影響，傳統(tǒng)的靜載實(shí)驗(yàn)試樁方式對錨樁與試樁樁徑之間的距離，堆載平臺的面積及位置只是有理論上的規(guī)定，然而錨樁、堆載平臺等試驗(yàn)因素對樁基承載力特性究竟有怎樣的影響則沒有進(jìn)行更深入的研究探討。因此，利用有限元數(shù)值方法來模擬錨固法和堆載法試樁條件下樁的承載力與沉降，并與理論受力樁進(jìn)行對比分析，研究探討錨樁與堆載平臺對試樁極限承載力、樁頂沉降、樁側(cè)摩阻力等的影響具有重要的實(shí)際意義。本文通過Plaxis2D程序建立相關(guān)模型，對外部條件均相同的單樁在理論受力試樁、錨固法試樁、堆載法試樁這三種試樁方式下樁的荷載位移曲線，樁側(cè)摩阻力進(jìn)行比較分析。分析試樁方式對樁基承載特性的影響機(jī)制，且討論樁基規(guī)范中對于靜載試驗(yàn)中相應(yīng)規(guī)定的合理性

1 計(jì)算模型概要

1.1 材料模型與結(jié)構(gòu)單元

Plaxis2D軟件提供了6節(jié)點(diǎn)單元和15節(jié)點(diǎn)單元，15節(jié)點(diǎn)單元比6節(jié)點(diǎn)單元的計(jì)算精度要高，在處理復(fù)雜問題時能產(chǎn)生高質(zhì)量的應(yīng)力效果，但是計(jì)算所花費(fèi)的時間長，本文采用的為15節(jié)點(diǎn)單元;根據(jù)本算列的特點(diǎn)，網(wǎng)格劃分精度選擇中等粗糙程度，并對單樁及錨樁附近的網(wǎng)格進(jìn)行加密。這樣既能減少計(jì)算又能得到較為理想的計(jì)算效果。采用Plaxis軟件自帶的Mohr-Coulomb本構(gòu)模型模擬土體。

(1)彈塑性本構(gòu)關(guān)系:在基坑開挖過程中土體內(nèi)部會形成一定范圍的塑性區(qū)，基于此特點(diǎn)采用Mohr-Coulomb模型來模擬土的本構(gòu)關(guān)系。該模型的屈服準(zhǔn)則和流動準(zhǔn)則如下:

a)屈服準(zhǔn)則:屈服準(zhǔn)則用來確定開始出現(xiàn)塑性變形時應(yīng)力的大小，其一般形式為式(1):

式中，k為材料參數(shù)，由實(shí)驗(yàn)確定，它是強(qiáng)化參數(shù)的函數(shù)。Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則是Coulomb摩擦破壞規(guī)律的推廣，表示如下:

式中，σ為正應(yīng)力，拉伸時為正;c為粘聚力;φ為內(nèi)摩擦角

b)流動準(zhǔn)則:Von Mises提出的塑性位移理論，假設(shè)經(jīng)過應(yīng)力空間的任何一點(diǎn)，必有一塑性位移等勢面存在，其數(shù)學(xué)表達(dá)式稱為塑性位移函數(shù)。塑性應(yīng)變增量可用塑性位勢函數(shù)g(σij)對應(yīng)力的微分表示:

式中，d是比例常數(shù)。上式稱為塑性位移理論，它表明一點(diǎn)的塑性應(yīng)變增量與通過該點(diǎn)的塑性勢面存在正交系，也確定了塑性應(yīng)變增量的方向。

(2)接觸面單元模型:在單樁承載力的模擬分析中，樁身與土體之間的接觸行為需要用接觸面來模擬，具體的方法是:當(dāng)|τ|＜σntanφi+ci，接觸面處于彈性階段;當(dāng)|τ|=σntanφi+ci時，接觸面進(jìn)入塑性階段。

1.2 建模計(jì)算

(1)約定三種試樁方式

在此我們討論3種意義上的試樁方式:

a)理論受力樁(這里我們只討論豎向受壓)，如(圖1)所示。

b)錨樁法:即利用主梁和次梁組成反力架，該裝置將千斤頂?shù)姆戳鹘o錨樁。本文中模擬的錨樁數(shù)量為2根(正常情況下應(yīng)為4根，因本文采用二維模型，故簡化為2根)，樁徑與試樁樁徑相同，入土深度與試樁深度相同，且錨樁與試樁的中心距離取2D，3D，4D，5D，6D;如(圖 2)所示。

c)堆載法:即在荷載平臺上堆放重物，一般為鋼錠或者砂包，也有在荷載平臺上置放水箱，向水箱中充水作為荷載。本文模擬時采用的壓重量為預(yù)估試樁破壞荷載的1.2倍。壓重在實(shí)驗(yàn)前一次性加上，并均勻穩(wěn)固的分布于平臺上，試樁與堆載平臺邊緣的距離分別取 2D，3D，4D，5D，6D;如(圖 3)所示。

