預(yù)鉆根植竹節(jié)樁的抗壓承載特性研究

方靈靈

(中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 北京 102600)

1 引言

樁基礎(chǔ)有承載力高、穩(wěn)定性好、適用性廣等眾多優(yōu)點(diǎn)，已成為工程建設(shè)中常用的地基處理辦法之一[1]。

目前，預(yù)制管樁和鉆孔灌注樁是國(guó)內(nèi)常用的樁基礎(chǔ)，但均存在施工速度慢、環(huán)境污染嚴(yán)重和噪聲大等問題。預(yù)鉆根植竹節(jié)樁作為一種新型樁，是由傳統(tǒng)樁型發(fā)展演變而來，其承載性能好且施工過程幾乎不會(huì)對(duì)周邊環(huán)境產(chǎn)生影響[1-2]。

為了改進(jìn)傳統(tǒng)樁基礎(chǔ)承載性能，諸多學(xué)者對(duì)新型樁基礎(chǔ)的抗壓承載力性能進(jìn)行了一系列探索研究。楊淼[3]發(fā)現(xiàn)預(yù)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(jì)算公式。Horiguchi和Karkeepl[4-5]提出了取決于樁周土體及樁端土體強(qiáng)度的竹節(jié)樁承載力計(jì)算公式。

由于竹節(jié)樁的特殊構(gòu)造，其樁徑、竹節(jié)尺寸、竹節(jié)間距等對(duì)其承載特性均存在不同程度的影響，目前已有文獻(xiàn)通過仿真模擬探究了不同竹節(jié)尺寸、樁周和樁端水泥土參數(shù)等因素與預(yù)鉆根植竹節(jié)樁的抗壓承載特性的關(guān)系，但對(duì)于樁端擴(kuò)大頭的尺寸影響研究較少，未有系統(tǒng)的試驗(yàn)或模型研究涉及。

本文結(jié)合實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析預(yù)鉆根植樁的單樁豎向承載力，并通過指數(shù)擬合的方法來預(yù)測(cè)樁基的極限抗壓承載力[6]。同時(shí)基于ABAQUS軟件建立不同擴(kuò)大頭尺寸的預(yù)鉆根植竹節(jié)樁模型，將模型計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果比對(duì)分析，以驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性，計(jì)算不同擴(kuò)徑率下樁基的抗壓承載力，并分析樁端擴(kuò)徑率對(duì)預(yù)鉆根植竹節(jié)樁抗壓承載特性的影響機(jī)制。為根植樁的設(shè)計(jì)提供理論支撐[7-10]。

2 豎向抗壓靜載試驗(yàn)及分析

現(xiàn)場(chǎng)用于試驗(yàn)的3根預(yù)鉆根植抗壓樁試樁鉆孔直徑均為650 mm，預(yù)制樁由直徑500 mm管樁和550(400)mm(竹節(jié)處直徑為550 mm，樁身直徑為400 mm)竹節(jié)樁組成。其中管樁長(zhǎng)15 m，竹節(jié)樁長(zhǎng)為15 m，試樁總長(zhǎng)30 m；樁端水泥土擴(kuò)大頭直徑為1 000 mm，高度為2 000 mm。樁設(shè)計(jì)單樁豎向抗壓極限承載力2 500 kN。現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)如圖1所示。

表1為試驗(yàn)場(chǎng)地土層分布情況及土體性質(zhì)。表中包含了本試驗(yàn)場(chǎng)地內(nèi)預(yù)制樁的樁側(cè)極限摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值、樁端極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值以及抗拔系數(shù)。樁尖持力層為粉質(zhì)黏土層。采用壓重平臺(tái)反力裝置進(jìn)行承載力試驗(yàn)。

表1 試驗(yàn)場(chǎng)地土層分布情況及土體性質(zhì)

本試驗(yàn)加載方式為慢速維持荷載法，加(卸)載分級(jí)如表2所示。

表2 加(卸)載分級(jí) kN

2.1 試驗(yàn)結(jié)果分析

主要技術(shù)資料如表3所示。

表3 主要技術(shù)資料

當(dāng)施加至最大樁頂荷載時(shí)，樁基產(chǎn)生最大樁頂沉降量。經(jīng)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(jù)荷載沉降數(shù)據(jù)，可得出單樁抗壓靜載試驗(yàn)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(yàn)樁的樁頂荷載-沉降曲線變化趨勢(shì)相似，但具體沉降數(shù)值有略微差異。三根試驗(yàn)樁的最大沉降量相差10 mm之內(nèi)，差異較小，考慮為試驗(yàn)誤差引起，同時(shí)說明試驗(yàn)數(shù)據(jù)可信度高；三根樁的沉降曲線均未出現(xiàn)明顯的陡降拐點(diǎn)，且卸荷后回彈均勻，總沉降量都小于40 mm(當(dāng)試樁位移超過40 mm時(shí)認(rèn)為樁基發(fā)生破壞)，據(jù)此可以判斷樁沒有發(fā)生破壞，認(rèn)定樁的豎向抗壓極限承載力均大于其最大豎向試驗(yàn)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(shè)計(jì)要求極限承載力時(shí)停止加載，未加載至破壞狀態(tài)。文獻(xiàn)[5]中指出:描述樁基荷載-位移曲線常用的非線性數(shù)學(xué)模型有雙曲線模型、指數(shù)模型和冪函數(shù)模型。為了預(yù)測(cè)試樁的極限抗壓承載力，用指數(shù)函數(shù)對(duì)試樁荷載-位移曲線進(jìn)行擬合，如圖3所示。當(dāng)試樁位移超過40 mm時(shí)認(rèn)為樁基發(fā)生破壞，從圖3中的荷載-位移擬合公式可以計(jì)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(yàn)誤差影響，保守認(rèn)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(yù)鉆根植樁是一種材料組成與工作機(jī)理復(fù)雜、影響因素眾多的新樁型，通過現(xiàn)場(chǎng)載荷試驗(yàn)與室內(nèi)模型試驗(yàn)可對(duì)在一定條件下的預(yù)鉆根植樁的承載性能有初步的認(rèn)識(shí)。采用有限數(shù)量的現(xiàn)場(chǎng)或室內(nèi)試驗(yàn)研究，難免會(huì)產(chǎn)生以偏概全的局限性。另外采用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)或模型試驗(yàn)成本高、周期長(zhǎng)、受場(chǎng)地等外部環(huán)境影響大，進(jìn)行對(duì)比分析或影響因素分析難度很大。通過數(shù)值模擬方法可高效研究預(yù)鉆根植竹節(jié)樁的多組交叉因素影響，指導(dǎo)試驗(yàn)研究，與工程試驗(yàn)分析相互驗(yàn)證[14-17]。

