大直徑超長樁承載性狀影響研究

王思，張永杰，程鑫，黃永剛，李子豐

大直徑超長樁承載性狀影響研究

王思，張永杰，程鑫，黃永剛，李子豐

(長沙理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410114)

為探究樁端土強(qiáng)度對(duì)超長樁承載性狀的影響，建立了3種不同長度的超長樁。通過改變樁端土的強(qiáng)度，在荷載作用下，研究軸力沿著樁身傳遞、樁側(cè)摩阻力的影響及樁自身變形。分析了樁端土強(qiáng)度的提高對(duì)超長樁上段和下段樁側(cè)摩阻力的影響。研究結(jié)果表明：樁端土強(qiáng)度提高1～2倍時(shí)，超長樁極限承載力提高7.06%～22.49%；80m基樁對(duì)應(yīng)5種不同長徑比時(shí)，長度增加25%～50%，其極限承載力提高35.06%～63.21%；在同級(jí)荷載作用下，樁端土強(qiáng)度高的樁側(cè)摩阻力發(fā)揮小于樁端土強(qiáng)度低的；端阻強(qiáng)化效應(yīng)在樁端土強(qiáng)度較弱的土層中也存，且長徑比越小增強(qiáng)的效應(yīng)越明顯；該研究可以為實(shí)際工程中超長大直徑樁基設(shè)計(jì)和承載力估算提供參考。

超長樁；樁端土強(qiáng)度；樁頂沉降量；端阻強(qiáng)化

大直徑超長樁在高層建筑中應(yīng)用廣泛，但是其承載受力相對(duì)于傳統(tǒng)的短樁和中長樁不同。超長樁因?yàn)槠渥陨淼母邏嚎s量會(huì)限制自身的承載力，承載性狀往往比較復(fù)雜，所以超長樁也是眾多學(xué)者關(guān)注的焦點(diǎn)。樁端土的強(qiáng)度會(huì)對(duì)超長樁承載性狀造成影響，且持力層會(huì)給基樁帶來較大的經(jīng)濟(jì)效益。席寧中[1]提出樁側(cè)阻力與樁端阻力之間存在相互作用，樁端土強(qiáng)度提高對(duì)樁側(cè)摩阻力具有增強(qiáng)作用。張忠苗[2?5]等人通過現(xiàn)場測(cè)試和室內(nèi)模型試驗(yàn)，研究了樁端土條件對(duì)超長樁極限承載力、樁側(cè)摩阻力的影響，但成本巨大、現(xiàn)場地址條件復(fù)雜，具有一定的局限性，未能設(shè)置對(duì)比實(shí)驗(yàn)。董金榮[6?10]等人通過理論研究，解釋了樁端土強(qiáng)度對(duì)樁側(cè)阻力影響的規(guī)律和機(jī)理。但這些研究考慮的樁型條件比較單一，而超長樁承載性狀會(huì)受到土體參數(shù)、自身長度、直徑等不同的影響。蔣建平[11?14]等人通過數(shù)值模擬，研究了不同樁端土的彈性模量對(duì)超長樁的力學(xué)特性，其結(jié)果表明：樁端土強(qiáng)度對(duì)總樁側(cè)阻力具有強(qiáng)化作用，得到了量化規(guī)律，但在數(shù)值模擬中未考慮樁端土的強(qiáng)度、長徑比對(duì)超長樁極限承載力的影響和量化規(guī)律。同級(jí)荷載作用下，樁端土的強(qiáng)度對(duì)超長樁樁側(cè)摩阻力的影響，并且可給出量化規(guī)律。因此，本研究通過建立3種不同的樁長及對(duì)應(yīng)的3種不同樁徑模型，通過改變樁端土的強(qiáng)度，研究其對(duì)極限承載力、軸力、樁身壓縮量、樁側(cè)摩阻力的 影響。

1 有限元模型的建立

以上海某高層住宅小區(qū)的樁基礎(chǔ)為例。該試驗(yàn)樁為鉆孔灌注樁，樁身混凝土強(qiáng)度為C30，樁長為60 m，樁徑為1 m。受現(xiàn)場場地條件的限制，測(cè)試時(shí)采用錨樁法為試樁，提供反力。現(xiàn)場土體參數(shù)見表1。

