靜載試驗(yàn)壓重平臺(tái)反力裝置對(duì)樁承載性能影響研究分析

薛 原

(安徽省地球物理地球化學(xué)勘查技術(shù)院，安徽 合肥 230000)

樁基礎(chǔ)作為一種歷史悠久的基礎(chǔ)形式，具有較高的承載能力和穩(wěn)定性，對(duì)樁基礎(chǔ)的承載性能進(jìn)行監(jiān)測(cè)是確保工程質(zhì)量和安全的重要步驟。工程實(shí)踐證明，基樁靜載荷試驗(yàn)操作直接，結(jié)果可靠，是一種接近于基樁實(shí)際工作條件的試驗(yàn)方法。

1 研究背景及意義

當(dāng)前困擾樁基工程進(jìn)一步發(fā)展的瓶頸是由于巖土工程的不可定性。基樁的極限承載性能是樁基設(shè)計(jì)中的核心，如不進(jìn)行基樁的相關(guān)承載力試驗(yàn)，樁基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)參數(shù)在既難準(zhǔn)確確定，又不可直接利用其他工程參數(shù)的情況下將帶來(lái)風(fēng)險(xiǎn)。目前試樁豎向變形特性及各種靜載試驗(yàn)加載反力裝置對(duì)試樁的影響尚未引起設(shè)計(jì)人員的重視，樁身沉降精度誤差也未進(jìn)行考慮，總體對(duì)基樁的設(shè)計(jì)趨向保守[1]。因此，對(duì)靜載試驗(yàn)中加載反力裝置對(duì)樁承載性能的影響研究具有實(shí)際意義。

2 研究主要內(nèi)容

基樁承載性能的具體判斷主要由試驗(yàn)樁的荷載、樁頂沉降量曲線及時(shí)間對(duì)數(shù)曲線等確定，然而靜載試驗(yàn)中各種不同的加載反力裝置均會(huì)對(duì)基樁的承載性能產(chǎn)生不同程度的影響[2]。例如在采用壓重平臺(tái)反力裝置的靜載試驗(yàn)過(guò)程中，因試驗(yàn)開(kāi)始前，平臺(tái)上部的堆放的荷載已通過(guò)平臺(tái)支墩傳遞給了試樁周?chē)牡鼗辽希试谠囼?yàn)未開(kāi)始時(shí)上部配重荷載已經(jīng)對(duì)堆載平臺(tái)覆蓋的地基土區(qū)域產(chǎn)生了很大的位移場(chǎng)，試樁、基準(zhǔn)樁及樁周土均產(chǎn)生向下的沉降，配重越重，位移沉降就越大。隨著單樁靜載試驗(yàn)的進(jìn)行，千斤頂對(duì)試驗(yàn)樁荷載壓力逐漸增大，堆載平臺(tái)的支墩的受力逐漸減小，試驗(yàn)開(kāi)始前堆載平臺(tái)覆蓋的地基土區(qū)域產(chǎn)生的位移場(chǎng)逐漸恢復(fù)，相當(dāng)于樁周土產(chǎn)生了回彈效應(yīng)，回彈使得基準(zhǔn)樁向上回升，因此在此基礎(chǔ)上取得的樁頂沉降數(shù)據(jù)具有較大不確定性。本文結(jié)合工程實(shí)例利用水準(zhǔn)儀等觀測(cè)儀器，對(duì)試樁頂部及樁周土一定范圍內(nèi)進(jìn)行等距離布置觀測(cè)點(diǎn)(5、10、15 m)，并隨試驗(yàn)加卸載程序同步進(jìn)行沉降監(jiān)測(cè)記錄。最后通過(guò)ABAQUS有限元軟件建立數(shù)值模型，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)和水準(zhǔn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，分析壓重平臺(tái)反力裝置下荷載由平臺(tái)支墩轉(zhuǎn)移至試樁樁頂時(shí)，一定范圍內(nèi)樁頂淺層地表平面變形和樁身沉降變形情況。

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

試驗(yàn)選取安徽桐城某小區(qū)試樁進(jìn)行試驗(yàn)比對(duì)分析，試樁樁號(hào)為S1#。試樁樁型為人工挖孔灌注樁，樁徑900 mm，樁長(zhǎng)14.50 m，砼強(qiáng)度C30，單樁豎向承載力特征值3 550 kN。試驗(yàn)采用快速維持荷載法，試驗(yàn)分級(jí)及數(shù)據(jù)匯總?cè)绫?所示：

表1 單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)數(shù)據(jù)匯總表

4 靜載試驗(yàn)的數(shù)值模擬分析

在巖土工程領(lǐng)域，ABAQUS具有流體滲透、靜態(tài)應(yīng)力應(yīng)變分析、動(dòng)態(tài)分析、流固耦合分析等能力。且具有針對(duì)飽和及非飽和土的流固耦合進(jìn)行分析的能力，它可以用生死單元功能，對(duì)巖土工程上復(fù)雜的邊界條件、多次加載等問(wèn)題進(jìn)行準(zhǔn)確模擬[3]。據(jù)上所述，ABAQUS數(shù)值模擬軟件具有很強(qiáng)的適用性、可靠性，因此，本文選擇它進(jìn)行輔助評(píng)價(jià)基樁靜載試驗(yàn)反力裝置對(duì)樁基承載力性能影響。

