不考慮樁端承力的錨樁法新工藝試驗研究

陳雪峰 王京杭， 孫立山 趙標

1.中鐵橋隧技術有限公司，南京 210061；2.中鐵大橋勘測設計院集團有限公司，武漢 430050

基樁靜載豎向抗壓檢測是基樁承載力的主要檢測方法，根據反力提供方式不同，分為錨樁法、堆載法、錨樁加配重法［1］三種基樁傳統加載方法。該類方法對小噸位基樁適用性強，但對大噸位基樁而言，其承載能力過高，導致成本過高、工期長、安全隱患大。因此，基于文獻［2］的專利提出了不考慮端承型樁的樁端承力轉而測試其樁側摩阻力這一新工藝，僅以理論值計入樁端承力，但新工藝受錨樁橫梁反力裝置試驗噸位的限制，無法測出極限樁側摩阻力。

國內制作錨樁法試樁時錨樁數量一般不低于4根，當試驗荷載較大時需要6根甚至更多數量的錨樁。宜賓臨港大橋試樁根據文獻［3］進行端承型樁設計，屬于大噸位基樁。試驗荷載反力由錨樁橫梁反力裝置提供，裝置反力由2根錨樁抗拔力提供，與扁擔梁原理相似。試驗荷載依據試樁承載能力設計，而試樁承載能力由樁端承力與樁側摩阻力兩部分組成，新工藝不考慮樁端承力，僅測試樁側摩阻力，大幅降低試樁工程中的試驗噸位。本文采用三維連續介質快速拉格朗日法（FLAC3D軟件）對試樁進行數值模擬，將位移模擬結果與試驗結果進行對比分析，驗證新工藝在實際工程中的適用性。

1 試樁工況

臨港大橋為平層公鐵兩用斜拉橋，采用半漂浮支撐體系，雙塔雙索面，位于四川省宜賓市境內，連接宜賓北岸臨港區和南岸翠屏區，為長江宜賓段上的第三座大橋。為了驗證地勘資料中各項物理力學指標的真實性與可靠性，指導工程樁施工，分別在北岸和南岸各做一組試樁。每組試樁共有5根鉆孔灌注樁，包括3根錨樁與2根試樁，其中1根樁為共用錨樁［4］。兩岸試樁、錨樁信息見表1，平面位置見圖1。

表1 兩岸試樁、錨樁參數

圖1 兩岸試樁、錨樁平面位置（單位：mm）

為了防止試樁樁頭發生破壞，每根試樁都設置了承臺，以抵抗較強的試驗荷載。每個承臺采用高強度的C45混凝土澆筑，尺寸為1 800 mm（長）×1 800 mm（寬）×1 800 mm（高），承臺中心與試樁截面中心共線。為了將作用荷載轉換成均布荷載，在承臺頂面放置調平鋼板，尺寸為1 500 mm（長）×1 500 mm（寬）×24 mm（厚）。因鄰近同一個地質鉆探孔號的兩根試樁樁周土地層巖性較為接近，挑選北岸的試樁1建立三維模型，驗證新工藝的可行性。承臺、試樁1與樁周各土層物理力學參數見表2。

表2 承臺、試樁1與樁周各土層物理力學參數

2 新工藝

每根試樁配置2根錨樁，試樁樁頂截面中心點應與錨樁樁頂截面主筋中心點的平面投影位于一條直線上。試樁千斤頂加載時，千斤頂合力中心點應與試樁樁頂截面中心重合。試樁和錨樁中任何一個樁中心點與其他兩個樁中心點所在鉛垂面的容許平面偏差不得大于3.0 cm。共用錨樁的兩組試樁中心連線的夾角偏差應不大于0.9°［4］，新工藝采用的錨樁橫梁反力裝置立面見圖2，可在南北兩岸的4根試樁之間重復使用，不受氣候條件、現場條件、人員等的影響，工作效率高，方便快捷。