表1 樁土主要參數(shù)表

注：為層底埋深；為黏聚力；為內(nèi)摩擦角；為彈性模量；為泊松比；為重度。

為驗(yàn)證接觸模型、網(wǎng)格尺寸、土體參數(shù)等合理性，通過有限元模擬樁基受力提取荷載模擬值與實(shí)測(cè)值對(duì)比，采用ABAQUS有限元軟件進(jìn)行建模分析，建立四分之一軸對(duì)稱單樁載荷試驗(yàn)?zāi)Ｐ停瑯锻辆捎幂S對(duì)稱實(shí)體單元，根據(jù)地層信息建立三維有限元模型，因雜填土埋深較淺且缺少地層資料，統(tǒng)一按照粉細(xì)砂進(jìn)行建模，如圖1所示。土體模型的長、寬均為30 m，高度為2倍樁長120 m，劃分土體網(wǎng)格時(shí)，對(duì)樁周網(wǎng)格進(jìn)行了加密處理。在模擬過程中，樁采用線彈性材料進(jìn)行模擬，彈性模量取30 GPa，土體采用摩爾庫倫本構(gòu)模型。樁土的相互作用通過設(shè)置接觸面來實(shí)現(xiàn)，通過多次試算，摩擦系數(shù)取0.42。

圖1 有限元模型示意圖

數(shù)值計(jì)算和現(xiàn)場實(shí)測(cè)的樁頂荷載?沉降曲線如圖2所示。以陡降段和緩降段的轉(zhuǎn)折點(diǎn)確定基樁的極限承載力。數(shù)值計(jì)算的單樁極限承載力為 16 033 kN時(shí)，模型樁樁頂?shù)某两禐?2.9 mm，實(shí)測(cè)值為16 500 kN，樁頂對(duì)應(yīng)的沉降為30 mm。模擬型與實(shí)測(cè)值的荷載相差467 kN，樁頂沉降相差2.9 mm，兩者較接近，說明有限元可以反映一定的實(shí)際情況。表明：本研究中計(jì)算的選用模型材料參數(shù)及網(wǎng)格劃分是合理的。

圖2 數(shù)值計(jì)算與實(shí)測(cè)值Q-S曲線對(duì)比

2 不同長度單樁計(jì)算結(jié)果分析

為模擬樁端土體強(qiáng)度對(duì)超長樁承載性能的影響，通過建立80 m、100 m、120 m 3種長度的超長樁，每種樁長對(duì)應(yīng)3種不同直徑，分別為1.0 m、1.5 m、2.0 m。為簡化計(jì)算，統(tǒng)一采取第四層土粉細(xì)砂進(jìn)行建模，將樁端土的彈性模量定義為s，本試驗(yàn)中研究靜荷載，因此所提到的彈性模量均為靜彈模，分別設(shè)置為35 MPa、70 MPa、105 MPa。研究樁端土強(qiáng)度對(duì)超長樁在土體中承載性能的影響，計(jì)算模型的網(wǎng)格尺寸及網(wǎng)格屬性與驗(yàn)證模型相同。

2.1 荷載沉降曲線分析

龔曉南[15]指出對(duì)于大直徑樁而言，一般根據(jù)上部結(jié)構(gòu)類型和沉降的敏感度，取某一沉降值對(duì)應(yīng)的荷載為極限承載力，該極限值通常取40～60 mm或樁徑的3%～6%。因此，分析極限承載力時(shí)，都是建立在樁頂沉降為50 mm所對(duì)應(yīng)的荷載，各樁極限承載力見表2。由于不同樁長對(duì)應(yīng)的-曲線規(guī)律相同，以80 m樁為例，荷載沉降曲線如圖3所示。

圖3 80 m樁Q-S曲線

從圖3中可以看出，當(dāng)樁頂沉降控制極限承載力時(shí)，超長樁的荷載沉降曲線一般為緩降型。當(dāng)樁徑為1 m、80 m基樁的長度增加25%時(shí)，其極限承載力提高6.75%；樁長值長增加50%、20.9%。當(dāng)樁徑為1.5 m和2.0 m時(shí)，樁長增加50%，極限承載力提高幅度最大不超過8.89%，此時(shí)極限承載力隨著樁長增加而增加的幅度不明顯，其原因是超長樁的極限承載力是由樁頂沉降控制。鄭剛[16]通過研究發(fā)現(xiàn)各種超長樁在極限荷載作用下，樁身的壓縮量均占總沉降量的65%以上，長度超過100 m的超長樁，其占比甚至可以超過90%。

表2 各樁極限承載力匯總表

樁長分別為80 m、100 m、120 m。當(dāng)樁徑為1 m時(shí)，樁端土強(qiáng)度提高1～2倍，其極限承載力分別提高10.56%～12.69%、7.37%～12.07%、7.06%～ 10.94%；當(dāng)樁徑為1.5 m時(shí)，極限承載力分別提高15.62%～21.56%、15.21%～22.49%、15.36%～22.21%；當(dāng)樁徑為2.0 m時(shí)，極限承載力分別提高13.63%～19.06%、11.77%～19.27%、11.54%～20.07%。超長樁以樁頂沉降來控制極限承載力時(shí)，樁端土強(qiáng)度提高能減小樁端的沉降，從而提高超長樁承載力。

