預鉆根植竹節樁的抗壓承載特性研究

方靈靈

(中鐵第五勘察設計院集團有限公司 北京 102600)

1 引言

樁基礎有承載力高、穩定性好、適用性廣等眾多優點，已成為工程建設中常用的地基處理辦法之一[1]。

目前，預制管樁和鉆孔灌注樁是國內常用的樁基礎，但均存在施工速度慢、環境污染嚴重和噪聲大等問題。預鉆根植竹節樁作為一種新型樁，是由傳統樁型發展演變而來，其承載性能好且施工過程幾乎不會對周邊環境產生影響[1-2]。

為了改進傳統樁基礎承載性能，諸多學者對新型樁基礎的抗壓承載力性能進行了一系列探索研究。楊淼[3]發現預鉆根植樁抗壓極限承載力不低于相同成孔直徑鉆孔灌注樁極限承載力，且比普通管樁極限承載力大很多，并提出該種樁基的抗壓承載力計算公式。Horiguchi和Karkeepl[4-5]提出了取決于樁周土體及樁端土體強度的竹節樁承載力計算公式。

由于竹節樁的特殊構造，其樁徑、竹節尺寸、竹節間距等對其承載特性均存在不同程度的影響，目前已有文獻通過仿真模擬探究了不同竹節尺寸、樁周和樁端水泥土參數等因素與預鉆根植竹節樁的抗壓承載特性的關系，但對于樁端擴大頭的尺寸影響研究較少，未有系統的試驗或模型研究涉及。

本文結合實測數據分析預鉆根植樁的單樁豎向承載力，并通過指數擬合的方法來預測樁基的極限抗壓承載力[6]。同時基于ABAQUS軟件建立不同擴大頭尺寸的預鉆根植竹節樁模型，將模型計算結果與試驗結果比對分析，以驗證模型的準確性，計算不同擴徑率下樁基的抗壓承載力，并分析樁端擴徑率對預鉆根植竹節樁抗壓承載特性的影響機制。為根植樁的設計提供理論支撐[7-10]。

2 豎向抗壓靜載試驗及分析

現場用于試驗的3根預鉆根植抗壓樁試樁鉆孔直徑均為650 mm，預制樁由直徑500 mm管樁和550(400)mm(竹節處直徑為550 mm，樁身直徑為400 mm)竹節樁組成。其中管樁長15 m，竹節樁長為15 m，試樁總長30 m；樁端水泥土擴大頭直徑為1 000 mm，高度為2 000 mm。樁設計單樁豎向抗壓極限承載力2 500 kN。現場試驗如圖1所示。

表1為試驗場地土層分布情況及土體性質。表中包含了本試驗場地內預制樁的樁側極限摩阻力標準值、樁端極限端阻力標準值以及抗拔系數。樁尖持力層為粉質黏土層。采用壓重平臺反力裝置進行承載力試驗。

表1 試驗場地土層分布情況及土體性質

本試驗加載方式為慢速維持荷載法，加(卸)載分級如表2所示。

表2 加(卸)載分級 kN

2.1 試驗結果分析

主要技術資料如表3所示。

表3 主要技術資料

當施加至最大樁頂荷載時，樁基產生最大樁頂沉降量。經過卸荷回彈后，樁頂殘余沉降量分別為:36＃殘余 4.36 mm，101＃殘余 10.34 mm，125＃殘余4.5 mm。回彈率均大于50%。

根據荷載沉降數據，可得出單樁抗壓靜載試驗曲線，如圖2所示。

圖2 樁頂荷載-沉降曲線

從圖2可以看出:三根試驗樁的樁頂荷載-沉降曲線變化趨勢相似，但具體沉降數值有略微差異。三根試驗樁的最大沉降量相差10 mm之內，差異較小，考慮為試驗誤差引起，同時說明試驗數據可信度高；三根樁的沉降曲線均未出現明顯的陡降拐點，且卸荷后回彈均勻，總沉降量都小于40 mm(當試樁位移超過40 mm時認為樁基發生破壞)，據此可以判斷樁沒有發生破壞，認定樁的豎向抗壓極限承載力均大于其最大豎向試驗靜荷載。

2.2 試樁荷載-位移曲線擬合

由于試樁要作為工程樁使用，在加載到設計要求極限承載力時停止加載，未加載至破壞狀態。文獻[5]中指出:描述樁基荷載-位移曲線常用的非線性數學模型有雙曲線模型、指數模型和冪函數模型。為了預測試樁的極限抗壓承載力，用指數函數對試樁荷載-位移曲線進行擬合，如圖3所示。當試樁位移超過40 mm時認為樁基發生破壞，從圖3中的荷載-位移擬合公式可以計算出試樁36＃的抗壓極限承載力為3 381 kN，試樁101＃的極限抗壓承載力為2 742 kN，試樁125＃的抗壓極限承載力為3 055 kN。考慮到試驗誤差影響，保守認為試樁的極限抗壓承載力為2 800 kN[11-13]。

