地基預(yù)壓對樁基承載性狀影響分析

蔡晨雨，蘇俊劍

（中交上海航道勘察設(shè)計研究院有限公司，上海 200120）

引言

當天然地基上的淺基礎(chǔ)所提供的承載力不能滿足設(shè)計要求或沉降過大時，往往采用樁基礎(chǔ)。樁基礎(chǔ)的應(yīng)用歷史悠久，我國古代許多著名建筑如秦代的渭橋、隋朝的鄭州超化寺、五代的杭州灣海堤以及上海的龍華寺等都是應(yīng)用樁基的典范[1]。在近現(xiàn)代，隨著科學(xué)技術(shù)和經(jīng)濟建設(shè)的飛速發(fā)展，高層、超高層建筑和大跨度橋梁以及大型的水利水運工程迅速增多，樁基礎(chǔ)更是得到了廣泛的應(yīng)用。

樁基在施工和使用階段，往往會承受各種各樣不同的工況。比如許多港口、碼頭、道路堆場施工前期都會對地基進行預(yù)壓處理，若地基處理后再進行樁基布置，勢必會對樁基礎(chǔ)的承載力造成較大的影響。針對此問題，本文基于有限元軟件ABAQUS對單樁及群樁在地基預(yù)壓工況下的豎向受力進行模擬分析。通過堆載預(yù)壓地基的范圍和堆載大小來研究超長樁在豎向荷載作用下承載力、樁頂Q-S 曲線、樁側(cè)摩阻力的變化。

1 模型的建立

本文基礎(chǔ)模型為樁長 L 為 70 m，樁徑 d 為 850 mm 的有限元模型，模型的尺寸、材料數(shù)據(jù)及模型驗證數(shù)據(jù)分別參考上海地區(qū)的實際工程試樁的尺寸、材料及試驗結(jié)果數(shù)據(jù)[2-4]。具體樁、土參數(shù)、模型建立方法、模型正確性驗證結(jié)果和單樁模型圖見文獻[5-8]。群樁模型網(wǎng)格圖見圖1。

圖1 群樁有限元模型網(wǎng)格圖Fig.1 Mesh of the soil and piles

本文進行預(yù)壓地基時不考慮土體的固結(jié)。對單樁直接在樁周土體表面施加不同大小的壓強模擬堆載，堆載范圍為邊長D 的取值分別為10 m、20 m、30 m，堆載q 的取值分別為50 kPa、100 kPa、150 kPa、200 kPa，示意圖如圖2 所示。

圖2 單樁預(yù)壓地基模型圖示Fig.2 Preloaded subgrade model of single pile

對群樁堆載范圍邊長D 的取值分布為20 m、40 m、60 m 堆載q 的取值分布為50 kPa、100 kPa、150 kPa、200 kPa，示意圖如圖3 所示。

圖3 群樁預(yù)壓地基模型圖示Fig.3 Preloaded subgrade model of group piles

堆載的施加在地應(yīng)力步完成后進行，堆載預(yù)壓完成后再進行樁頂荷載的施加。由于土體在進行堆載預(yù)壓后樁基承載力有所提高，計算時將樁頂最大荷載施加至22 000 kN。

2 計算結(jié)果分析

2.1 單樁模型計算結(jié)果

1）樁頂荷載沉降Q-S 曲線分析

圖4 為推載q=100 kPa 時，不同堆載范圍邊長情況下預(yù)壓地基中樁基的樁頂Q-S 曲線對比圖。樁頂荷載較小時，堆載預(yù)壓對樁頂沉降影響較小，當樁頂荷載逐漸增加時，可以看出預(yù)壓明顯減少了樁頂沉降，且在預(yù)壓堆載大小相同時，堆載范圍越大，樁頂沉降減少量越多。

圖4 不同堆載范圍邊長情況下樁的Q-S 曲線對比圖Fig.4 Comparison of Q-S curve under the condition of different preload side

