基于數值分析的根式基礎承載性狀研究★

許慧澤 朱大勇 侯超群 殷永高

(1.合肥工業大學土木與水利工程學院，安徽 合肥 230009； 2.土木工程結構與材料安徽省重點實驗室，安徽 合肥 230009； 3.合肥工業大學汽車與交通工程學院，安徽 合肥 230009； 4.安徽省高速公路總公司，安徽 合肥 230051)

1 概述

樁基礎是高層建筑、橋梁、港口和近海工程等采用的主要基礎型式之一，目前在各類基礎工程中得到了廣泛應用[1-3]。針對長江中下游地區覆蓋土層較厚的情況，殷永高[4]提出了一種全新的基礎形式——根式基礎，突破傳統樁基礎承擔荷載的方式，將地基梁分布于堅實的土層中，達到了土體與基礎之間的剛度協調，積極調動了高強度土層的承載能力，提高樁基的承載力，特別是水平承載力，改善其抗震性能。

隨著施工技術的進步，根式基礎在實際工程中得到了一定的應用，合肥—阜陽高速公路工程跨淮河大橋、馬鞍山長江大橋、望東長江大橋和池州長江大橋等項目中都采用了這種新型深基礎。殷永高等[5]將現場試驗結果與數值模擬相結合對根式基礎的豎向和水平承載性狀進行研究。龔維明等[6]研究了根式沉井基礎的側摩阻力、軸力、頂部位移以及根鍵彎矩等，并與普通沉井進行對比分析。Yang C等[7]進行了根式樁的現場靜載試驗，并繪制出了根式樁的Q—s曲線。

根式基礎雖然得到了一定的應用，但是并不十分普遍，其結構形式復雜，沉降變形難以預測，荷載傳遞機理有待進行進一步的研究。鑒于此，本文基于某長江大橋建設項目對根式基礎豎向承載性狀進行數值模擬并與實測數據進行對比分析。

2 根式基礎承載性狀

2.1 根式基礎數值模擬

本文中首先采用ANSYS建立根式基礎幾何模型，根式基礎與土體模型均以六面體網格進行劃分，樁身主要由掃掠網格劃分而成，土體主要由映射網格劃分而成。再導入FLAC3D中進行模擬。土體Mohr-Coulomb模型，樁身混凝土采用Elastic彈性材料模擬，為計算簡便，將相似土體參數采用加權方式處理，其土層物理參數表見表1。模型除土體頂部為自由面外其他三面均采用法向固定約束，根式基礎樁身FLAC3D模型如圖1所示。

表1 土層的物理力學參數表

2.2 根式基礎受力特性分析

采用分級加載的方式模擬相同環境下普通樁與根式基礎的豎向承載試驗，可以發現Q—s曲線均為陡變型，如圖2所示。當荷載較小時，兩種樁在同一荷載作用下所對應的沉降值差別較小，隨著荷載的增大，沉降量之差逐漸增大。相較于普通樁而言，根式基礎能夠大幅度減小樁身沉降量。計算得到普通樁的豎向極限承載力為52 306 kN，根式基礎的豎向極限承載力為105 425 kN。相較于普通樁，根式基礎的豎向極限承載力提高了約100%。在相同豎向荷載作用下，根式基礎豎向位移相較于普通樁減小了60%左右。可以認為根鍵增加了樁身側壁與土體的基礎面積，從而帶動土體抵抗基礎位移變形，最終提高豎向承載力。

兩種樁型樁身軸力變化如圖3所示。可以發現各加載級數下，樁身軸力是自上而下傳遞的，樁身軸力隨著深度的增加呈逐步減小的趨勢，隨著加載級數的增加，樁身下部的軸力曲線斜率逐漸減小，可以認為增加的荷載逐步由側摩阻力和樁端阻力承擔。在靠近樁頂附近，樁身軸力較大且接近于所施加的外部荷載。由于土層的不同，當荷載較小時，軸力曲線斜率在細砂段明顯增大，此時普通樁樁身軸力受土質影響較大，當荷載較大時，軸力曲線斜率逐漸減小，土質對其軸力影響不明顯。

