橋梁鉆孔灌注樁單樁靜載試驗(yàn)數(shù)值仿真研究

白利剛

（大同高速公路管理有限公司,山西 大同 037000）

0 引言

隨著我國(guó)基礎(chǔ)建設(shè)的發(fā)展和交通運(yùn)輸行業(yè)的需要，橋梁工程越來(lái)越大，大直徑鉆孔灌注樁是橋梁工程地基處理中的有效手段。對(duì)樁體極限承載力的研究一直是研究的難點(diǎn)與重點(diǎn)[1-2]。

王述紅等[3]考慮土體的連續(xù)性，對(duì)樁體承載力自平衡法進(jìn)行了研究。馬甲寬等[4]基于太沙基極限平衡理論，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)等手段，對(duì)多種破壞模式下的螺紋樁承載力進(jìn)行了計(jì)算。黃河等[5]通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)，研究了竹筋格柵套筒加筋碎石樁承載力。陳濤等[6]考慮巖溶的影響，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)等手段研究了巖溶地區(qū)嵌巖樁樁身承載力的分布規(guī)律。

王國(guó)才等[7]通過(guò)數(shù)值模擬手段，對(duì)豎向荷載作用下螺紋樁的承載能力和群樁效應(yīng)進(jìn)行了研究。董建松等[8]依托實(shí)際工程案例，優(yōu)化了特大巖溶空洞下的樁基施工技術(shù)。在此基礎(chǔ)上，該文針對(duì)橋梁鉆孔灌注樁單樁極限承載力進(jìn)行研究，依托實(shí)際工程案例，進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)靜載試驗(yàn)，并通過(guò)有限元軟件建立樁基模型進(jìn)行數(shù)值仿真，對(duì)樁基沉降、樁身軸力分布、承載力組成和極限承載力大小進(jìn)行了研究。

1 工程概況

該文依托某高速公路擴(kuò)建工程項(xiàng)目，該項(xiàng)目包含橋梁13 座，全長(zhǎng)13 km。樁基礎(chǔ)主要選用鉆孔灌注樁，穿越底層主要為不具濕陷性的黃土層，試驗(yàn)區(qū)主要土層物理指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 主要土層物理指標(biāo)

為了研究該工程的結(jié)構(gòu)和地質(zhì)特性，首先通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)靜載試驗(yàn)對(duì)鉆孔灌注樁的承載特性進(jìn)行了研究；其次通過(guò)有限元方法對(duì)單樁靜載試驗(yàn)進(jìn)行了分級(jí)加載數(shù)值仿真模擬。

2 單樁豎向靜載試驗(yàn)

通過(guò)設(shè)置1 根30 m 的試樁進(jìn)行靜載試驗(yàn)，布置4 根樁長(zhǎng)與試樁相同的錨固樁，即“四錨一”。根據(jù)規(guī)范要求，錨樁與試樁的間距設(shè)為3.4 m。樁徑均為1.5 m，采用C30 混凝土澆筑，試樁樁頂0.5 m 范圍內(nèi)承臺(tái)采用C40混凝土澆筑，錨樁樁頂與地面平齊，試樁樁頂高出錨樁0.5 m。根據(jù)地勘資料，初步判定該試樁為摩擦型樁。

如圖1 所示展示了試樁的Q-s曲線。從圖中可以看出，隨著豎向荷載的施加，試樁沉降隨之增大。在豎向荷載增加到18 000 kN 時(shí)，由于反力梁發(fā)生撓度變形以及錨拔連接器出現(xiàn)松動(dòng)、脫落，故而終止加載。當(dāng)豎向荷載加載到18 000 kN 時(shí)，樁頂沉降量約為28.4 mm，卸載后，最大回彈量達(dá)到了9.4 mm，回彈率為33.1%。

圖1 試樁Q-s 曲線

3 單樁靜載試驗(yàn)數(shù)值仿真

3.1 有限元數(shù)值模型建立

為進(jìn)一步研究鉆孔灌注樁的單樁靜載承載力特征，該文通過(guò)有限元軟件進(jìn)行了單樁靜載試驗(yàn)數(shù)值仿真。樁體本構(gòu)模型選用各向同性線彈性模型。根據(jù)以往模擬以及實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，土體本構(gòu)模型選用摩爾—庫(kù)倫模型。

根據(jù)上述靜載試驗(yàn)，建立“四錨一”布置的樁土模型進(jìn)行靜載試驗(yàn)，試樁和錨樁的樁長(zhǎng)均為30 m，直徑為1.5 m，如表2 所示為數(shù)值模型材料參數(shù)。

表2 模型材料參數(shù)

試樁加載從3 000 kN 開(kāi)始以1 500 kN 為步長(zhǎng)進(jìn)行加載。考慮錨樁受拉上拔對(duì)試樁的影響，對(duì)荷載狀態(tài)進(jìn)行了定義，分別為初始地應(yīng)力平衡狀態(tài)、單樁受壓狀態(tài)和錨樁受拉狀態(tài)。忽略反力裝置在反力傳遞過(guò)程中自身的損耗情況，數(shù)值模型見(jiàn)圖2。

