大噸位根式基礎豎向承載性能研究

殷永高，蔣勁松，任偉新

（合肥工業大學土木與水利工程學院，安徽 合肥 230009）

0 前言

隨著我國交通運輸業的快速發展，大跨徑橋梁的建設也越來越多，很多處于江河漫灘厚覆蓋層地區，持力層埋置較深，大多采用樁基礎、擴大基礎、沉井基礎、沉箱基礎等。雖然這些基礎在承受橋梁荷載方面發揮重要作用，但都未充分發揮基礎與土體的共同作用，工程材料效能比較低。為此,殷永高等學者針對厚覆蓋層工程地質條件提出了一種全新的基礎形式——根式基礎[1]。通過基礎側壁的根鍵帶動周邊大范圍土體承擔基礎頂部荷載使其承載力得以提高,從而減小基礎長度,降低工程造價和施工難度。

自2005年根式基礎概念提出后，眾學者在淮河特大橋、馬鞍山長江大橋和望東長江公路大橋等工程中針對根式基礎的荷載、變形及群樁效應等進行了試驗與應用研究：龔維明等[2][3]先結合根式基礎在淮河特大橋中的實際應用，進行了現場豎向承載性能的試驗研究；后又依托馬鞍山長江大橋，通過三次現場水平靜載試驗，測試帶承臺的根式沉井群體系的水平承載力和位移，初步分析研究了根式基礎群井效率系數。張立奎等[4]在馬鞍山長江大橋工程中進行了根式基礎水平向承載性能的原位試驗研究。在理論方面，胡豐等[5]聯合運用荷載傳遞法及Winkler地基梁理論，推導了含受彎根鍵的根式沉井在彈性范圍內承載性能的力學解答。木林隆等[6]利用彈塑性有限元法分別對無根鍵和有根鍵沉井基礎進行水平加載數值模擬，分析了根式基礎的受力特性，對根鍵上的彎矩分布形式進行了研究，并探討了根鍵沿深度位置分布對根式基礎承載力的影響。

為了能夠更好地推廣與應用這一種創新型的基礎形式，文章依托池州秋浦河大橋南主塔大噸位根式基礎自平衡承載性能試驗結果，采用FLAC3D有限差分法數值模擬計算方法，研究大噸位根式基礎的承載性能，為根式基礎的設計提供參考。

1 現場試驗

1.1 工程概況

池州長江公路大橋項目秋浦河大橋為懸索橋，起點位于萬寶圩，路線向南延伸至秋浦河北岸，大橋跨越秋浦河后止于南岸山坡，全長約1215m，其中主塔基礎采用大噸位根式基礎，全橋共20根。根據南京東大自平衡樁基檢測有限公司的現場原位試驗報告，原位試驗選取南主塔26#墩下中心3-10#樁進行自平衡法靜載試驗。3-10#樁采用2.5m外徑鉆孔灌注根式樁，樁底標高為-36.00m，樁頂標高為+5.00m。樁周共分布9層根鍵，根鍵每層均布4根，呈梅花型布置。根鍵采用矩形斷面，斷面長寬均為0.3m，總長度為0.9m，井壁外0.6m。根鍵設置標高范圍為-12.40m～-2.00m，豎向間距1.3m。由試驗場地鉆孔揭示，根鍵主要分布在粉土、圓礫土土層內。如圖1所示。

1.2 試驗結果

圖1 根式基礎及柱狀土體示意圖

通過自平衡法獲得的Q-s曲線共兩條，其中向上的曲線是荷載箱頂板上位移，向下的曲線是荷載箱底板下位移，這和傳統的靜載試驗獲得的Q-s曲線是不同的。根據相關文獻[7]及行業標準《基樁靜載試驗自平衡法》（JT-T 738-2009），可以將自平衡法Q-s曲線等效轉換為傳統靜載方法的Q-s曲線，如圖2所示。此時自平衡測試數據的等效轉換曲線為緩變型，大噸位根式基礎的豎向位移隨荷載增大而增大。在施加荷載等效為55004kN時，根式基礎最大豎向位移為-25.36mm。

圖2 自平衡試驗荷載-位移曲線

2 根式基礎數值模擬

圖3 數值模擬模型示意圖

2.1 模型建立

雖然通過自平衡法進行了根式基礎的現場試驗并進行了相應分析，但仍有不足。一方面，自平衡測試方法與實際情況下根式基礎的承載方式不同，實際情況下根式基礎是在頂部承受豎向荷載，所以基礎的受力分布與自平衡試驗有所區別。另一方面，此次現場試驗只針對已經施工完成的根式基礎，無法與傳統的樁基承載性能進行對比。因此，為了更深入地了解大噸位根式基礎的受力特性，本文在現場試驗數據的基礎上采用數值模擬計算對其進行了進一步的研究分析，使用有限差分軟件Flac3D計算分析根式基礎的豎向承載特性。

土體參數表 表1

本次數值模擬擬計算兩種基礎的承載能力，一種是有根鍵的根式基礎，另一種是傳統的樁基礎。傳統樁基礎作為對比，除了沒有根鍵，其余參數均與根式基礎相同。基礎單元和周圍土體單元均采用三維實體單元，土體模型的建立遵循圣維南原理，選取樁體周圍一定范圍土體為數值模擬研究對象[8]。本次根式基礎入土樁長為41m，樁徑為2.5m，故取周圍土體范圍為70m×70m×65m，如圖3所示。

