全取代再生混凝土人工挖孔樁豎向承載特性數(shù)值模擬研究

石振慶 李孝雄 傅林森

（滁州學(xué)院土木與建筑工程學(xué)院 安徽滁州 239000）

混凝土的抗壓強(qiáng)度是混凝土力學(xué)性質(zhì)中最基本的指標(biāo)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)再生混凝土抗壓強(qiáng)度方面開(kāi)展了較多研究。在相同配比下再生混凝土的抗壓強(qiáng)度比普通混凝土的抗壓強(qiáng)度提高了2%～20%[1]，但抗壓強(qiáng)度的提高受水灰比影響，當(dāng)水灰比較低時(shí)，再生混凝土強(qiáng)度低于普通混凝土，水灰比高時(shí)，得出了相反的結(jié)論[2]。當(dāng)粗骨料的取代率為50%時(shí)，再生混凝土構(gòu)件的抗疲勞性能高于普通混凝土[3]，且GAndreu利用取代率為100%再生骨料配置了強(qiáng)度超過(guò)60MPa的再生混凝土[4]。再生混凝土的抗壓強(qiáng)度結(jié)論差異性較大，對(duì)于再生混凝土的抗壓強(qiáng)度是否大于普通混凝土褒貶不一，其主要原因是由于再生混凝土中粗骨料離散性較大，不同的廢棄混凝土原強(qiáng)度不一致。

隨著超高層建筑的大規(guī)模建設(shè)，對(duì)基礎(chǔ)的承載特性的要求也不斷提升，由于樁基礎(chǔ)可達(dá)到較高的承載力，沉降小，此外還含有良好的穩(wěn)定性，故而在工程領(lǐng)域獲得較為廣泛的多方位應(yīng)用[5-7]。學(xué)者邢皓楓[8]曾經(jīng)借助于某特定數(shù)值模擬軟件，針對(duì)存在于復(fù)雜地質(zhì)條件下的人工挖孔樁所表現(xiàn)的受力特征，展開(kāi)一系列深入分析，由此得知樁附近土層提供的摩阻力，往往與荷載值等參數(shù)息息相關(guān)，而若某樁長(zhǎng)度較大，則此時(shí)需要對(duì)其上覆土含有的側(cè)摩阻力進(jìn)行綜合考量。學(xué)者Vesic[9]曾經(jīng)提出：若樁身和土體彼此間呈現(xiàn)的相對(duì)位移量保持恒定，則必將有助于樁身產(chǎn)生較高的摩擦力，并承擔(dān)源自上部的荷載。學(xué)者Rowe[10]等基于彈性理論，研究出適合在無(wú)沉渣條件下計(jì)算嵌巖樁所含承載力的科學(xué)方法，能獲得完全滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的沉降量值，然而，此類方法可能會(huì)受到來(lái)源于實(shí)際因素的種種局限。學(xué)者Williams[11]等針對(duì)樁身與樁端摩擦力彼此間呈現(xiàn)的關(guān)系曲線進(jìn)行研究，并由此提出創(chuàng)新性的荷載設(shè)計(jì)方案。數(shù)值模擬計(jì)算全取代混凝土樁基礎(chǔ)的豎向承載特性，能更加全面的考慮各因素對(duì)樁基礎(chǔ)承載力的影響程度。本文借助試驗(yàn)手段研究全取代再生混凝土的力學(xué)性能，并結(jié)合混凝土人工挖孔樁現(xiàn)場(chǎng)靜載試驗(yàn)修正數(shù)值模擬的結(jié)果，基于上述研究成果，通過(guò)數(shù)值模擬系統(tǒng)探索全取代再生混凝土人工挖孔樁的豎向承載特性。

一、全取代混凝土抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

試驗(yàn)中采用的粗骨料來(lái)自于城市改造中的廢棄混凝土，經(jīng)過(guò)破碎、剔分和去除雜質(zhì)等工序，最后使骨料粒徑小于40mm，并設(shè)置一組對(duì)比試驗(yàn)，具體配比見(jiàn)表1所示。

表1 試驗(yàn)配合比

經(jīng)過(guò)攪拌、澆筑、標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)等一系列操作后，依據(jù)《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法》（GB/T50081-2016）及《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T50082-2009）開(kāi)展立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)與彈性模量試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2所示。

表2 混凝土抗壓強(qiáng)度及彈性模量

由表2可知，當(dāng)混凝土中石子全部由再生混凝土替代時(shí)，混凝土強(qiáng)度及彈性模量均有所下降，但變化較小。其主要原因是再生骨料孔隙率較高，在承受軸向應(yīng)力時(shí)容易形成應(yīng)力集中現(xiàn)象，且再生骨料與新舊砂漿之間的過(guò)渡區(qū)結(jié)合力較小。