圖2 模型網(wǎng)格劃分

3.2 結(jié)果分析與討論

3.2.1 模型驗(yàn)證

如圖3 所示，展示了有無(wú)錨樁兩種模型模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比情況。從圖中可以看出，隨著豎向荷載的施加，樁頂沉降隨荷載大小變化趨勢(shì)和數(shù)值大小，兩模型與實(shí)測(cè)值均較為接近。

圖3 兩種模型模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比

相比較而言，無(wú)錨樁模型沉降計(jì)算結(jié)果偏大，表明錨樁的存在，有效抑制了樁周土體變形，對(duì)樁體形成了約束力，進(jìn)而導(dǎo)致沉降減小。從樁體沉降而言，樁體沉降隨荷載呈現(xiàn)指數(shù)型增加趨勢(shì)，尤其是在20 000 kN 之后，樁體沉降速率大幅加快。

3.2.2 樁身內(nèi)力分布

如圖4 所示，展示了不同荷載等級(jí)下樁身內(nèi)力隨深度變化情況。從圖4(a)中可以看出，樁身軸力隨著深度的增加不斷衰減。樁身軸力與荷載大小呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系。荷載較低時(shí)，樁身軸力隨深度變化呈直線，隨著荷載的增加，樁身軸力隨深度增加其下降速度呈現(xiàn)先慢后快的趨勢(shì)。在深度達(dá)到30 m 時(shí)，各荷載等級(jí)下的樁身軸力差異不大。這是由于樁身會(huì)產(chǎn)生側(cè)摩阻力，隨著深度的增加，側(cè)摩阻力不斷加大，對(duì)傳遞過(guò)來(lái)的上部荷載進(jìn)行抵消，因此呈現(xiàn)出上述現(xiàn)象。

圖4 不同加載大小下樁身內(nèi)力分布

從圖4(b)中可以看出，樁側(cè)摩阻力隨著荷載的增加而增大，與施加荷載大小呈現(xiàn)正相關(guān)趨勢(shì)。在深度較淺時(shí)，側(cè)摩阻力隨深度增加而增大，后保持穩(wěn)定。在樁身上部，側(cè)摩阻力隨深度增加而逐漸增大，在淺部土層側(cè)阻力增大至接近極限后保持穩(wěn)定。而在樁身中下部，裝測(cè)阻力達(dá)到峰值。在樁身下部及樁端位置處，部分側(cè)摩阻力沿深度方向減小，而由于樁端土體對(duì)樁產(chǎn)生擠密作用，使得樁側(cè)摩阻力出現(xiàn)一定程度的強(qiáng)化，因而在樁端位置處亦出現(xiàn)不同程度的增大。整體而言，隨著荷載的增大，樁側(cè)摩阻力曲線中心向下偏移，基本呈現(xiàn)“單峰狀”分布。

3.2.3 樁側(cè)摩阻力

如圖5 所示，展示了各土層樁側(cè)摩阻力隨相對(duì)位移變化曲線。從圖中可以看出，隨著相對(duì)位移的增大，樁側(cè)摩阻力呈現(xiàn)出先增大后趨于穩(wěn)定的一般性規(guī)律。相比較而言，土層1 和土層2 在側(cè)摩阻力增加到峰值點(diǎn)后出現(xiàn)了一小部分的衰減后趨于穩(wěn)定。從數(shù)值而言，土層3的側(cè)摩阻力最大，其次為土層2，樁側(cè)摩阻力最小的為土層1，這也對(duì)應(yīng)了該文樁側(cè)摩阻力隨深度變化所展現(xiàn)出的規(guī)律。

圖5 樁側(cè)摩阻力隨相對(duì)位移變化曲線

4 結(jié)語(yǔ)

為研究橋梁鉆孔灌注樁單樁極限承載力，該文依托實(shí)際工程案例，進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)靜載試驗(yàn)。基于此，通過(guò)有限元軟件建立樁基模型進(jìn)行數(shù)值仿真，對(duì)樁基沉降、樁身軸力分布、承載力組成和極限承載力大小進(jìn)行了研究，得出主要結(jié)論如下：

（1）當(dāng)試樁豎向荷載加載到18 000 kN 時(shí)，樁頂沉降量約為28.4 mm。根據(jù)曲線變形規(guī)律，可判斷試樁Q-s變形曲線為緩變型曲線。

（2）數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)值吻合較好，表明該樁基模型在參數(shù)設(shè)定、材料本構(gòu)模型選取、邊界條件以及模型劃分方面是較為合理、有效的。

（3）樁體沉降隨荷載呈現(xiàn)指數(shù)型增加趨勢(shì)，在施加荷載較低時(shí)，沉降隨荷載增加變化速度較慢，而隨著荷載的提高，尤其是在20 000 kN 之后，樁體沉降速率大幅加快。

（4）在加載至接近20 000 kN 時(shí)，樁側(cè)摩阻力趨于重合，而沉降達(dá)到了40 mm，且增加速率較快，因此可以判定試樁的極限承載力約為20 000 kN。