圖1 理論受力樁

圖2 錨固法試樁

圖3 堆載法試樁

表1 樁基規(guī)范所規(guī)定靜載試驗(yàn)布局

(2)數(shù)值模型的建立

本文選用軸對稱模型，以右邊線為樁的中線，運(yùn)用幾何線繪制樁的接口，用摩爾-庫倫模型模擬土的強(qiáng)度與剛度，沉管灌注樁樁身采用板來近似，該單元可以受壓也可以受拉，用接口單元模擬樁與土的接觸面，試樁頂端承受3000KN的集中荷載壓力，在最后進(jìn)入計(jì)算程序時，試樁樁頂?shù)暮奢d采用乘子的方式加載。運(yùn)用Plaxis2D版本進(jìn)行豎向集中荷載作用下的單樁在各種試樁方式下的沉降過程模擬計(jì)算。樁徑d=2.0m，土體分為兩層，上層為粘土，層厚10m;下層為砂土，厚度30m。樁入土深度L=20m，砂土層作為持力層。土層接口取50*40(用以模擬半無邊界土層)，樁身與土之間的接觸通過程序自帶的接口接觸模型進(jìn)行模擬，計(jì)算參數(shù)按(表1、表2)選取。

表2 砂土層與粘土層的材料特性

表3 板的材料特性

2 三種試樁方式計(jì)算結(jié)果的分析與討論

2.1 三種試樁方式下單樁的荷載位移曲線對比分析

選擇樁基規(guī)范里面規(guī)定的安全試樁間距來討論相應(yīng)的試樁方式對于樁基承載特性的影響。即錨固法時選擇錨樁與試樁的樁間距為4D，堆載法時選擇堆載平臺邊緣與試樁的中心間距為4D。在此基礎(chǔ)上將錨固法試樁、堆載法試樁與理論受力樁相比較，以理論受力樁作為基準(zhǔn)，從而討論錨固試樁、堆載法試樁這兩種靜載實(shí)驗(yàn)試樁方式對樁的樁的荷載位移曲線、樁側(cè)摩阻力、樁的極限承載力的影響。

由(圖4)可知堆載法試樁時的的極限承載力大于理論受力樁的極限承載力，且其極限荷載時所對應(yīng)的樁頂位移也較小;錨固試樁時樁的極限承載力小于理論受力樁的極限承載力，且其極限荷載時所對應(yīng)的樁頂位移也較大。

圖4 荷載位移曲線

2.2 三種試樁方式下樁側(cè)摩阻力分布比較

圖5 樁側(cè)摩阻力隨深度變化曲線

由(圖5)可知樁側(cè)摩阻力沿深度分布曲線的基本趨勢基本相同，隨著深度增加，樁側(cè)摩阻力由上到下逐漸增大至發(fā)揮極限。同時對三種試樁方式下的樁側(cè)摩阻力對比分析可知錨固法試樁時樁側(cè)摩阻力增加速率最小，單樁次之，堆載法時樁側(cè)摩阻力增加速率最大。

3 試樁方式對樁基承載特性影響機(jī)制的分析與討論

3.1 錨固法對樁基承載特性影響機(jī)制的分析與討論

3.1.1 錨樁對試樁荷載位移曲線的影響

圖6 荷載位移曲線

從(圖6)可知錨固法時試樁的極限承載力隨著錨樁與試樁的樁間距增大(由2D～6D)呈增大的趨勢，其極限承載力時所對應(yīng)的樁頂位移有減小的趨勢。由荷載位移曲線的變化趨勢可知，若錨樁與試樁的樁間距趨于無窮遠(yuǎn)，錨固法試樁的荷載位移曲線會無限趨近于理論受力樁的荷載位移曲線，即試樁極限承載力增大，且所對應(yīng)的樁頂位移減小。由此知在錨固法靜載試驗(yàn)時，要想減小錨樁對于試樁的影響并獲取精確的試樁承載參數(shù)，必須增大錨樁和試樁之間的距離。