3.1 模型建立

為便于更為直觀地對(duì)預(yù)鉆根植樁進(jìn)行數(shù)值模擬，本模型采用了ABAQUS三維模型。

有限元計(jì)算結(jié)果精度與本構(gòu)模型及模型參數(shù)的選取密切相關(guān)。預(yù)鉆根植樁荷載作用時(shí)存在三種材料相互作用:混凝土預(yù)制樁、水泥土、樁周土體。分別選取三種材料的本構(gòu)模型:預(yù)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(jù)材料屬性不同，本模型物理接觸面分別為預(yù)制樁-水泥土接觸面、預(yù)制樁樁端混凝土-土的接觸面、水泥土-土的接觸面。三個(gè)接觸面切向均定義為庫倫剪切模型，法向定義為硬接觸。

預(yù)制樁及水泥土參數(shù)如表4所示。

表4 預(yù)制樁及水泥土參數(shù)

網(wǎng)格劃分后模型部件如圖4所示。

圖4 網(wǎng)格劃分后的模型

3.2 計(jì)算結(jié)果分析

圖5為ABAQUS模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比曲線。可以看出，三根試驗(yàn)樁的實(shí)測(cè)結(jié)果與模型計(jì)算結(jié)果存在些許偏差，但整體變化趨勢(shì)基本一致。考慮到試驗(yàn)誤差的影響以及模型本身的局限性，認(rèn)為此三維模型能較準(zhǔn)確地模擬工程預(yù)鉆根植樁單樁承載特性，可用于研究預(yù)鉆根植樁的承載性能。

圖5 模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比曲線

3.3 樁端擴(kuò)大頭擴(kuò)徑率對(duì)抗壓承載力的影響分析

擴(kuò)徑率w定義為擴(kuò)大頭直徑Db與樁身鉆孔直徑D的比值。根據(jù)以往工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，擴(kuò)徑率w一般不宜大于1.6。為了研究樁端擴(kuò)大頭直徑對(duì)抗壓承載性能的影響，將樁端擴(kuò)徑率w定為1.0、1.3和1.6進(jìn)行建模計(jì)算(w＝1.0即不存在擴(kuò)大頭)，不同擴(kuò)徑率w下樁端擴(kuò)大頭如圖6所示。

圖6 不同擴(kuò)徑率下的樁端擴(kuò)大頭

數(shù)值計(jì)算得到的不同擴(kuò)徑率下預(yù)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(shí)，為其極限承載狀態(tài)，樁端擴(kuò)大頭直徑越大，樁基極限承載力越大。當(dāng)擴(kuò)徑率等于1.0時(shí)(不擴(kuò)徑)極限承載力僅為2 640 kN，當(dāng)擴(kuò)徑率w＝1.3、1.6時(shí)，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(kuò)大頭的預(yù)鉆根植樁的抗壓極限承載力分別提高了8.5%、15.53%。不同擴(kuò)徑率w條件下抗壓極限承載性能對(duì)比分析見表5。另外，相同荷載條件下，擴(kuò)大頭直徑越大，其位移越小。因此，預(yù)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(jié)束語

為了了解預(yù)鉆根植竹節(jié)樁的豎向抗壓承載性能，進(jìn)行了相同規(guī)格、相同持力層的3根工程樁現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試試驗(yàn)，獲得在設(shè)計(jì)預(yù)估最大試驗(yàn)荷載范圍內(nèi)的樁頂荷載-沉降曲線，并通過指數(shù)擬合獲取各樁的極限抗壓承載力。同時(shí)，基于ABAQUS建立預(yù)鉆根植竹節(jié)樁的三維模型研究樁端擴(kuò)徑率對(duì)抗壓承載力的影響，得到以下結(jié)論:

(1)在施加到最大樁頂荷載時(shí)，樁頂沉降量最大。經(jīng)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(rèn)為樁的豎向抗壓極限承載力大于各樁的最大豎向試驗(yàn)靜載荷。

(2)通過指數(shù)函數(shù)擬合方法對(duì)試驗(yàn)樁的極限抗壓承載力進(jìn)行預(yù)測(cè)分析，考慮到試驗(yàn)誤差的影響，保守認(rèn)為試驗(yàn)樁的極限抗壓承載力為2 800 kN。

(3)根據(jù)不同擴(kuò)徑率下的預(yù)鉆根植樁抗壓承載力計(jì)算結(jié)果，認(rèn)為預(yù)鉆根植樁樁端擴(kuò)徑率和樁基極限承載力成正比；同時(shí)，擴(kuò)徑率越大，樁端承載變形性能越好。