剛性釘形樁承載特性物理模型試驗及有限元研究

劉明泉，高 嶺，李曉芝

(1.唐山學院 土木工程學院，河北 唐山 063000；2.河北省建筑工程與尾礦綜合利用重點實驗室，河北 唐山 063000；3.河北省交通規劃設計院，石家莊 050000)

0 引言

釘形樁是一種變截面樁，在樁頂一定高度范圍內有擴大頭，常以復合地基的形式用于對軟土地基的加固處理[1-2]。普通釘形樁由水泥土攪拌樁結合雙向攪拌工藝改進而成，解決了普通攪拌樁質量差、有效處理深度淺、樁土共同作用難以協調等缺點，在市政道路、公路和鐵路路基工程中取得了良好的加固效果[3-5]。普通釘形樁屬于柔性樁，隨著對釘形樁復合地基研究的深入，人們發現：擴大頭部分和樁身部分常常由于強度不足而出現剪切破壞和受壓鼓脹破壞，在鐵路和高填方路基下還有可能發生復合地基整體剪切破壞，這給釘形樁應用范圍帶來了一定制約；此外，柔性樁還面臨著有效樁長的問題[6]，這對釘形樁處理深度形成了限制。混凝土樁屬于剛性樁，其樁身強度和剛度很大，抗剪和抗壓性能良好，而且不存在有效樁長的困擾。變截面鉆孔灌注樁技術的出現和發展[7-10]，使剛性混凝土釘形樁成為可能。剛性釘形樁可以克服現有柔性釘形樁強度低、處理深度受限的缺點，具有更好的應用前景。但目前對剛性釘形樁承載特性還沒有明確的認識，尚需進一步加以研究。

本文針對剛性釘形樁承載特性，采用物理模型試驗和有限元模擬相結合的方法，研究擴大頭尺寸對釘形樁承載性能的影響規律。

1 物理模型試驗

1.1 試驗材料和設備

物理模型試驗用釘形樁的外形如圖1所示。

各試驗樁總樁長L統一為600 mm，根據擴大頭尺寸，共設計了7種不同尺寸的釘形樁和1種普通樁(無擴大頭)，具體尺寸如表1所示。

(a)外形示意圖

表1 模型尺寸 mm

模型試驗在模型箱內進行。模型箱采用角鋼焊接制作，箱內填土采用砂土分層填筑，兩側為透明亞克力板，以便控制填土高度，如圖2所示。加載設備采用自制反力架，如圖3所示，荷載測量設備采用數顯壓力傳感器。

圖2 模型箱

圖3 反力架

1.2 試驗方案

在試驗前根據箱體尺寸和試驗樁尺寸布置試驗點，如圖4所示。

(a)平面設計圖

試驗時，先進行普通樁和土體靜載荷試驗，然后進行釘形樁靜載荷試驗。加載時，采用慢速維持荷載法分級加載，每級荷載為最大試驗荷載值的1/10。普通樁的最大試驗荷載由壓入樁身時壓力傳感器測量得到的最大荷載近似估算；釘形樁的最大試驗荷載由先前已經完成的土體極限荷載和普通樁極限荷載之和近似確定。每次加載后記錄加載板沉降量一次，每一級加載之后，按第5 min，15 min，30 min，45 min，60 min測讀樁頂沉降量及相應的荷載，以后每隔30 min測讀一次。終止試驗的條件符合相關規范[11]中對靜載荷試驗的要求。

1.3 試驗結果

模型試驗結束后，對試驗數據進行分析和整理，繪制荷載-沉降關系曲線，如圖5所示。

圖5 試驗荷載-沉降關系曲線

由圖5可以發現，擴大頭對釘形樁承載特性有較大影響。首先，從曲線變化形態上看，普通樁荷載-沉降關系曲線呈陡降形，存在明顯拐點；而隨著擴大頭直徑和高度的增加，釘形樁的荷載-沉降關系曲線逐漸呈緩變形，無明顯拐點。其次，由于存在擴大頭，釘形樁承載力比普通樁大，曲線位于普通樁的右側。釘形樁承載力與擴大頭直徑和高度有關，當擴大頭高度不變時，直徑越大樁承載力越大；當擴大頭直徑不變時，高度越大樁承載力越大。再次，擴大頭直徑越大，頭下與土體接觸的面積越大，由頭下土體提供的端阻力越大；擴大頭高度越大，與樁周圍土體接觸的面積越大，由樁周圍土體提供的側摩阻力越大。可見，釘形樁的端阻力和側摩阻力對其承載力有著重要的影響。