二、試驗(yàn)樁

為了分析數(shù)值計(jì)算模型與計(jì)算參數(shù)的合理性，選取滁州市某地區(qū)人工挖孔樁的靜載試驗(yàn)成果對(duì)上述數(shù)值計(jì)算模型與計(jì)算參數(shù)進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。

（一）工程及地質(zhì)概況。工程樁樁長(zhǎng)20m，樁徑1.0m，樁身材料為C35混凝土。其工程地質(zhì)情況見(jiàn)表3。

表3 工程地質(zhì)情況

粘土粘土含砂粘土強(qiáng)風(fēng)化砂巖22.7 27.7 22.1/19.7 19.1 19.8/0.681 0.801 0.660/116.2 67.1 100.5/21.9 17.2 25.1/10.8 7.8 11.6 5.26 7.96 7.07 9.02

（二）模型建立與計(jì)算參數(shù)。建立模型樁長(zhǎng)20m，樁徑1.0m的樁基，與實(shí)際工程吻合。土層共分5層，土層參數(shù)及厚度與實(shí)際情況一致。

（三）p-s曲線計(jì)算結(jié)果對(duì)比。數(shù)值模型計(jì)算出的P-S曲線與樁基靜載試驗(yàn)P-S曲線對(duì)比如圖1所示。

圖1 數(shù)值模擬與靜載試驗(yàn)P-S曲線對(duì)比

從圖1可以看出：采用上述數(shù)值計(jì)算模型對(duì)滁州地區(qū)全取代混凝土人工挖孔樁進(jìn)行模擬，得到的樁基P-S曲線與樁基靜載試驗(yàn)得到的P-S曲線形態(tài)相似，吻合度好，能夠反映樁基礎(chǔ)在豎向荷載作用下的承載特性，因此，采用有限元軟件對(duì)樁基礎(chǔ)承載特性進(jìn)行研究是可行的。

三、有限元分析

（一）幾何模型建立。在挖孔樁工程設(shè)計(jì)研究中，運(yùn)用邁達(dá)斯軟件，采取位移法的有限元程序，建立三維模型。樁四周及其底端與土體都發(fā)生作用，為半無(wú)限空間體，采用三維空間模型對(duì)樁底的豎向承載特性分析，并對(duì)樁側(cè)土體通過(guò)線形梯度進(jìn)行單元?jiǎng)澐郑瑤r土體采用摩爾-庫(kù)倫本構(gòu)模型，樁體采用彈性本構(gòu)模型。模型剖面圖如圖2所示，假定計(jì)算模型為無(wú)限半空間體，并在模型四周土體及其底部施加X(jué)、Y、Z方向上的邊界約束，對(duì)樁頂施加分級(jí)荷載，如圖3。加載過(guò)程中的軸力及側(cè)摩阻力云圖如圖4、圖5所示。

圖2 樁基有限元模型

圖3 模型邊界條件

圖4 軸力云圖

圖5 側(cè)摩阻力云圖

（二）方案分析。為研究在不同樁長(zhǎng)、不同樁徑下樁基承載力的變化規(guī)律以及樁側(cè)阻力與樁端阻力的變化規(guī)律，本數(shù)值模擬中分析方案如下：1.設(shè)定樁徑為1m，同時(shí)將樁長(zhǎng)逐一設(shè)定為16m、17m和18m，并在樁頂施加強(qiáng)制位移0.04m，分級(jí)加載10次。2.設(shè)定樁長(zhǎng)為16m，同時(shí)將樁徑設(shè)定為1m、1.2m、1.5m，在樁頂施加強(qiáng)制位移0.04m，分級(jí)加載10次。

（三）結(jié)果分析。

1.樁長(zhǎng)對(duì)樁基豎向承載特性的影響分析。數(shù)值模擬中，隨著施工推進(jìn)，樁長(zhǎng)改變時(shí)的樁基P-S曲線變化如圖6所示（軸力負(fù)值表示方向向下，下同）。

圖6 樁長(zhǎng)改變的樁基P-S曲線

（1）P-S曲線規(guī)律分析（見(jiàn)圖6）。

由圖6可見(jiàn)：隨著荷載增加，樁基P-S曲線趨于平緩，無(wú)顯著破壞特征點(diǎn)。在同一位移時(shí)，樁長(zhǎng)越長(zhǎng)豎向荷載越大。此外P-S曲線平緩的位置不同。

（2）樁豎向承載力變化規(guī)律分析。根據(jù)《建筑樁基檢測(cè)技術(shù)規(guī)范》判定基礎(chǔ)極限承載力。結(jié)合樁基P-S曲線圖分析得出樁徑1m樁長(zhǎng)16m、17m、18m分別對(duì)應(yīng)的承載力，如表4。因此，樁長(zhǎng)對(duì)全取代再生混凝土人工挖孔樁的承載特性影響較大，樁長(zhǎng)越長(zhǎng)樁的承載能力越大。