4.1 ABAQUS建模

模型尺寸為25 m × 15 m，考慮到模型的對(duì)稱(chēng)性，取1/2區(qū)域進(jìn)行模擬，建立有限元模型。有限元模型中水平X方向共15 m，Y方向25 m。模型左邊界采用Symmetry/Antisymmrtry/Encastre約束水平方向上的位移；模型右邊界采用Displacement/Rotation約束水平方向上的位移。有限元模型網(wǎng)格劃分如圖1所示，土體和樁體單元類(lèi)型鉆用CAPE4，單元形狀選四邊形，網(wǎng)格劃分方式為掃掠，劃分單元約2 812個(gè)，單元節(jié)點(diǎn)約2 926個(gè)，如圖2所示。

圖1 有限元模型

圖2 模型網(wǎng)格劃分

本次數(shù)值模擬采用S1#試樁壓重平臺(tái)反力式裝置，將單樁承載力極限值分為10級(jí)，加載9次。分析步共有10步，其中第一步為地應(yīng)力平衡分析步(Geostatic),其余分析步均為加載分析步。樁土相互作用中接觸面的法向模型選用Normal Behavior模擬；接觸面切向模型選用Tangential Behavior模擬，摩擦形式為Penaly，摩擦系數(shù)為0.466，最大摩擦力為100 kPa。

巖土層共分為5層，分別為雜填土、粉質(zhì)黏土、全風(fēng)化泥質(zhì)砂巖、強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)砂巖和中風(fēng)化泥質(zhì)砂巖。各巖土層參數(shù)如表2所示：

表2 地基巖土層數(shù)值計(jì)算參數(shù)

4.2 數(shù)值模擬沉降分析

為進(jìn)一步論證現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)得到的試樁沉降結(jié)果。本節(jié)對(duì)該試樁進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算分析，所選取的代表性樁所在的地質(zhì)原型皆采用最不利的實(shí)際鉆探地質(zhì)剖面，樁結(jié)構(gòu)參數(shù)采用彈性模量為30 GPa，泊松比為0.2，樁身模擬加載沉降云圖如圖3～圖11所示。

圖3 第一次加載沉降云圖

圖4 第二次加載沉降云圖

圖5 第三次加載沉降云圖

圖6 第四次加載沉降云圖

圖7 第五次加載沉降云圖

圖8 第六次加載沉降云圖

圖9 第七次加載沉降云圖

圖10 第八次加載沉降云圖

圖11 第九次加載沉降云圖

圖12 數(shù)值模擬Q-S曲線圖

圖13 數(shù)值模擬樁頂平面曲線圖

5 結(jié)論

在采用壓重平臺(tái)加載方式的靜載試驗(yàn)中，平臺(tái)配重所產(chǎn)生的附加應(yīng)力和卸載回彈對(duì)樁身沉降量的影響較大，直接在地面架設(shè)基準(zhǔn)梁，安裝位移計(jì)的測(cè)讀方式比樁身實(shí)際沉降量大10%。因此，為進(jìn)一步提高試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，基準(zhǔn)樁的布置應(yīng)充分考慮試樁樁身應(yīng)力產(chǎn)生的基準(zhǔn)樁下沉和壓重平臺(tái)卸載時(shí)基準(zhǔn)樁的回彈二者之間的疊加，使基準(zhǔn)樁變形值的最小的目標(biāo)。此外，在試驗(yàn)開(kāi)始之前可處理試樁周?chē)鷾\層地表的土體強(qiáng)度，盡可能的減小平臺(tái)應(yīng)力轉(zhuǎn)移時(shí)產(chǎn)生的土體回彈誤差。通過(guò)等距離(5、10、15 m)布設(shè)的觀測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)得知上部荷載附加應(yīng)力的影響范圍基本覆蓋于堆載平臺(tái)之內(nèi)。

通過(guò)ABAQUS有限元軟件建立壓重平臺(tái)-試樁模型，從數(shù)值計(jì)算的角度對(duì)試樁樁身沉降位移變化和壓重平臺(tái)荷載由支墩轉(zhuǎn)移至試樁樁頂方面進(jìn)行了分析，同時(shí)將模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比。通過(guò)分析試樁沉降云圖，試樁主要樁頂處受力，隨著上部荷載增加，從樁頂至樁身沉降逐漸增大，樁底受力影響變化較小。數(shù)值模擬計(jì)算的樁頂沉降和現(xiàn)場(chǎng)靜載試驗(yàn)的沉降量相近，且數(shù)值模型計(jì)算反應(yīng)出來(lái)的荷載-沉降(Q-S)曲線(如圖12)所示趨勢(shì)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，均呈線性分布，證明了所建立的數(shù)值模型是可靠的，可在一定精度范圍內(nèi)對(duì)工程設(shè)計(jì)與施工提供參考性的建議。

通過(guò)對(duì)試樁壓重平臺(tái)的布設(shè)進(jìn)行模擬，發(fā)現(xiàn)上部荷載會(huì)對(duì)平臺(tái)范圍內(nèi)樁周土沉降產(chǎn)生較大影響，但隨著加載次數(shù)的增加，樁基承載力的影響較小，壓重反力平臺(tái)的鋪設(shè)會(huì)對(duì)樁身上部周?chē)鷺吨芡廉a(chǎn)生部分?jǐn)D密效果，樁周頂平面處會(huì)有小沉降產(chǎn)生(如圖13)。在與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比后發(fā)現(xiàn)模擬計(jì)算值大于監(jiān)測(cè)值，這是因?yàn)楸敬文M采用的二維來(lái)計(jì)算，缺少三維空間效果。

綜上，靜載試驗(yàn)壓重平臺(tái)反力裝置對(duì)樁承載性能的影響是存在的，因此在今后相關(guān)基樁參數(shù)的設(shè)計(jì)與使用中，應(yīng)盡可能考慮反力裝置帶來(lái)的沉降精度影響。