極限承載力隨著樁徑的增大而增加。當(dāng)樁長為80 m～100 m時(shí)，通過增加50%～100%的樁徑，其承載力提高51.47%～119.15%；當(dāng)樁長繼續(xù)增加到120 m時(shí)，通過增加樁徑，其極限承載力提高38.02%～96.55%，呈減弱趨勢(shì)。表明：樁長太長，自身的壓縮量限制了極限承載力的提高。

2.2 長徑比對(duì)超長樁極限承載力的影響分析

超長樁與短樁和中長樁的區(qū)別點(diǎn)是極限承載力是由陡降段起點(diǎn)控制。一般通過固定樁徑，增加樁長，研究長徑比對(duì)其的影響，得出長徑比越大樁極限承載力越大，但超長樁增加樁長自身壓縮量也會(huì)加大，因此限制了極限承載力的影響。研究長徑比/對(duì)超長樁承載力的影響，必須綜合考慮樁徑、樁長，將80 m、100 m、120 m樁長徑比設(shè)置為45、50、55、60、65。不同長徑比對(duì)應(yīng)的極限承載力如圖4所示。

從圖4中可以看出，長徑比相同時(shí)，極限承載力隨樁長的增加而增大，并且長徑比分別為45、50、55、60、65，樁長提高25%～50%時(shí)，其極限承載力分別提高35.27%～63.05%、36.87%～63.21%、36.68%～53.37%、35.06%～56.13%、36.91%～57.37%。樁長相同時(shí)，長徑比越小，超長樁極限承載力提高的幅度越大。超長樁極限承載力的大小由樁長和長徑比決定。實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，應(yīng)該同時(shí)考慮樁長和長徑比對(duì)超長樁承載力的影響。

圖4 不同樁徑比條件下基樁的極限承載力發(fā)揮曲線圖

2.3 極限荷載作用下樁身壓縮量的影響分析

極限荷載作用下，隨著樁徑增加樁身壓縮量占樁頂沉降量的比例如圖5所示。從圖5中可以看出，樁身壓縮量占樁頂沉降量的比例，隨樁徑增加呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，并且樁徑越大效應(yīng)越明顯。樁端土強(qiáng)度為35 MPa時(shí)，樁徑增加1倍，樁身的壓縮量約減小25%，隨著樁端土強(qiáng)度的提高，該值會(huì)進(jìn)一步減小。樁端土條件相同的情況下，樁長越長，自身壓縮量占比就會(huì)越大。

圖5 樁身壓縮量占樁頂沉降量隨樁徑變化

極限荷載作用下，長徑比一定時(shí)，80 m樁端土強(qiáng)度提高1倍，壓縮量比例與樁端土樁側(cè)土強(qiáng)度一致時(shí)，壓縮量能減小4.6%以上；樁端土強(qiáng)度提高兩倍，壓縮量能夠減小6.5%。壓縮量隨著樁長的增加而增大，即長徑比一定時(shí)，樁端土強(qiáng)度越高，極限荷載作用下的樁身壓縮量越大。通過分析發(fā)現(xiàn)樁端土強(qiáng)度為105 MPa、70 MPa時(shí)的樁身壓縮量占比接近，相差值不超過4.2%。

通過提取直徑為1 m，樁長為120 m的樁，在樁端土強(qiáng)度為35 MPa條件下，工作荷載為9 982 kN(極限荷載的二分之一)、極限荷載為19 964 kN、28 320 kN荷載作用下節(jié)點(diǎn)。研究120 m超長樁身的30個(gè)節(jié)點(diǎn)在荷載作用下樁身的位移情況，如圖6所示。