2 有限元模擬

為研究剛性釘形樁端阻力和側摩阻力與普通釘形樁的差異以及對承載力產生的影響，采用有限元方法進行模擬研究。

2.1 數值模型

采用ABAQUS有限元軟件，建立數值分析模型。模型中，剛性釘形樁和普通樁為混凝土材料，采用線彈性模型模擬。樁周圍土體均采用基于Mohr-Coulomb屈服準則的彈塑性本構模型模擬。樁尺寸設定與物理模型試驗相同，分析單元采用CAX4平面軸對稱單元[12-13]。模擬中選用的參數如表2所示，基本分析模型如圖6所示。荷載采用位移控制法施加于釘形樁頂面，分8級加載，每級豎向位移增量為5 mm，總沉降為40 mm。

圖6 基本有限元分析模型

表2 模擬時選用的參數

2.2 模擬結果

模擬結束后，繪制荷載-沉降關系曲線，如圖7所示。

圖7顯示，模擬得到的剛性釘形樁荷載-沉降關系曲線與模型試驗得到的曲線在形狀和變化規律上一致：隨著擴大頭直徑和高度的增加，釘形樁的荷載-沉降關系曲線逐漸呈緩變形，擴大頭直徑和高度越大，樁的承載力越大。通過對比圖5和圖7可以發現，擴大頭直徑變化對樁承載力影響較大，當擴大頭直徑D由60 mm增大到100 mm時，樁極限荷載由1 538 N增大到2 921 N，承載力增加幅度較大。擴大頭高度變化對樁承載力影響較小，當擴大頭高度H由100 mm增大到200 mm時，樁極限荷載由2 921 N增大到3 140 N，增加幅度較小。由此判斷，剛性釘形樁承載力受端阻力影響較大。

圖7 模擬荷載-沉降關系曲線

剛性釘形樁承載力特征值如表3所示。

表3 剛性釘形樁承載力特征值

表3顯示，模擬和試驗的結果非常接近，誤差較小。考慮到物理模型試驗中分層土體參數的差異以及樁承受偏心作用的概率較大，認為有限元模擬結果更可靠，可作為承載力理論計算結果的檢驗依據。

根據釘形樁承載特點[4]，其承載力由擴大頭部分提供的承載力和普通樁身部分提供的承載力組成，即：

Ra=Rt+Rs。

其中，Ra為釘形樁承載力特征值；Rt為擴大頭部分提供的承載力；Rs為普通樁身部分提供的承載力。Rt和Rs可由各自端阻和側摩阻經理論計算得到，具體計算方法詳見文獻[11]。

據此，對剛性釘形樁承載力進行理論計算，理論計算結果和模擬結果的比較詳見表4。

表4表明，剛性釘形樁端阻力在總承載力中的比例大于側摩阻力所占比例，端阻力對承載力影響較大，理論計算結果與模型試驗和數值模擬結果相一致。此外還發現，理論計算結果總體上大于試驗和模擬結果，隨著擴大頭直徑增加，理論計算結果與模擬結果之間的差異逐漸增大。造成這種現象的原因可能是由于擴大頭對樁側摩阻分布和端阻分布形成的影響所致。因此，在通過理論公式計算剛性釘形樁承載力時，需要對理論計算結果進行適當折減，以保證設計安全。

表4 剛性釘形樁承載力特征值理論計算和模擬結果對比

3 結論

本文通過物理模型試驗和有限元模擬，從承載力影響因素方面入手，對剛性釘形樁承載特性進行了研究，主要研究結論如下。

(1)擴大頭能提高釘形樁承載力，剛性釘形樁的承載力大于同條件下的普通樁。剛性釘形樁承載力與擴大頭直徑和高度有關，擴大頭高度越大、直徑越大，樁承載力越大。

(2)釘形樁的端阻力和側摩阻力對其承載力有著重要的影響。釘形樁承載力受端阻力的影響較大，隨擴大頭直徑的增加承載力提高明顯。釘形樁承載力受側摩阻力影響較小，隨擴大頭高度的增加承載力提高的幅度不大。

(3)釘形樁理論計算結果總體上大于試驗和模擬結果，隨著擴大頭直徑增加，理論計算結果與模擬結果之間的差異逐漸增大，因此，在進行理論計算時要適當考慮對承載力進行折減。