樁基規(guī)范規(guī)定的錨樁與試樁間距為4D所對應(yīng)荷載位移曲線位于2D和6D之間，即此時錨樁對試樁的承載力減小效應(yīng)較小但不能忽略不計(jì)。

3.1.2 錨樁對試樁樁側(cè)土體豎向、水平向應(yīng)力的影響

從(圖7、圖8)可以發(fā)現(xiàn)，隨著錨樁與試樁的樁間距增大(2D～6D)，樁側(cè)土體豎直向應(yīng)力和水平向應(yīng)力均為增大趨勢;在樁間距為6D時錨固法試樁時樁側(cè)土體豎直向和水平向應(yīng)力均為最大。這表明，錨樁對試樁樁側(cè)土體豎直向應(yīng)力和水平應(yīng)力都具有減小效應(yīng)。

圖7 樁側(cè)土體豎直向應(yīng)力沿土層深度分布

圖8 樁側(cè)土體水平向應(yīng)力沿土層深度分布

3.1.3 錨樁對試樁側(cè)摩阻力的影響

課程每個教學(xué)模塊的載體都是日常生活中熟悉、并且十分關(guān)心的食品，具有很強(qiáng)的代表性和通用性。作為教學(xué)情境中載體的分析檢驗(yàn)工作，覆蓋了食品企業(yè)生產(chǎn)中的典型崗位。因此，通過該課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生不但能夠掌握關(guān)鍵崗位技能，獲得相應(yīng)的職業(yè)資格證書，還為學(xué)生的可持續(xù)性發(fā)展打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。目前，將“功能性食品”課程進(jìn)行重組。

圖9 樁側(cè)摩阻力隨深度變化曲線

由(圖9)知，樁側(cè)摩阻力隨著樁體沿土層深度的增大而增大，但當(dāng)樁身側(cè)摩阻力達(dá)到一定程度后為線性增大。錨固法時隨著錨樁與試樁的樁間間距逐漸增大，樁身側(cè)摩阻力逐漸增大，且在樁間距為6D時，樁身側(cè)摩阻力最大，即錨樁對樁身側(cè)摩阻力具有減小效應(yīng)。隨著樁間距的增大，錨樁對試樁的樁身側(cè)摩阻力影響逐漸減小，若樁間距增大至無窮，則錨樁對試樁側(cè)摩阻力無影響。由此可知，錨樁通過減小試樁的樁側(cè)摩阻力，從而減小試樁的極限承載力。

綜合(圖7～圖9):錨樁對試樁樁側(cè)土體豎直向應(yīng)力具有減小效應(yīng)，進(jìn)而對樁側(cè)土體水平向應(yīng)力具有減小效應(yīng)，故對樁身側(cè)摩阻力具有減小效應(yīng);通過以上三個結(jié)論我們可以探討:錨樁在工作過程中要承受上拔力，會導(dǎo)致錨樁周圍土體承受向上作用力，所以對樁側(cè)土體的豎直向應(yīng)力具有減小效應(yīng);且同時影響水平向應(yīng)力，會導(dǎo)致土體向四周松散，即錨樁對試樁樁側(cè)土體水平向應(yīng)力具有減小效應(yīng);最后，由于錨樁的作用對試樁樁身側(cè)摩阻力具有減小效應(yīng)，導(dǎo)致試樁極限承載力小于單樁理論極限承載力。

3.2 堆載法對樁基承載特性影響機(jī)制的分析與討論

3.2.1 堆載平臺對試樁荷載位移曲線的影響

由(圖10)可知堆載法時試樁的極限承載力隨著堆載平臺與試樁的間距增大(由2D～6D)呈減小的趨勢，其極限承載力所對應(yīng)的樁頂位移有增大的趨勢。由荷載位移曲線的變化趨勢可知，若堆載平臺與試樁的間距趨于無窮遠(yuǎn)，堆載法試樁的荷載位移曲線會無限趨近于理論受力樁的荷載位移曲線，即試樁極限承載力增大，且所對應(yīng)的樁頂位移減小。由此知在堆載法靜載試驗(yàn)時，要想減小堆載平臺對于試樁的影響并獲取精確的試樁承載參數(shù)，必須增大堆載平臺和試樁之間的距離。