圖5 為不同堆載大小情況下，預(yù)壓地基中樁基的樁頂Q-S 曲線對比圖。其中圖5（a）、圖5（b）、圖5（c）分別對應(yīng)的堆載范圍邊長D 為10 m、20 m、30 m。從圖中看出，當堆載范圍的邊長固定時，對土體施加的堆載壓力越大，樁頂?shù)腝-S 曲線越平緩，即樁基的承載性能越好。當樁頂荷載水平較低時，預(yù)壓對樁頂沉降的影響較小，隨著樁頂荷載的增加，可以看出堆載對樁頂沉降的減少作用也越明顯。對比普通樁和各等級堆載大小下樁基極限沉降時的樁頂荷載：對于圖5（a），堆載每增加50 kPa，樁頂荷載分別增加為普通樁樁頂荷載的8.98 %、11.47 %、12.83 %、14.26 %；對圖5（b），相應(yīng)的比例為 10.76 %、13.38 %、15.54 %、17.34 %；對圖 5（c），該比例為 13.22 %、16.18 %、18.75 %、20.72 %，說明堆載范圍邊長較小時，堆載大小的增加對樁頂沉降的減小作用較不明顯，隨著堆載范圍邊長的增加，堆載大小的增加對樁頂沉降減小的作用越來越明顯，即對土體進行預(yù)壓時要合理的配置堆載的范圍和堆載大小。

圖5 不同堆載大小下樁的荷載沉降曲線對比圖Fig.5 Comparison of Q-S curve under the condition of different preload

2）樁側(cè)摩阻力曲線分析

堆載對土體的影響一般隨著深度的加大而減弱，因此預(yù)壓地基對樁基礎(chǔ)承載力的影響主要體現(xiàn)在對樁體上段樁側(cè)摩阻力的影響上。圖6 為堆載范圍邊長D=20 m，堆載大小q=100 kPa 時各級樁頂荷載下對應(yīng)的樁側(cè)摩阻力分布圖。

圖6 各級荷載下預(yù)壓地基樁側(cè)摩阻力分布圖Fig.6 Distribution of preloaded pile’s skin friction under different axial load

從圖中可以看出，對土體進行預(yù)壓后，在土體表面附近樁側(cè)摩阻力明顯得到提升，在土體深度7 m 到15 m 處，樁側(cè)摩阻力的強化效果明顯減弱，從第三章建模時采用的土體參數(shù)可知，該深度處的土體性質(zhì)較差，說明預(yù)壓效果受土體性質(zhì)影響較大。將上圖中樁頂荷載v=16 200 kN 時的側(cè)摩阻力曲線和普通樁在同樣樁頂荷載時的樁側(cè)摩阻力曲線作對比如圖7 所示。圖7 在該荷載下，普通樁的樁側(cè)摩阻力已達到極限值，而承受相同荷載時，預(yù)壓地基后樁基的側(cè)摩阻力在樁身下部還沒有完全發(fā)揮，雖然樁身上段樁側(cè)摩阻力也達到了極限值，但明顯經(jīng)過預(yù)壓處理后樁身上段的極限側(cè)摩阻力得到了提高，這部分高出的側(cè)摩阻力就是樁基沉降減少的原因。

圖7 v=16 200 kN 時預(yù)壓樁和普通樁側(cè)摩阻力對比圖Fig.7 Comparison of preloaded and normal pile under load v=16 200 kN

圖8為樁頂荷載v=16 200 kN，預(yù)壓堆載q=100 kPa 時，堆載范圍邊長D 不同時的樁側(cè)摩阻力對比圖。此時樁體上部的側(cè)摩阻力都以達到極限值，從圖中可以看出，在堆載相同時，堆載范圍越大，對樁身上段極限樁側(cè)摩阻力的值提高越大，而隨著深度的加深，堆載預(yù)壓對樁側(cè)摩阻力的強化相應(yīng)逐漸減弱，在樁身中部預(yù)壓地基中的樁和普通樁的樁側(cè)摩阻力力極限值相同。在樁身下部，堆載范圍邊長D 越大樁側(cè)摩阻力越小，即樁側(cè)摩阻力可以抵抗更高的樁頂荷載。

圖8 不同預(yù)壓范圍下樁側(cè)摩阻力對比圖Fig.8 Comparison of pile’s skin friction under different preload area

