靜載試驗條件下的灌注樁承載特性研究

劉世龍

中鐵二十二局集團有限公司 北京 100043

引言

隨著世界各地高層、重型建筑物的出現，灌注樁的應用越來越廣泛，灌注樁具有承載力高、場地適應性強、穩定性好等優點[1-3]。灌注樁的承載性能近年來國內關注的焦點，灌注樁的承載能力受到土層性質，樁徑、材料、施工工藝等因素的影響，導致灌注樁在不同的條件下承載性能相差巨大。國內外學者對灌注樁的承載性能展開了大量的研究。

劉念武等[4]通過靜載試驗發現樁端是否注漿、注漿強度會影響樁側阻力和樁端阻力的分布情況；劉金礪等[5]統計分析了樁基礎的豎向承載力，發現樁側阻力占樁頂荷載的比例達到了60%～80%。

丁翠紅等[6]通過試驗證明泥質軟巖嵌巖樁的端阻力不大于總承載力的20%；董平等[7]通認為大直徑灌注樁屬于摩擦灌注樁。董金榮等[8]通過多個場地灌注樁靜載試驗，發現嵌巖樁端阻力僅占樁頂荷載的9.4%～30%，屬于端承摩擦樁。邱鈺等[9]通過數值模擬說明深長大嵌巖樁屬于端承摩擦樁或摩擦樁；吳鴻勝[10]研究了巖溶區溶洞對灌注樁承載性能的影響；葉元芬[11]通過試驗研究了樁-土之間的動力分析的有限元模擬方法；劉紅[12]通過有限元研究了樁-土接觸單元對樁基礎沉降影響。

本文介紹了有限元的基本方法和基本原理，基于有限元數值模擬軟件Midas GTS NX，介紹了樁基靜載試驗的建模過程，分析了樁身樁頂沉降、樁身軸力和樁身側摩阻力的化規律，通過實測結果證明了有限元模型的正確性。

1 有限元軟件簡介

MIDAS軟件是由韓國MIDAS IT公司研發的有限元軟件。其中，MIDAS GTS NX是用于巖土和隧道結構分析的有限元軟件，該軟件在施工階段模擬、邊坡穩定性分析、滲流分析、隧道施工模擬等方面得到了廣泛的應用。

MIDAS GTS NX是基于Window系統直接開發的軟件，在建模過程中，其具有更直觀、更立體、建模方式多樣等優點，在后處理中，該軟件能以表格、圖形、圖表的形式輸出計算結果數據，MIDAS將大量的科研和工程案例與計算結果進行比較分析，并證明其結果的可靠性以及精確性。由于MIDAS GTS NX在巖土領域具有專業性以及適用性，本文運用該軟件對樁基的承載特性進行建模分析。

2 工程概況

本節以廣州北站綜合交通樞紐開發建設項目的樁基工程為依托，進行樁基靜載試驗模擬。本工程中的樁基為沖孔灌注樁，靜載試驗樁的編號為4-34#，本節對4-34#沖孔灌注樁進行有限元模擬分析，樁身信息如表1所示，樁身周圍的鉆孔編號為ZK375，鉆孔ZK375的土層物理參數見表2。

表1 4-34#沖孔灌注樁樁身信息

表2 土層物理參數值

3 三維數值模擬分析

3.1 單元類型

由于樁身混凝土與樁周土體的彈性模量相差巨大，在靜載試驗下，樁-土接觸面可能發生相對的錯動、滑移等現象，故在樁-土的數值模擬中，需要對這種想象設置接觸單元進行模擬。

本文將介紹目前廣泛應用于樁土接觸模擬的Goodman單元。Goodman單元是由Goodman等人于1968年提出的無厚度四結點接觸面單元，該接觸單元假定條件為：接觸面上只產生正應力、剪應力，接觸面上的正應力、剪應力使該接觸面產生法向和切向相對位移，法向和切向相對位移之間相互獨立、互不影響。關于Goodman單元的矩陣方程如下：

Goodman單元能模擬不計厚度的接觸面模型，其能分析接觸面上的非線性問題，很好地模擬樁-土接觸面的錯動、滑移和開裂。因此，本文在樁基有限元模擬中，考慮了樁-土接觸問題，并采用Goodman接觸單元模擬樁-土之間的接觸。

3.2 模型的建立

根據試樁概況，對4-34#沖孔灌注樁進行有限元模擬分析，在本構模型的選擇中，本體采用摩爾-庫倫模型，樁基采用彈性模型。在單元的選擇中，土體采用實體單元、樁基礎采用梁單元，樁土之間的接觸采用Goodman界面單元。因邊界條件對模型會產生影響，在本模型中，土體的尺寸選取長度X和寬度Y均為10m，模型的高度Z為20m，邊界約束為底座固定，四周設置水平約束。本模型節點共有13991個，20296個單元，樁基的有限元模型如圖1所示。

圖1 有限元模型

3.3 樁基靜載試驗模擬

當對樁基進行靜載試驗模擬時，在樁頂上逐步施加荷載，起始荷載大小為1000kN，并以此荷載作為1級荷載，以后逐漸增加荷載級數，荷載級數大小梯度為1000kN，荷載級數分為10級，終止的荷載為10000kN，有限元樁模擬基靜載試驗加載參數如表3所示。通過在樁基樁頂逐級施加荷載，得到樁基每級荷載作用下的樁頂沉降、樁身軸力和樁身側摩阻力。