圖6 120 m樁長在荷載作用下樁身位移圖

從圖6中可以看出，超長樁在工作荷載7 820 kN作用下，樁頂?shù)奈灰茷?7.58 mm，樁端的位移為5.07 mm，此時(shí)樁身位移主要集中在三分之一樁身以上處；在埋深40 m以下，樁身的位移相差不大，此時(shí)下段的位移主要是因?yàn)楫a(chǎn)生樁端沉降。極限荷載19 964 kN作用下，樁頂位移為50 mm，樁端位移為13.5 mm，樁身的壓縮量占樁頂沉降量的73%，此時(shí)在埋深80 m以上的樁自身壓縮量占樁頂位移的66.5%。當(dāng)樁頂荷載達(dá)到28 320 kN時(shí)，樁頂沉降達(dá)到78 mm，樁端位移為20.5 mm，在埋深100 m以上的壓縮量占樁頂位移的71%。當(dāng)樁頂位移達(dá)到78 mm時(shí)，可以認(rèn)為在實(shí)際工程中基樁已經(jīng)失穩(wěn)[15]，雖然在此荷載下樁身位移并未出現(xiàn)陡降段，但是由于樁自身材料的限制，樁身自身壓縮較大，導(dǎo)致樁頂位移過大，不能滿足實(shí)際工程的承載需求，可以認(rèn)為此時(shí)已經(jīng)失穩(wěn)破壞。因此，實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，為了滿足承載的需求，單純?cè)黾訕堕L并不可取，必須綜合考慮長徑比的影響。

2.4 不同樁長樁身軸力分布曲線分析

不同樁在不同樁端土和極限荷載作用下軸力歸一化曲線如圖7所示。從圖7中可以看出，當(dāng)樁徑較小時(shí)，曲線在樁身中部比較平緩，但樁頂以下五分之一和樁端以上五分之三處曲線變得更陡；當(dāng)樁徑增大到1.5 m、2.0 m時(shí)，樁頂以下五分之一處曲線變得更陡，其他段走勢(shì)比較平緩。表明：樁徑較小時(shí)，軸力的衰減主要集中在樁身的中部；樁徑較大時(shí)，軸力的衰減主要分布在中下部。

圖7 不同樁長在荷載作用下樁身位移

通過對(duì)端阻比進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)隨著樁端土強(qiáng)度和樁徑的增加，端阻比也逐漸增大。樁端土強(qiáng)度為70 MPa和105 MPa時(shí)，在極限承載力狀態(tài)下，直徑為80 m、100 m的2 m樁的端阻比為10.7%～13.57%，直徑為120 m的2 m樁在3種強(qiáng)度樁端土條件下，端阻比均大于10%。參照文獻(xiàn)[12]，將端阻比超過10%的分類為端承摩擦樁，其余的均為摩擦樁。

2.5 樁端土強(qiáng)度對(duì)超長樁樁側(cè)摩阻力的影響

為探究樁端土強(qiáng)度與樁側(cè)摩阻力的關(guān)系，通過改變樁端土的強(qiáng)度，比較其側(cè)摩阻力的發(fā)揮情況。提取80 m、120 m樁長，直徑為1.0 m、2.0 m的樁，樁端土強(qiáng)度為35 MPa情況下，分析樁側(cè)摩阻力沿樁身分布的情況，樁側(cè)摩阻力曲線如圖8所示。

從圖8中可以看出，超長樁樁徑不同，樁身側(cè)摩阻力曲線有所區(qū)別。樁徑為1.0 m時(shí)曲線呈R分布；樁徑較大時(shí)，呈梯形分布。超長樁的樁側(cè)摩阻力由上往下逐步發(fā)揮，沿著樁身先增大后減小，隨著荷載的增大轉(zhuǎn)折點(diǎn)沿著樁身下移。樁徑較大時(shí)，轉(zhuǎn)折點(diǎn)下方的摩阻力發(fā)揮程度一致。當(dāng)樁長達(dá)到120 m時(shí)，有減小的趨勢(shì)。

為探討端阻增強(qiáng)效應(yīng)對(duì)不同樁長、樁徑、樁端土強(qiáng)度的影響程度，以及樁側(cè)摩阻力在同級(jí)荷載作用和不同樁端土強(qiáng)度下的發(fā)揮情況。同種樁型對(duì)應(yīng)的樁頂荷載相同，荷載對(duì)應(yīng)的樁側(cè)摩阻力曲線如圖9所示。從圖9中可以看出，樁長為80 m，樁直徑為1.0 m的樁端土強(qiáng)度為35 MPa～105 MPa時(shí)，端阻附近的頂峰摩阻力相對(duì)于上個(gè)截面提高9.26%～13.4%；樁長為100 m時(shí)，頂峰摩阻力提高60.95%～79.2%，樁長為120 m為20.02%～22.45%；當(dāng)樁徑為2.0 m時(shí)，樁長為80 m、100 m、120 m的頂峰摩阻力分別提高31.89%～46.11%、76.94%～101.33%、130.1%～191.46%。同級(jí)荷載作用下，端阻增強(qiáng)效應(yīng)不出現(xiàn)在高的土層中；同種長度不同直徑的樁端阻增強(qiáng)效應(yīng)不同，直徑越大，端阻增強(qiáng)效應(yīng)越明顯。

