某超高層建筑擴底嵌巖樁豎向承載特性分析

史學明，呂 淵，丁潛生

(1.安徽理工大學 土木建筑學院，安徽 淮南 232001；2.恒大地產集團安徽公司，安徽 合肥 230061)

0 前 言

大直徑擴底樁具有承載力高、變形小、質量易控制、施工簡單方便等優點，常作為高層建筑、公路橋梁等荷載較大工程中的樁型首選。目前超高層建筑中擴底樁設計承載力較大、樁型尺寸較多、土質變化不均、靜載荷試驗樁數有限且試樁工期較長、耗時費力、經濟效果不理想，因此，建立相同工況下的計算模型，采用有限元數值分析手段對樁基極限承載力進行研究是十分必要的，以期滿足實際工程的需要。

擴底樁豎向承載特性的研究備受專家、學者青睞，黃廣龍等[1]通過靜載荷試驗測試研究了擴底樁和等直徑樁的荷載-沉降特性，發現擴底樁更能發揮持力層的承載潛力，減少樁體沉降效果顯著。蔣建平等[2]通過現場試驗與有限元模擬相結合對擴底樁、楔形樁、直樁等樁基單位體積承載力

進行研究，發現擴底樁擴底直徑、直樁樁徑除特殊情況外，不宜過大。胡慶紅等[3]通過靜載荷試驗研究了擴底灌注樁和普通灌注樁承載特性和傳荷的異同。高廣運等[4]通過三維非線性差分數值模型分析了持力層厚度、樁端入持力層深度和軟弱下臥層對擴底樁豎向承載性狀的影響。包曉紅等[5]對擴底樁和等直徑樁進行靜載荷試驗和模擬，發現同工況下擴底樁極限抗壓承載力為等直徑樁的1.59倍，樁端擴底可提高樁基承載力，具有較好的經濟性。

1 現場靜載荷試驗

選取淮南市某小區6#樓人工挖孔擴底嵌巖樁為研究對象，現場靜載荷51#試樁樁徑d=0.9 m，擴底直徑D=1.4 m，樁長H=10.0 m(等直段長Hi=9.2 m，擴底高度Hh=0.8 m)，樁身選用C35混凝土。由現場地質勘探報告知，場地自上而下主要土層分布為粉質黏土層、強風化巖層、中風化巖層，樁端持力層③-3中風化巖層，試樁周圍土層分布及樁基剖面如圖1，樁周土層參數如表1。現場靜載荷試驗照片如圖2所示，51#試樁加(卸)載荷載-沉降結果見表2。

圖1 土層分布及擴底樁剖面圖

圖2 現場靜載荷試驗圖

表1 各土層主要物理力學性質

表2 現場51#試驗樁荷載-沉降數據

2 豎向受荷樁基承載特性分析

2.1 模型建立

豎向受荷下，人工挖孔擴底嵌巖樁按二維平面軸對稱問題分析，根據試算，地基土的計算范圍豎直方向取樁端向下擴展1倍樁長，水平方向取20倍樁徑；土體選用Mohr-Coulomb模型，土體參數取現場各地層土質物理力學參數；樁體選用Elastic模型，彈性模量取3.15×107kPa，泊松比取0.2，重度為25 kN/m3。

邊界條件設定為土體底部施加水平和垂直兩個方向的位移約束，模型兩側約束水平方向的位移。樁和土均采用四節點雙線性軸對稱四邊形單元(CA4X)單元，模型網格劃分如圖3所示。

圖3 擴底樁數值模型網格劃分

2.2 模型驗證

在樁頂施加-0.015 m豎向位移，進行樁基豎向受荷模擬，作出Q-S曲線并與現場靜載荷試驗結果對比，如圖4所示。

圖4 數值模擬與現場試驗對比曲線

將數值模擬與現場試樁所得的Q-S曲線進行對比分析[6]，結果顯示曲線吻合度較高，因此，本文選取的參數與建立的模型是合理的。

2.3 計算結果分析

對于擴底樁，可取樁頂沉降S=0.04 m或S=0.05D(D為樁端直徑)所對應的荷載值作為單樁抗壓極限承載力[7]。本文結合工程設計與現場施工實際選取樁頂沉降量s=0.02 m對應的承載力進行研究。

在上述模型建立的基礎上，分別研究樁長、樁徑、擴底直徑等對擴底嵌巖樁豎向抗壓承載性能的影響。

2.3.1 樁長對承載力影響分析

在樁徑d=0.9 m，擴底直徑D=1.4 m，擴底高度Hh=0.8 m，樁長H=8、10、12、14、16、18 m等6種工況下，分析樁長對擴底嵌巖樁豎向抗壓承載性能的影響。樁長變化時，各樁基樁頂沉降量隨荷載變化的Q-s曲線見圖5。