圖2 錨樁橫梁反力裝置立面布置（單位：mm）

樁身鋼筋籠底部構造見圖3。不考慮樁端承力的影響，為保證樁側摩阻力的測試效果，試樁的孔底高程應比設計值低50 cm。當試樁成孔后，將沉渣厚度控制在25 cm。為了消除樁身混凝土首次灌注時對EPS板（直徑115 cm，厚200 mm）的沖擊荷載或后期澆筑完成后混凝土自重的影響，以免EPS板變形損壞喪失保護效果，在樁身鋼筋籠底部設置鋼墊板（直徑115 cm，厚度50 mm）。當樁身鋼筋籠整體下放到位后通過懸吊裝置固定住，在懸吊狀態下澆筑樁身混凝土。樁身混凝土澆筑完成后，需要靜置7 d，且混凝土強度達到設計強度的80%后方可卸除懸吊裝置［2］。

圖3 樁身鋼筋籠底部構造大樣（單位：mm）

3 單樁FLAC3D數值模擬

3.1 計算模型

在實際工程中，土體強度遠小于樁體，樁-土體系在荷載作用下土體先破壞，而此時樁體還處在彈性工作階段。承臺不與土體相接觸，完全暴露在空氣中，而基樁與EPS板置身于土體中，以試樁1為對象建立三維模型。假定土體的塑性行為符合理想彈塑性關系，不產生硬化或軟化現象，土體的屈服準則采用Mohr-Coulomb模型，承臺、樁體、EPS板為均質彈性體。FLAC3D模型軸線平行于z軸，坐標軸原點位于試樁1樁頂截面中心點處。

3.2 網格劃分及接觸面

承臺采用六面塊體網格，試樁1與EPS板采用柱體網格，樁周土采用柱體隧道外圍漸變放射網格，環繞著樁體與EPS板。對模型進行網格劃分時，靠近樁體處密、遠離樁體處疏［5］。

為模擬樁-土在荷載作用下的實際變形情況，準確反映樁-土之間的相互作用，在樁-土之間加入接觸面單元，分別建立Zhuangce與Zhuangduan兩個接觸面單元，模擬樁側與各土層、樁端與持力層之間的相對位移［6］。接觸面單元需要依附獨立單元體的表面才會生成。接觸面的生成通常采用移去移回法，即在設置完接觸面單元后，先將已依附接觸面單元的一側模型移開，然后將另一側模型建立好后移回來。

3.3 邊界條件

根據實際受力情況，將計算模型側面和底部的法向位移固定，承臺頂面法向位移自由。即模型的頂面是一個自由面，模型的底面固定于z軸負方向，在模型的側面設置邊界條件進行約束。

3.4 計算參數選取

在FLAC3D軟件中主要有6個接觸面單元參數，分別為法向剛度、切向剛度、黏聚力、內摩擦角、剪脹角、抗拉強度。其中法向剛度、切向剛度是必須輸入項，取值可按下式［7］確定。

式中：kn為法向剛度；ks為切向剛度；E和μ分別為接觸面依附單元體的最小彈性模量與泊松比；ΔSmin為接觸面單元法向上相鄰單元體的最小尺寸，無量綱。

對于現場澆注的樁，由于樁-土之間接觸面比較粗糙，摩擦特性好，因此接觸面上的黏聚力和內摩擦角均取接觸面相鄰土層黏聚力和內摩擦角的80%左右［8］。

試樁1樁周各土層層厚見表3。接觸面參數見表4。

表3 試樁1樁周各土層層厚 m

3.5 監測點布置

①監測試樁1頂端位移，三維坐標點為（0.6，0，0）。②監測EPS頂板中心點（近似認為在試樁1底端中心）的位移，三維坐標點為（0，0，-15.8）。

為了使監測的曲線更光滑，每隔1步監測1次。

3.6 數值模擬結果

不考慮樁端承力后，試樁1的樁側摩阻力極限值為24.881 MN，錨樁法最大試驗值按30 MN考慮，分10級加載，分級荷載為3 MN。利用FLAC3D軟件的切片功能得到試樁1豎向位移云圖，見圖4。可知，試樁1的豎向位移只在樁周2～3 m對各土層造成影響，說明試樁1的樁側摩阻力逐漸發揮作用，擴大了樁周土的塑性區范圍，增加了塑性位移，且試樁1頂端附近的土層位移較大，底端最小。