表3 有限元模擬樁基靜載試驗加載參數

3.4 數值模擬結果分析

在樁基結果后處理中，當樁頂的荷載大小為10000kN時，樁土的沉降云圖、樁土切面沉降云圖、樁身軸力曲線和樁身側摩阻力曲線如圖2和圖3所示。

圖2 沉降云圖（左）和樁土切面沉降云圖（右）

圖3 樁身軸力曲線（左）和側摩阻力曲線（右）

3.4.1 樁頂沉降分析。本節將對樁頂沉降曲線進行分析，判斷樁基在加載時的穩定性。根據樁基的荷載級數對樁頂沉降量進行統計并繪制樁頂沉降-荷載關系曲線，如圖4所示。

圖4 樁頂沉降-荷載關系曲線

根據圖4的樁頂沉降-荷載關系曲線，對樁頂沉降-荷載關系曲線進行二次多項式擬合，相關系數R2 = 0.9968，擬合方程如下：

由圖4可知，樁頂的最大沉降量為25.9mm，樁頂的沉降量隨著樁頂荷載的增加而增加，當施加的荷載值小于8000kN時，樁頂的沉降量隨著樁頂荷載的增加呈線性增加，此時樁周的土體發生彈性變形；當施加的荷載值大于8000kN時，樁頂荷載-沉降曲線的斜率變大，說明隨著樁頂荷載的增加導致樁頂產生的沉降變大，此時樁周的土體發生了塑性變形，樁周土體的塑性變形量隨著荷載的增加而增加。在本試樁靜載試驗中，樁頂荷載-沉降曲線的斜率并沒有發生急劇下降，可以判斷本次試樁加載處于穩定狀態。

3.4.2 樁身軸力分析。在后處理中，根據加載荷載級數統計樁身軸力變化值，得到荷載-軸力關系曲線如圖5所示。

圖5 荷載-軸力關系曲線

由圖5可知，樁身軸力隨樁長的增加而減小，當樁長一定時，樁身軸力隨著荷載級數的增加而增大，樁頂軸力在各級荷載級數下與加載荷載值相等。當樁長小于8m時，樁身軸力緩慢減小，這是由于樁長小于8m的樁身嵌入處于粉質黏土層和中砂層中，粉質黏土層和中砂層側摩阻力系數比較小，導致此部分的樁身側摩阻力減小緩慢。當樁長大于8m時，樁身軸力急劇減小，這是由于樁長大于8m的樁身嵌入巖層中，巖層的側摩阻力系數增加，導致此部分的樁身側摩阻力增加軸力減小。

3.4.3 樁身側摩阻力分析。在后處理中，根據加載荷載級數統計樁身側摩阻力隨樁身的變化值，得到樁身荷載-側摩阻力關系曲線如圖6所示。

圖6 樁身荷載-側摩阻力關系

由圖6可知，隨樁長的增加，樁身側摩阻力先增大后減小，當樁長一定時，樁身側摩阻力隨著荷載級數的增加而增大。樁身側摩阻力在樁頂處接近0，當樁長為0～2m時，樁身側摩阻力基本保持不變，因為此部分樁身處于粉質黏土層，粉質黏土分擔的軸力比較小；當樁長為2～5m時，樁身側摩阻力逐漸增加，因為此部分樁身處于中砂層，由于樁體變形的累積，導致樁身與周圍土體的相對滑動的趨勢增加；當樁長為5～10m時，樁身側摩阻力出現最大值，此部分樁身處于巖層，樁身軸力傳遞迅速，造成樁身的側摩阻力達到峰值，當樁長為10～12m時，樁身側摩阻力迅速減小并保持穩定，在樁底處存在一定大小的側摩阻力，樁端存在阻力，可以判斷此樁屬于摩擦端承樁。

3.5 有限元模擬參數驗證

為了驗證樁基有限元的計算結果的有效性。本節將鋼筋應力計測量結果與有限元結果進行比較，在荷載大小為10000kN的情況下，分析比較鋼筋應力計測值和有限元模擬值的軸力分布情況，繪制軸力分布對比圖，如圖7所示。

圖7 樁身軸力分布對比

由圖7可知，鋼筋應力計測值分布在有限元模擬值附近，鋼筋應力計測值和有限元模擬值的曲線形狀基本一致，兩者的誤差控制5%以內，故有限元模擬結果是準確的，符合實際工程。

4 結束語

通過分析樁頂荷載-沉降曲線，得出樁頂的沉降量隨著樁頂荷載的增加而增加，在本次樁基模擬試驗中，樁頂沉降-荷載關系曲線為拋物線關系。

樁身軸力隨樁長的增加而減小，樁身軸力的變化與樁身周圍的土體參數相關，當樁身周圍的土體強度高時，樁身軸力減小幅度大，當樁身周圍的土體強度低時，樁身軸力減小幅度小。

隨樁長的增加，樁身側摩阻力先增大后減小，樁身的側摩阻力變化與樁周土體呈現出良好的對應關系，并通過側摩阻力曲線判斷本項目的試驗樁屬于摩擦端承樁。

在數值模擬驗證中，鋼筋應力計測值分布在有限元模擬值附近，兩者誤差小，樁基數值模擬結果準，符合實際情況。