圖9 為樁頂荷載v=16 200 kN，堆載范圍邊長D=20 m 時，不同預(yù)壓堆載q 對應(yīng)的的樁側(cè)摩阻力對比圖。從圖中可以看出，堆載q 越大，對樁身上段樁側(cè)摩阻力極限值提高幅度越大，尤其是在較淺土層，堆載對樁側(cè)摩阻力的提高作用非常明顯。隨著土體深度加深，該增強效應(yīng)逐漸減弱。而且在土體性質(zhì)較差的土層處側(cè)摩阻力加強效應(yīng)明顯減弱。在樁身下段，由于樁體上部平衡了較大的樁頂荷載，所以下側(cè)摩阻力仍有較大發(fā)揮余地。

圖9 不同堆載大小下樁側(cè)摩阻力對比圖Fig.9 Comparison of pile’s skin friction under different surcharge

2.2 群樁模型計算結(jié)果

圖10 為D=40 m，q=100 kPa 時堆載預(yù)壓地基后樁與土體的豎向位移云圖。可以看出在堆載范圍內(nèi)及其外圍一定距離區(qū)域，由于堆載的作用土體的發(fā)生了明顯的下沉，說明圖中應(yīng)力較初始狀態(tài)有所增加，從而樁側(cè)摩阻力也會受到影響。

圖10 堆載預(yù)壓地基的豎向位移云圖Fig.10 The vertical displacement contours of preload subgrade

1）樁頂荷載沉降Q-S 曲線分析

圖11 為樁距w=3 d，q=100 kPa 時不同堆載范圍邊長情況下預(yù)壓地基中樁基的樁頂Q-S 曲線對比圖，圖11（a）、圖11（b）、圖11（c）分別為角樁、邊樁、中樁的樁頂Q-S 曲線。對角樁和邊樁，在同一預(yù)壓荷載下，堆載范圍的邊長越大，樁基的Q-S 曲線越平緩，即承載性能越好，當樁頂沉降S=60 mm 時，未進行地基預(yù)壓和地基預(yù)壓范圍邊長D=20 m、40 m、60 m 時，角樁的樁頂荷載分別為14 850 kN、15 860 kN、16 490 kN、16 925 kN，相應(yīng)增長率分別為6.8 %、11.04 %、13.97 %；相應(yīng)條件下邊樁的樁頂荷載為14 215 kN、14 865 kN、15 460 kN、15 780 kN，增長率分別為4.57 %、8.76 %、11.01 %，所以堆載范圍變化對角樁的影響明顯強于邊樁。從圖11（c）可以看出，預(yù)壓堆載范圍邊長的變化對中樁樁頂Q-S 曲線幾乎沒有影響。

圖11 不同堆載范圍邊長情況下群樁的Q-S 曲線對比圖Fig.11 Comparison of Q-S curve under the condition of different preload side

圖12 為樁距w=3 d，堆載范圍邊長D=40 m 時，不同堆載大小情況下預(yù)壓地基中群樁的樁頂Q-S 曲線對比圖。由圖中可以看出，樁頂沉降s=60 mm，堆載大小分別為q=50 kPa、100 kPa、150 kPa、200 kPa 時，角樁承受荷載分別為15 635 kN、16 080 kN、16 335 kN、16 630 kN，相較未進行地基預(yù)壓中的樁頂荷載分別增加5.29 %、8.28 %、10 %、11.99 %；邊樁承受荷載分別為14 800 kN、5 190 kN、15 460 kN、15 835 kN，相較未進行地基預(yù)壓中的樁頂荷載分別增加4.15 %、6.9 %、.8 %、11.44 %，所以預(yù)壓堆載的增加對角樁和邊樁的承載力均有一定程度的增大作用，同時在相同堆載增加情況下，角樁承載力的提高程度要高于邊樁。由圖(c)可以看出，對于中樁而言，堆載大小的變化所對應(yīng)的樁頂Q-S 曲線與未進行堆載預(yù)壓的Q-S 曲線基本重合，說明堆載大小變化對中樁的承載力幾乎沒有影響。

圖12 堆載大小不同時群樁樁頂荷載沉降曲線對比Fig.12 Comparison of Q-S curve under the condition of different preload