圖3 試樁荷載-位移擬合曲線

3 有限元模擬分析

預鉆根植樁是一種材料組成與工作機理復雜、影響因素眾多的新樁型，通過現場載荷試驗與室內模型試驗可對在一定條件下的預鉆根植樁的承載性能有初步的認識。采用有限數量的現場或室內試驗研究，難免會產生以偏概全的局限性。另外采用現場試驗或模型試驗成本高、周期長、受場地等外部環境影響大，進行對比分析或影響因素分析難度很大。通過數值模擬方法可高效研究預鉆根植竹節樁的多組交叉因素影響，指導試驗研究，與工程試驗分析相互驗證[14-17]。

3.1 模型建立

為便于更為直觀地對預鉆根植樁進行數值模擬，本模型采用了ABAQUS三維模型。

有限元計算結果精度與本構模型及模型參數的選取密切相關。預鉆根植樁荷載作用時存在三種材料相互作用:混凝土預制樁、水泥土、樁周土體。分別選取三種材料的本構模型:預制樁選用線彈性模型，水泥土、土體均選用摩爾-庫侖彈塑性模型。

根據材料屬性不同，本模型物理接觸面分別為預制樁-水泥土接觸面、預制樁樁端混凝土-土的接觸面、水泥土-土的接觸面。三個接觸面切向均定義為庫倫剪切模型，法向定義為硬接觸。

預制樁及水泥土參數如表4所示。

表4 預制樁及水泥土參數

網格劃分后模型部件如圖4所示。

圖4 網格劃分后的模型

3.2 計算結果分析

圖5為ABAQUS模擬結果與現場試驗數據對比曲線。可以看出，三根試驗樁的實測結果與模型計算結果存在些許偏差，但整體變化趨勢基本一致。考慮到試驗誤差的影響以及模型本身的局限性，認為此三維模型能較準確地模擬工程預鉆根植樁單樁承載特性，可用于研究預鉆根植樁的承載性能。

圖5 模擬結果與現場試驗數據對比曲線

3.3 樁端擴大頭擴徑率對抗壓承載力的影響分析

擴徑率w定義為擴大頭直徑Db與樁身鉆孔直徑D的比值。根據以往工程應用經驗，擴徑率w一般不宜大于1.6。為了研究樁端擴大頭直徑對抗壓承載性能的影響，將樁端擴徑率w定為1.0、1.3和1.6進行建模計算(w＝1.0即不存在擴大頭)，不同擴徑率w下樁端擴大頭如圖6所示。

圖6 不同擴徑率下的樁端擴大頭

數值計算得到的不同擴徑率下預鉆根植樁樁頂軸心受壓荷載-位移曲線見圖7所示。

圖7 樁頂軸心受壓荷載-位移曲線

樁頂位移超過40 mm時，為其極限承載狀態，樁端擴大頭直徑越大，樁基極限承載力越大。當擴徑率等于1.0時(不擴徑)極限承載力僅為2 640 kN，當擴徑率w＝1.3、1.6時，極限抗壓承載力有較大幅度提高，分別為2 865 kN、3 050 kN，相比于無擴大頭的預鉆根植樁的抗壓極限承載力分別提高了8.5%、15.53%。不同擴徑率w條件下抗壓極限承載性能對比分析見表5。另外，相同荷載條件下，擴大頭直徑越大，其位移越小。因此，預鉆根植樁樁端直徑增大，既可以提高樁基極限承載力，還可以改善樁端承載變形性能。

4 結束語

為了了解預鉆根植竹節樁的豎向抗壓承載性能，進行了相同規格、相同持力層的3根工程樁現場測試試驗，獲得在設計預估最大試驗荷載范圍內的樁頂荷載-沉降曲線，并通過指數擬合獲取各樁的極限抗壓承載力。同時，基于ABAQUS建立預鉆根植竹節樁的三維模型研究樁端擴徑率對抗壓承載力的影響，得到以下結論:

(1)在施加到最大樁頂荷載時，樁頂沉降量最大。經過卸荷回彈后，樁頂殘余沉降量均小于20 mm，且回彈率均大于50%。可以認為樁的豎向抗壓極限承載力大于各樁的最大豎向試驗靜載荷。

(2)通過指數函數擬合方法對試驗樁的極限抗壓承載力進行預測分析，考慮到試驗誤差的影響，保守認為試驗樁的極限抗壓承載力為2 800 kN。

(3)根據不同擴徑率下的預鉆根植樁抗壓承載力計算結果，認為預鉆根植樁樁端擴徑率和樁基極限承載力成正比；同時，擴徑率越大，樁端承載變形性能越好。