表4 樁長(zhǎng)改變下樁的極限承載力

（3）樁側(cè)阻力與樁端阻力變化規(guī)律分析。繪制樁側(cè)樁端阻力柱狀圖，可以看出極限條件下，頂端位移控制量為40mm時(shí)，樁長(zhǎng)越深側(cè)阻力和樁端阻力也會(huì)越大。但樁側(cè)阻力占總阻力比樁端阻力多。如圖7所示。

圖7 樁側(cè)樁端阻力柱狀圖

根據(jù)圖7可以得出，當(dāng)樁長(zhǎng)為16m時(shí)，樁側(cè)阻力849.68kN約占總阻力65.9%，樁端阻力約占34.1%。樁長(zhǎng)17m時(shí)，樁側(cè)阻力867.83kN約占總阻力64.2%，樁端阻力約占35.8%，樁長(zhǎng)18m時(shí)，樁側(cè)阻力1053.23kN約占總阻力63.9%，樁端阻力約占36.1%。

分析得出：當(dāng)逐步提高樁頂荷載，樁側(cè)阻力將顯著攀升，而樁端阻力無(wú)顯著作用，僅緩慢增長(zhǎng)。不僅如此，當(dāng)樁長(zhǎng)越長(zhǎng)時(shí)，其可達(dá)到的極限承載力也隨之增長(zhǎng)，而如果頂端荷載保持一致，則兩種阻力均會(huì)由于嵌入深度的提高而隨之增長(zhǎng)。

2.樁徑對(duì)樁基豎向承載特性的影響分析。數(shù)值模擬中，隨著施工推進(jìn)，樁徑改變時(shí)的樁基P-S曲線見(jiàn)圖8。

圖8 樁徑改變的樁基P-S曲線

（1）P-S曲線規(guī)律分析。由圖8可見(jiàn)：隨著樁徑增加，樁基P-S曲線趨于平緩，無(wú)顯著破壞特征點(diǎn)。在同一位移時(shí)，樁徑越大豎向荷載越大。

（2）樁豎向承載力變化規(guī)律分析。根據(jù)《建筑樁基檢測(cè)技術(shù)規(guī)范》判定基礎(chǔ)的極限承載力。結(jié)合樁基P-S曲線圖分析得出樁長(zhǎng)16m樁徑1.0m、1.2m、1.5m，分別對(duì)應(yīng)的承載力為1082.38、1161.6、1289.12kN，如表5。因此，樁徑對(duì)全取代再生混凝土人工挖孔樁的承載特性影響較大，樁徑越大樁的承載能力越大。

表5 樁徑改變下樁的極限承載力

（3）樁側(cè)阻力與樁端阻力變化規(guī)律分析。極限條件下，頂端位移控制量為40mm時(shí)，樁徑越大樁側(cè)阻力和樁端阻力也會(huì)越大。但樁側(cè)阻力占總阻力比樁端阻力多，如圖9。

基于圖9將能得知，當(dāng)樁徑為1.0m時(shí)，樁側(cè)阻力642.94kN，約占總阻力59.4%，樁端阻力約占40.6%。樁徑1.2m時(shí)，樁側(cè)阻力662.98kN，約占總阻力57.0%，樁端阻力約占43.0%，樁徑為1.5m時(shí)，樁側(cè)阻力722.43kN，約占總阻力56.04%，樁端阻力約占43.06%。

圖9 樁側(cè)樁端阻力柱狀圖

分析得出：當(dāng)逐步提高樁總荷載，樁側(cè)阻力整體占比較高，但樁端阻力占比較低，并逐步增長(zhǎng)。不僅如此，當(dāng)樁徑越高時(shí)，其可達(dá)到的極限承載力也隨之增長(zhǎng)，而如果頂端荷載保持一致，則兩種阻力均會(huì)由于樁徑的提高而隨之增長(zhǎng)。

四、結(jié)論

全取代混凝土的抗壓強(qiáng)度及彈性模量均小于常規(guī)混凝土。若樁徑保持恒定，則當(dāng)樁長(zhǎng)值較高時(shí)，樁基可達(dá)到的承載力也會(huì)隨之增長(zhǎng)。且樁側(cè)阻力作用顯著，端阻阻力發(fā)揮作用較弱。樁長(zhǎng)保持恒定，并伴隨著樁徑的提高，則其可達(dá)到的極限承載力也將顯著提高，且樁徑相對(duì)于樁端阻力而產(chǎn)生的影響更為顯著。