端阻增強(qiáng)效應(yīng)的影響深度范圍主要集中在樁底以上2～8 m的范圍。同種樁長條件下，樁徑越大，端阻增強(qiáng)效應(yīng)越明顯。一般同樁長同樁徑條件下，樁端土強(qiáng)度越高端阻增強(qiáng)效應(yīng)越明顯。工作荷載作用下，超長樁樁側(cè)摩阻力的發(fā)揮，隨著樁端土強(qiáng)度的不同，發(fā)揮程度也不相同，在轉(zhuǎn)折點(diǎn)處呈現(xiàn)兩種不同形式的發(fā)揮，在轉(zhuǎn)折點(diǎn)的上方，樁端土的強(qiáng)度越高，其摩阻力發(fā)揮的程度稍微大于強(qiáng)度低的；轉(zhuǎn)折點(diǎn)的下段，樁端土強(qiáng)度越高，其摩阻力發(fā)揮的程度越小。這是由于樁端土強(qiáng)度高，導(dǎo)致樁端的位移較小，摩阻力發(fā)揮程度小，同時(shí)樁端土強(qiáng)度高的樁總側(cè)阻力小于強(qiáng)度低的，并且影響幅度不超過5%。

3 結(jié)論

通過對(duì)80 m、100 m、120 m樁與其對(duì)應(yīng)的3種不同樁徑的研究，分析了其樁端土的強(qiáng)度對(duì)超長樁承載力的影響，得出結(jié)論：

1) 超長樁的極限承載力是由樁頂沉降來控制，樁端土強(qiáng)度的提高，不僅能有效減小樁端和樁頂?shù)某两担岣邩O限承載力，而且樁端土強(qiáng)度越高效果越顯著。80 m、100 m、120 m樁的樁徑為1 m時(shí)，通過提高1～2倍的樁端土強(qiáng)度，其極限承載力相對(duì)于樁側(cè)土的提高7.06%～12.69%。當(dāng)樁徑為1.5 m時(shí)，極限承載力提高15.21%～22.49%，當(dāng)樁徑為2 m時(shí)，極限承載力提高11.54%～20.07%。

2) 增大基樁的極限承載力應(yīng)該綜合考慮長徑比的影響。通過研究發(fā)現(xiàn)80 m基樁的長徑比分別為45、50、55、60、65且將樁長提高25%～50%時(shí)，其極限承載力提高的范圍為35.06%～63.21%。

3) 樁長、樁徑越大，端阻強(qiáng)化效應(yīng)越明顯。樁長為80 m，樁徑為1 m的樁，樁端土為35 MPa～105 MPa時(shí)，埋深75.5 m樁側(cè)摩阻力比埋深為71 m處提高了9.26%～13.4%。當(dāng)樁長為120 m、樁徑為2 m時(shí)，側(cè)摩阻力提高130.1%～191.46%。

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Numerical analysis of influence of soil strength of pile tip on bearing capacity of overlong pile

WANG Si, ZHANG Yong-jie, CHENG Xin, HUANG Yong-gang, LI Zi-feng

(School of Civil Engineering, Changsha University of Science & Technology, Changsha 410114, China)

In order to investigate the influence of soil strength at end of pile on bearing capacity of super-long piles, three kinds of super-long piles with different lengths were established. By changing the strength of soil at end of pile, the transfer of axial force along the pile body, the influence of pile lateral friction resistance and the deformation of pile were studied. The influence of soil strength on the lateral friction of the upper and lower sections of super-long piles was analyzed. The results show that, the ultimate bearing capacity of super-long pile is improved from 7.06% to 22.49%, when the soil strength of pile tip is increased by 1 to 2 times. When the 80 m foundation pile with five different length to diameter ratios, the ultimate bearing capacity increases from 35.06% to 63.21%, when the length increases from 25% to 50%. Under the same load, the lateral friction of pile with strong soil at end of pile is less than that of pile with weak soil. End-resistance strengthening effect also exists in the weak soil layer. The strengthening effect will increase with the decreasing of length to diameter ratio. The numerical simulation results can provide reference for the design and bearing capacity estimation of super-long diameter pile foundation.

super-long pile; soil strength at pile tip; settlement of pile top; end-resistance strengthening

TU473.1

A

1674 ? 599X(2021)02 ? 0068 ? 08

2020?08?07

長沙理工大學(xué)校級(jí)專業(yè)學(xué)位研究生“實(shí)踐創(chuàng)新與創(chuàng)業(yè)能力提升計(jì)劃”項(xiàng)目(SJCX201923)

王思(1994?)，男，長沙理工大學(xué)碩士生。