圖4 試樁1豎向位移云圖（單位：m）

試樁1頂端應力-位移關系見圖5。可知，監測點的應力-位移曲線沒有明顯的拐點和陡降段，為緩變型，符合慢速維持荷載法的特征，與試樁1采用慢速維持荷載法的特征一致，說明所建模型合理。

圖5 試樁1頂端應力-位移關系

EPS頂板中心點應力-位移關系見圖6。可知，從第7級分級荷載開始位移增加，出現拐點和陡降段，加載到后期位移仍趨于穩定，但EPS頂板中心點的最大位移依舊很小，約為1.41 mm，而EPS板厚度為200 mm，壓縮變形率約為0.71%。此時，EPS板仍處于彈性壓縮階段，絕大部分豎向試驗荷載通過樁側摩阻力以剪應力的形式傳遞到樁周土體中，只有極小一部分豎向試驗荷載傳遞到EPS板上（近似認為是樁底），因而產生的壓縮變形很小，遠小于極限壓縮量。樁端承力相較于真實值而言，可以忽略不計。

圖6 EPS頂板中心點應力-位移關系

4 數值模擬值與試驗值對比分析

在試樁1的頂端兩側安裝4個位移計，每側各2個。2018年11月23日試樁1現場工作準備完畢進行試驗加載。加載到最大試驗荷載30 MN，試樁1沒有破壞，位移穩定則終止加載。采用逐級等量加載方式，分級荷載宜為最大加載量或預估極限承載力的1/10，其中第一級可取分級荷載的2倍。提取從第2級開始直至第10級分級荷載達到相對收斂標準時的位移實測值與數值模擬值進行對比，見圖7。

圖7 位移實測值與數值模擬值對比曲線關系

由圖7可知：位移實測值與數值模擬值變化規律基本一致，沒有發生突變現象。數值模擬值比實測值略高的原因可能是在建模過程中承臺、基樁與樁周土體的模擬采用簡化模型，而實際工程情況復雜。試樁1實測位移點4的最大位移為11.69 mm，根據文獻［9］進行評估，試樁1遠沒有達到破壞狀態。

試樁1加載到最后一級位移穩定，實測樁側摩阻力并非極限值，樁側摩阻力實測值與地勘值對比見圖8。可知，除了粉質黏土層的樁側摩阻力實測值與地勘值接近以外，其他三個土層差別很大。與地勘值相比，實測值成倍增加，尤其在試樁1持力層（弱風化灰色砂巖），相差超8倍，說明文獻［4］樁側摩阻力的取值過于保守。

宜賓臨港大橋南北兩岸共有4根試樁，新工藝采用的錨樁橫梁反力裝置，雖然前期一次性投入較大，但可以在4根試樁之間反復使用，也可在其他錨樁法試樁上重復利用，不受氣候條件、現場條件、人員等的影響，工作效率高，方便快捷，體現出了一定的經濟性。新工藝不考慮樁端承力，僅測試樁側摩阻力，受錨樁橫梁反力裝置試驗噸位的限制，雖然無法測出極限樁側摩阻力，但是可以大幅降低試樁工程中的試驗噸位，從而降低工程風險和工程成本，提高工程試樁成功率與樁側摩阻力測試的準確性，為設計單位優化樁長提供真實有效的試驗數據。

圖8 樁側摩阻力實測值與地勘值對比

5 結語

經工程實踐證明，不考慮樁端承力的錨樁法工藝方便可行，為大噸位基樁靜載試驗提供了新的思路，增加了傳統加載方法的應用范圍，提高了對大噸位基樁的適用性。