圖5 不同樁長時各樁Q-s變化曲線

樁頂沉降s=0.02 m時各樁基對應的豎向抗壓承載力如圖6所示。

圖6 不同樁長樁基豎向抗壓承載力曲線

從圖6中可知：樁長分別為8、10、12、14、16、18 m時，豎向抗壓承載力分別為17 048.4、18 285.1、20 722.4、23 055.0、24 999.0、26 420.2 kN，分別較前一樁長承載力提高7.25%、13.33%、11.26%、8.43%、5.69%。樁長為10～14 m時，樁基豎向抗壓承載力增幅較大，當樁長超過14 m時，樁基豎向抗壓承載力增幅明顯變緩。由此可知，樁長為10～14 m時，樁基豎向抗壓承載力發揮效應最大。樁長過長時，可能會影響樁基屈曲穩定和結構強度，因此，一味地通過提高樁長來提高樁基豎向抗壓承載力是不經濟的。

2.3.2 樁徑對承載力影響分析

在擴底直徑D=1.4 m，擴底高度Hh=0.8 m，樁徑d=0.5、0.7、0.9、1.1 m時，分析樁徑對擴底嵌巖樁豎向抗壓承載性能的影響。樁徑改變時，各樁基樁頂沉降量s=0.02 m時對應的樁基豎向抗壓承載力變化曲線如圖7所示。

從圖7中可知：樁徑越大，同一樁長下的樁基豎向抗壓承載力越大，隨著樁長增大，樁徑對樁基抗壓承載力的影響越明顯且逐漸呈線性增長。因而，在樁長較長時，通過增加樁徑來提高樁基豎向抗壓承載力較樁長較短時更為經濟、有效。

圖7 不同樁徑樁基豎向抗壓承載力曲線

2.3.3 擴底直徑對承載力影響分析

樁徑d=0.9 m，擴底高度Hh=0.8，擴底直徑D=0.9 m(等直樁)、1.3 m、1.4 m、1.5 m、1.6 m、1.7 m，即擴底端側面斜率α=0、0.25、0.3125、0.375、0.4375、0.5時，分析擴底直徑對擴底嵌巖樁豎向抗壓承載性能的影響。擴底直徑改變時，各樁基樁頂沉降量s=0.02 m對應的樁基豎向抗壓承載力變化曲線如圖8所示。

圖8 不同擴底直徑樁基豎向抗壓承載力曲線

從圖8中可知：樁長H=8 m，擴底直徑D=0.9(等直樁)、1.3、1.4、1.5、1.6、1.7 m時，各樁承載力分別為12 608.5、15 955.9、17 048.4、18 169.5、19 199.1、20 242.4 kN，分別較同長等直樁承載力提高26.55%、35.21%、44.11%、52.27%、60.55%；樁長H=18 m，擴底直徑D=0.9(等直樁)、1.3、1.4、1.5、1.6、1.7 m時，各樁承載力分別為25 519.6、26 239.3、26 420.4、26 589.0、26 719.4、26 790.9 kN，分別較同長等直樁承載力提高2.82%、3.53%、4.19%、4.70%、4.98%。

擴底端側面斜率α在0.25～0.5變化時，隨擴底直徑的增大，樁基抗壓承載力呈線性增長。但樁長較大時，擴底直徑對樁基抗壓承載力的影響逐漸變小。因而，在樁長較長時，過分地通過增加擴底直徑來提高樁基抗壓承載力是不經濟的。

3 結 論

通過現場靜載荷試驗及數值模擬計算與分析，可以得出結論如下。

1)運用ABAQUS有限元軟件對淮南市某小區超高層建筑人工挖孔擴底嵌巖樁基進行數值模擬分析，將模擬結果與現場靜載荷試驗所得結果對比分析，佐證了文中參數選取和模型建立較為合理、可行。

2)大直徑擴底嵌巖樁的豎向抗壓承載力隨著樁長的增加而顯著提高。在樁長為10～14 m時，樁基豎向抗壓承載力增幅尤為顯著，當樁長大于14 m時，樁基豎向抗壓承載力增幅逐漸變緩。

3)增大樁徑有利于樁基豎向抗壓承載力的提高。樁長較大時，樁徑增大對樁基抗壓承載力的提高效果更為明顯。在樁長較長時，通過增加樁徑來提高樁基豎向抗壓承載力較樁長較短時更為經濟、有效。

4)增大嵌巖樁擴底直徑有利于提高樁基豎向抗壓承載力，但樁長較長時，樁身所承擔的荷載增大，傳到樁端的荷載隨之減小，擴底直徑的增大對提高樁基豎向抗壓承載力的作用變緩。因此，在樁長較長的情況下，過分增大擴底直徑來提高樁基豎向承載力是不經濟的。

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