2）樁側(cè)摩阻力曲線分析

圖13 為樁距w=3 d，樁頂荷載v=14 400 kN時，未進行地基預(yù)壓的群樁基礎(chǔ)和地基預(yù)壓范圍邊長D=40 m，堆載q=100 kPa 的預(yù)壓地基中的群樁的樁側(cè)摩阻力對比圖。從圖中可以看出，地基預(yù)壓后角樁和邊樁在樁身上段的樁側(cè)摩阻力較未進行地基預(yù)壓的角樁和邊樁的樁側(cè)摩阻力明顯增加。而對于中樁而言，地基預(yù)壓后其樁側(cè)摩阻力的發(fā)揮程度反而有所減小，說明地基預(yù)壓對角樁和邊樁的樁側(cè)摩阻力有增強作用，而對中樁影響較小。

圖13 未預(yù)壓地基和預(yù)壓地基中的群樁樁側(cè)摩阻力對比圖Fig.13 Comparison of pile’s skin friction of piles in unpreloaded subgrade and preloaded subgrade

圖14 為樁距w=3 d，樁頂荷載v=14 400 kN，預(yù)壓堆載q=100 kPa 時，堆載范圍邊長D 不同時的群樁角樁樁側(cè)摩阻力對比圖。可以看出堆載范圍越大，樁身上段25 m 范圍內(nèi)的樁側(cè)摩阻力極限值越大，而深度繼續(xù)加深時地基預(yù)壓對樁側(cè)摩阻力則不再有增強的效果。

圖14 不同預(yù)壓范圍下角樁樁側(cè)摩阻力對比圖Fig.14 Comparison of corner pile’s skin friction under different preload area

圖15 為樁距w=3 d，樁頂荷載v=14 400 kN，堆載范圍邊長D=40 m 時，不同大小堆載q 對應(yīng)的群樁角樁樁側(cè)摩阻力對比圖。從圖中可以看出，堆載q 越大，樁身上段樁側(cè)摩阻力極限值太高越大，且在土體淺層樁側(cè)摩阻力提高程度非常明顯。堆載范圍和堆載量的增加無論為群樁還是單樁都明顯的提高了樁身上段的樁側(cè)摩阻力，但分別對比圖8與圖14，圖9 與圖15 可發(fā)現(xiàn)，堆載預(yù)壓對單樁樁側(cè)摩阻力的提高程度要強于群樁，說明群樁效應(yīng)的存在減弱了堆載預(yù)壓地基對樁承載力提高的作用。

圖15 不同堆載大小下角樁樁側(cè)摩阻力對比圖Fig.15 Comparison of corner pile’s skin friction under different surcharge

3 結(jié)語

本文利用ABAQUS 有限元軟件對地基預(yù)壓后的樁基承載性狀進行研究，得出結(jié)論如下：

1）堆載預(yù)壓地基可以提高樁基承載力，提高程度隨著堆載大小和堆載范圍的增大而增大。堆載范圍邊長較小時，堆載大小的增加對樁頂沉降的減小作用較不明顯，隨著堆載范圍邊長的增加，堆載大小的增加對樁頂沉降減小的作用越來越明顯。

2）堆載預(yù)壓地基后，樁側(cè)摩阻力會因樁周土體應(yīng)力增加而得到明顯強化，但預(yù)壓對樁側(cè)摩阻力的增大效果受到土體性質(zhì)的影響，且堆載對土體的影響一般隨著深度的加大而減弱，因此預(yù)壓地基對樁基礎(chǔ)承載力的影響主要體現(xiàn)在對樁體上段樁側(cè)摩阻力的影響上。

3）地基經(jīng)過預(yù)壓后，群樁的角樁和邊樁的承載性能有所提高，而預(yù)壓地基對中樁的承載力幾乎沒有影響；堆載范圍邊長和預(yù)壓堆載的增加會明顯提高群樁樁身上段的樁側(cè)摩阻力，但與單樁相比，群樁效應(yīng)的存在減弱了堆載預(yù)壓地基對樁側(cè)摩阻力的提高作用。