根式基礎與普通樁相比，樁身軸力在根鍵位置處發生突變，軸力大幅度減小，可以認為其減小的軸力由根鍵承擔。在樁頂及樁底位置其軸力曲線與普通樁相類似，則可以認為根式基礎在根鍵處的軸力變化是由于根鍵與周圍土體的相互作用從而極大的分擔了樁頂荷載，在根鍵作用影響范圍之外，樁身軸力仍按照普通樁的傳遞模式變化，總體仍是隨著深度的增加呈逐步減小的趨勢。

通過觀察沿樁身方向側摩阻力變化，分析普通樁與根式基礎樁身的受力情況，如圖4所示。可以看出，在不同土層中，由于土質的差異，樁側摩阻力也存在差異。在同一土層中，側摩阻力隨荷載的增大而增大，但增大的幅度有所不同。樁身上部的側摩阻力先于樁身下部側摩阻力發揮作用。隨著荷載的增加，樁身上部的側摩阻力比下部側摩阻力較快趨于穩定。

根式基礎在根鍵以上位置樁身側摩阻力的分布情況與普通樁相類似，即隨深度的增加而增加。在根鍵上下一定范圍內側摩阻力明顯增大，且隨著加載級數的增加側摩阻力增大趨勢更加顯著。在根鍵影響范圍以外區域，側摩阻力大幅度減小，而后變化趨勢與普通樁側摩阻力變化趨勢相同。同時，樁身上下部分根鍵處所受到的側摩阻力明顯大于樁身中部所受到的側摩阻力。通過計算得到，普通樁與根式基礎的側摩阻力占總承載力的比例分別為56.29%和78.67%，則端承力占總承載力的比例分別為43.71%和21.33%。可以認為根鍵能夠極大增加樁身側摩阻力，有效抑制樁身豎向變形，從而提高基礎的豎向承載力。同時，根式基礎上下部分根鍵的作用明顯優于中間部分根鍵，在確定根鍵的最優布置方式時，可對其進行優化。

為了進一步分析根鍵在各級荷載下的受力情況，圖5給出細砂段部分根鍵下表面水平受力情況。可以看出，隨著荷載的增大，各排根鍵下表面拉力逐漸增大，壓力逐漸減小，且根鍵兩端的受力變化幅度明顯大于中間。各排根鍵下表面水平受力呈“L”形，即根鍵下表面受拉最大處出現在根鍵與樁身連接處，可以認為在初始階段，根鍵主要受到土體壓力作用，隨著荷載的增加，樁身發生沉降，根鍵周圍土體產生變形，根鍵下部土體為抵抗這種變形會對根鍵產生向上的反力，從而使得根鍵下表面拉力增大，壓力減小，在根鍵與樁身連接處變形最大，則受拉最大。因此在進行根式基礎設計時根鍵部分應重點考慮根鍵與樁身連接處的受力情況。

3 工程概況

某長江大橋建設項目試驗場地較為平緩，地面高程為7.50 m～8.05 m。地層分布為第四系全新統松散填筑土、種植土、砂類土、圓礫土、上更新統圓礫土及強風化泥質砂巖。為給根式基礎設計提供相關設計參數，施工前進行了單樁承載力試驗。

試樁設計直徑d=6.0 m樁身長為39 m，試樁持力層為砂土層。樁身及根鍵混凝土設計強度為C30。

試驗實測Q—s曲線與數值模擬結果對比如圖6所示。當荷載較小時試驗數據與模擬結果吻合較好，極限荷載處開始出現不同，當樁頂荷載較大時，兩曲線的差距增大，但差異不超過35%，且兩條曲線變化趨勢相似，可以反映出根式基礎承載特性。

4 結語

本文通過對根式基礎承載性狀的分析可以得出如下結論：

1)在相同工況下，根式基礎Q—s曲線與普通樁Q—s曲線變化趨勢相似。相較于普通樁而言，根式基礎能夠大幅度減小樁身沉降量。

2)根式基礎樁身軸力在根鍵位置處會發生顯著變化，其數值有明顯的降低，在根鍵上下一定范圍內側摩阻力明顯增大，且隨著加載級數的增加側摩阻力增大趨勢更加顯著。

3)各層根鍵下表面水平受力呈現“L”形，即根鍵下表面受拉最大處出現在根鍵與樁身連接處，沿遠離樁身方向根鍵下表面受拉趨勢逐漸減弱，下表面逐漸開始受壓，壓應力先增大后減小。