2.2 邊界條件

模型中土體底面邊界為固定約束，左、右、前、后側邊界為法向約束，表面為自由邊界。

2.3 本構模型與計算參數

根據實際情況，根式基礎(包括根鍵)為線彈性材料，采用Elastic(彈性)模型模擬?；A周圍土體為彈塑性材料，本構模型采用Mohr-Coulomb彈塑性模型。使用程序自帶的無厚度接觸面單元模型模擬基礎與土體交界面的接觸、相對滑動及脫離。

根據地勘報告及查找文獻選取的各層土體物理力學性能參數及計算模型所需的參數指標如表1所示。

通過在基礎側表面與土層之間設置接觸面來模擬側摩阻力。接觸面模型的φ值取相鄰土層的0.5倍，c值可取樁相鄰土層的0.6倍[9]。接觸面參數見表2。

接觸面參數表 表2

2.4 計算結果

通過Flac3D軟件的計算，可以得出荷載作用下的根式基礎豎向位移云圖，如圖4所示為55000kN荷載作用下的根式基礎豎向位移云圖。此時在55000kN荷載作用下，根式基礎最大豎向位移為-26.927mm，位于基礎頂部，此處土體豎直位移最大。隨著距離的增加，基礎周圍土體的豎直位移逐步減少，與理論規律相符。

圖4 55000kN荷載作用下根式基礎豎向位移云

3 研究與討論

3.1 試驗與數值模擬荷載位移曲線對比

根據各級荷載作用下的根式基礎豎向位移云圖可以得出根式基礎豎向荷載作用下Q-S(豎向荷載-位移)曲線，如圖5所示。

圖5 現場試驗與數值模擬Q-S曲線對比圖

從以上結果可以看出數值模擬計算結果與試驗結果數值接近，曲線走勢基本一致，在自平衡試驗中，當荷載為55004kN時，樁體最大豎直位移為-25.36mm，在數值模擬中，當荷載為55000kN時，樁體最大豎直位移為-26.927mm，兩者基本一致。由于本次的檢驗性測試，在達到基礎理論極限承載力之后，自平衡試驗就停止了加載。在數值模擬時，本文又進行了60000kN的計算，此時基礎的最大位移為-33.81mm，說明在60000kN的荷載作用下，根式基礎樁體還有一定的承載空余。

3.2 根式基礎與傳統樁基礎豎向承載對比分析

本文通過大噸位根式基礎自平衡試驗與數值模擬計算的對比，驗證了數值模擬模型的合理性。在此基礎上，采用數值模擬方法對無根鍵的傳統樁基礎在相同參數條件下的承載能力進行計算，并與根式基礎數值模擬結果進行對比分析，從而對根式基礎的承載性能做出更為全面的探討。

如圖6所示為根式基礎與無根鍵傳統樁基礎的荷載—位移曲線對比圖。

圖6 根式基礎與傳統樁基礎Q-S曲線對比圖

可以看出，在本次模擬中根式基礎與傳統樁基礎的荷載位移曲線走勢一致。但在整個加載過程中，同一荷載作用下的根式基礎的模擬位移值都比傳統樁基礎模擬值小，這是由于根鍵分擔了部分豎向荷載，使得根式基基礎的承載能力較傳統樁基礎有一定程度的提高。在55000kN荷載作用下根式基礎的最大豎直位移為-26.93mm，相比較而言，傳統樁基礎的最大豎直位移為-36.05mm。這說明根鍵對于提高根式基礎的承載能力有著明顯的作用。

通過Flac3D數值模擬軟件內置的Fish語言程序對基礎的軸力進行提取，如圖7所示為55000kN時，根式基礎與傳統樁基礎的樁身軸力分布對比圖。

從圖中可以看出根式基礎和傳統樁基礎的樁身軸力分布曲線走勢大致相同，但在相同的樁體入土深度范圍內，根式基礎的軸力明顯小于傳統樁基礎的軸力，只是由于根鍵的作用，使得樁——土間相互作用得以更加充分的發揮。此時，根式基礎的底部的端阻力為20561kN，而傳統樁基礎的端阻力為25117kN，說明由于根鍵的作用，使得根式基礎的樁側多承擔了4556kN的荷載，占總體荷載的8.3%，明顯的提高了基礎的承載能力。

4 結論

由大噸位根式基礎自平衡試驗得出，大噸位根式基礎的荷載——位移曲線為緩變型，其豎向承載力隨著豎向位移的增大而增大。

圖7 55000kN時根式基礎與傳統樁基礎樁身軸力曲線

根據自平衡試驗與數值模擬的對比，一方面可以看出數值模擬計算結果與試驗結果數值接近，且曲線走勢基本一致，從而驗證了數值模擬模型的合理性。另一方面，通過數值模擬進行了60000kN的加載計算，進行了補充分析。結果表明，在60000kN的加載計算中，根式基礎的最大位移為-33.81mm，說明在60000kN的荷載作用下，根式基礎樁體還有一定的承載空余。

通過根式基礎與傳統樁基礎的數值模擬對比分析，根式基礎的承載能力明顯大于傳統樁基礎。在55000kN的荷載作用下，根式基礎最大豎向位移為26.93mm，傳統樁基礎的豎向位移為36.05mm。說明在相同豎向荷載作用下，傳統樁基礎的豎向位移明顯增大。通過對兩者的軸力分布曲線的對比探討，得出根式基礎的根鍵承載力為4556kN，約占總荷載的8.3%，明顯提高了樁體的豎向承載能力。