鉆孔灌注樁單樁豎向極限承載力敏感性分析

劉烜

摘要：為研究在軟土地區鉆孔灌注樁單樁的豎向極限承載力及其對各種環境干擾因子的敏感性，采用有限元法，對尼日利亞拉各斯阿利莫修 1.57km路橋樁基結構進行研究。分析不同地層、不同樁長樁頂荷載下的樁沉降情況，以及不同樁長時所對應的單樁極限強度、樁極限沉降能力和單樁側摩壓力等主要技術指標。計算結果表明：樁頂荷載較小時，樁處于彈性階段，隨著樁頂荷載的不斷增大，樁沉降也會不斷增大。樁頂附近的土層對單樁極限承載力的影響十分微小，但單樁承載塑性性能會隨土層性質變化而改變，且沉降塑性性能隨著土層彈性模量、硬度的增大而變差。不同樁長樁頂荷載與樁沉降變化趨勢呈倒L型。單樁極限承載力變化隨樁長變化基本保持穩定變化，單樁極限沉降與樁長變化趨勢呈S型。單樁長度小于40m，樁端承載力發揮主要作用，單樁長度在60～80m時為樁側摩阻力發揮主要作用。

關鍵詞：鉆孔灌注樁；單樁；豎向極限承載力；敏感性

0? ?引言

沿海地區的土質較為松散，地基承載能力較弱，由此高層建筑對基礎的承載力要求越來越高。對地質條件不好的區域如軟土地區，為了有效提高高層建筑基礎的承載力，常采用鉆孔灌注樁。鉆孔灌注樁具有承載力高、地層條件適應性強等諸多優勢，因此成為眾多工程建設重要的基礎形式[1-2]。

近年來，有批學者開展了鉆孔灌注樁極限承載力研究。孫軍偉[3]基于賈魯河上斜拉景觀橋作為研究對象，開展了超長大直徑鉆孔灌注樁的承載力的研究，對大橋樁基礎的承載極限給出了對應的值。王名川、郭世博[4]對超長大直徑鉆孔灌注樁的承載性能進行了數值分析，并研究了不同的因素對其的影響。孫其超[5]則是基于常州高架橋道路為背景，利用大量現場實測數據，分析了常州地區大直徑深長鉆孔灌注樁在豎向荷載作用下，樁土體系荷載傳遞的過程和規律。學者馬雪濤[6]利用基于有限差分的大型巖土工程數值分析軟件FLAC3D，對大直徑超長柱承載性能的各向指標，以及通過何種方式可以大幅度提升樁基的承載能力進行了分析。從分析結果中可知，單樁的彈性模量會隨著組成單樁的混凝土強度的提升顯著增大。在實際工程中，應綜合考慮造價、材料性質和加工容易程度等指標。提升樁基的承載能力不能一味的增大某個參數，也需要根據實際工程綜合考慮，選擇在實際工程中最為合適的參數。

為了探究軟土地區鉆孔灌注樁單樁的豎向極限承載力對不同影響因素的敏感度，本文以尼日利亞拉各斯阿利莫修1.57km路橋為研究依托，采用有限元法，對尼日利亞拉各斯阿利莫修1.57km路橋樁基結構進行研究，分析不同地層、不同樁長樁頂荷載下的樁沉降情況，以及不同樁長時所對應的單樁極限強度、樁極限沉降能力和單樁側摩壓力等主要技術指標。

1? ?工程概況

1.1? 工程基本情況

該路橋項目位于拉各斯中西部，是沿LASU IBA主路（通往奧貢、機場方向）的一條支路，項目現場距巴達格瑞高速公路 TRADE FAIR 營地20km（坐車約需30～40min）。該項目包含一座樁板橋（跨過一條小溪）以及部分道路，連接LASU IBA和Candos的道路長度約1.58km，其中木橋為270m，公路長度1.31km，道路主要是紅土路面，路況較差，橋兩端是一個大坡。

1.2? 地質狀況

該路橋工程地區的土層由淤泥質粉質黏土、粉質黏土、卵石土、強風化礫巖和中風化礫巖構成。不同材質的土層厚度、含水量、強度、壓縮性、產生塑性形變容易程度都不同。地基土層厚度及其特點匯總如表1所示。因不同土層材質不同，所以所具有的物理力學性質也不同，其具體力學性質指標見表2。

2? ?數值計算

本文利用基于有限差分的大型巖土工程數值分析軟件FLAC3D來進行仿真計算，其設置條件土層采用莫爾-庫侖模型。該模型能全方位的表征巖石和土層的強度特性，適用場合也較為廣泛，可用于脆性材料及塑性材料。為了計算簡便，使土力學中使用的材料破壞條件與巖石或者土層材料破壞條件一致，可用庫侖方程式對其進行表征，具體計算公式如下：