圖10 荷載位移曲線

樁基規(guī)范規(guī)定的堆載平臺與試樁間距為4D所對應(yīng)荷載位移曲線位于2D和6D之間，即此時堆載平臺對試樁的承載力減小效應(yīng)較小但不能忽略不計(jì)。

3.2.2 堆載平臺對試樁樁側(cè)土體豎向、水平向應(yīng)力的影響

從(圖11、圖12)可以發(fā)現(xiàn)，隨著堆載平臺與試樁的間距增大(2D～6D)，樁側(cè)土體豎直向應(yīng)力和水平向應(yīng)力均為減小趨勢;在間距為6D時堆載法試樁時樁側(cè)土體豎直向和水平向應(yīng)力均為最小。這表明，堆載平臺對試樁樁側(cè)土體豎直向應(yīng)力和水平應(yīng)力都具有增大效應(yīng)。

圖11 樁側(cè)土體豎直向應(yīng)力沿土層深度分布

圖12 樁側(cè)土體水平向應(yīng)力沿土層深度分布

3.2.3 堆載平臺對試樁側(cè)摩阻力的影響

由(圖13)知，堆載法時隨著堆載平臺與試樁的間距逐漸增大，樁身側(cè)摩阻力逐漸減小，且在間距為6D時，樁身側(cè)摩阻力最小，即堆載平臺對樁身側(cè)摩阻力具有增大效應(yīng)。隨著間距的增大，堆載平臺對試樁的樁身側(cè)摩阻力影響逐漸減小，若間距增大至無窮，則堆載平臺對試樁側(cè)摩阻力無影響。由此可知，堆載平臺通過增大試樁的樁側(cè)摩阻力，從而增大試樁的極限承載力。

圖13 樁側(cè)摩阻力隨深度變化曲線

綜合(圖11～圖13):堆載平臺對樁側(cè)土體的豎直向應(yīng)力具有增大效應(yīng)，進(jìn)而對樁側(cè)土體的水平向應(yīng)力具有增大效應(yīng)，導(dǎo)致樁身側(cè)摩阻力增大;通過以上三個結(jié)論我們可以探討:堆載平臺受到堆載重物向下的重力且漸漸下沉，會對堆載平臺周圍土體有壓實(shí)作用，所以對樁側(cè)土體的豎直向應(yīng)力具有增大效應(yīng);且堆載平臺在對土體進(jìn)行向下壓實(shí)過程中會同時導(dǎo)致土體向四周擴(kuò)散，所以堆載平臺對樁側(cè)土體的水平向應(yīng)力具有增大效應(yīng);最后，由于堆載平臺對試樁的樁側(cè)土體水平向應(yīng)力和樁側(cè)土體的豎向應(yīng)力二者都具有增大效應(yīng)，所以堆載平臺會導(dǎo)致樁身側(cè)摩阻力的增大，從而增大試樁的極限承載力。

4 結(jié)論

(1)通過比較發(fā)現(xiàn)三種試樁方式下，堆載法試樁時試樁的極限承載力最大，同時極限承載力所對應(yīng)的樁頂沉降也最小;錨固法試樁時試樁的極限承載力最小，同時極限承載力所對應(yīng)的樁頂沉降也最大。

(2)在錨樁的作用下，樁側(cè)土體的豎向應(yīng)力減小，水平向應(yīng)力也減小，導(dǎo)致樁側(cè)摩阻力變小，樁的極限承載力變小;在堆載平臺的作用下，樁側(cè)土體的豎向應(yīng)力增大，水平向也增大，導(dǎo)致導(dǎo)致樁側(cè)摩阻力變大，樁的極限承載力變大。

(3)靜載試驗(yàn)時，通過錨固法所測得的樁基極限承載力小于實(shí)際的試樁極限承載力，而通過堆載法所測得樁極限承載力大于實(shí)際的試樁極限承載力，故在設(shè)計(jì)施工時應(yīng)折算成一定的安全系數(shù)才能獲得真正的極限承載力。且靜載試驗(yàn)會對樁周土體造成干擾，錨固法時錨樁周圍土體具有一定向上的位移導(dǎo)致土體松散;堆載法試樁堆載平臺對樁周土體具有擠壓作用，在增大試樁極限承載力同時會增大試樁周圍土體沉降，可能會對附近建筑物產(chǎn)生不良影響。

(4)在樁基工程設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮靜載實(shí)驗(yàn)時試樁方式對所測樁基承載力的影響效應(yīng)。

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