τ?=c-σ tanφ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

式中：c代表巖石凝聚力；φ代表巖石內摩擦角；σ代表法向應力；τ?代表材料剪應力極限

樁基采用Embedded樁單元，Embedded樁單元可以模擬桿件與巖土體間的接觸及相互作用，經常被用來模擬樁、土釘、巖石錨桿、錨桿注漿體等結構。給定不同材質的土層，軟件會計算出相應的側摩阻力。仿真模型采用平面應變模型，荷載方式為電荷載。將土層范圍設為130m×110m（水平×垂直），以保證實際工程情況下樁基的受力情況。

3? ?計算結果分析

根據計算結果，分析單樁的豎向極限承載力對不同影響因素的敏感度。

3.1? ?單樁豎向承載力受樁頂土層影響分析

在實際工程中，淤泥質粉質黏土土層厚度為9.2m，卵石土土層厚度為2.2m，該土層為極軟土層，此處為樁頂附近的土層。利用軟件仿真，計算樁頂9.2m范圍內軟土層（包含淤泥質粉質黏土和卵石土土層）對單樁豎向承載力的影響，其樁沉降與樁頂荷載關系見圖1。

從圖1可以看出：當樁頂荷載較小時，樁頂荷載和樁沉降關系接近線性；當樁頂的荷載力繼續變大后，樁頂荷載和樁沉降關系將不再維持線性關系。當樁頂荷載突破一定界限，即使樁頂荷載產生微小變化，也會引起樁沉降的激降。

當土層為淤泥質粉質黏土，樁頂荷載拐點加載力為11.0MN，此時樁沉降為3mm；當土層為卵石土，樁頂荷載拐點加載力為10.9MN，此時樁沉降為2.5mm。

當土層為淤泥質粉質黏土，當樁頂荷載超過11.3MN；微小的樁頂荷載變化會導致樁沉降激增，樁頂荷載為11.3MN時樁沉降為8.6mm。當土層為卵石土，當樁頂荷載超過11.2MN的樁頂荷載變化會導致樁沉降激增，樁頂荷載為11.2MN時樁沉降為3.3mm。

當淤泥質粉質黏土和卵石土極限荷載力相近時，樁沉降差值較大。不同的土層，單樁承載塑性不同，當土層的硬度發生變化時，單樁沉降塑性性能也會隨之改變。

3.2? ?單樁豎向承載力受單樁樁長影響分析

實際工程中，淤泥質粉質黏土土層厚度為9.2m，該土層為極軟土層，此處為樁頂附近的土層。經計算，得到樁豎向承載力與單樁樁長關系單樁豎向承載力隨單樁樁長變化如圖2所示，單樁極限沉降與單樁極限承載力隨樁長變化如圖3所示。

從圖2可以看出，不樁長樁頂荷載與樁沉降變化趨勢大致都呈倒L型。對于相同的樁沉降，單樁樁長越長所需要的樁頂荷載越大，單樁樁長越長，樁頂荷載F拐點值越大。

從圖3可得，當單樁長度等間隔變化時，單樁的極限承載力的變化大概保持線性。而其極限沉降在樁長為40m和60m時極限沉降變化量會增大。

3.3? ?沿樁長傳力受樁長變化影響分析

實際工程中，淤泥質粉質黏土土層厚度為9.2m，該土層為極軟土層，此處為樁頂附近的土層。單樁樁長為40.0m、60.0m和80.0m時，施加樁頂荷載為6000kN，經計算分析，得到樁頂附近土層樁身各點軸力隨著不同樁長變化如圖4所示，樁身側摩阻力隨不同樁長變化如圖5所示。

從圖4可得，單樁長度為60.0m和80.0m時，軟土層中的樁身各點所受到的軸力幾乎相同。在土層中同樣的樁身位置，單樁長度40.0m的樁身軸力，相比于單樁長度為60.0m和80.0m樁身軸力小。當單樁長度大于60.0m時，樁底反力的影響可以忽略。樁長為40.0m的單樁樁底反力，遠遠大于樁長為60.0m和80.0m的單樁。

從圖5可以觀察到，對于單樁長度為40.0m、60.0m和80.0m的單樁來說，在樁身相同位置側摩阻力幾乎一致。樁長為40.0m的單樁在40.0m處的側摩阻力，由于樁底反力的存在，樁身側摩阻力出現了明顯下降。

4? ?結束語

本文探究軟土地區鉆孔灌注樁單樁的豎向極限承載力對不同影響因素的敏感度，分析了不同土層、不同樁長樁頂荷載時的樁沉降以及不同樁長時對應的單樁極限承載力、樁極限沉降和樁側摩阻力等指標。主要結論如下：

當樁頂荷載較小時，樁頂荷載和樁沉降關系接近線性。當樁頂的荷載力繼續變大，樁頂荷載和樁沉降關系將不再維持線性關系。當樁頂荷載突破一定界限，即使樁頂荷載產生微小變化，也會引起樁沉降的激降。不同的土層單樁承載塑性不同，當土層的硬度發生變化時，單樁沉降塑性性能也會隨之改變。

樁長樁頂荷載與樁沉降變化趨勢大致都呈倒L型，對于相同的樁沉降，單樁樁長越長所需要的樁頂荷載越大，單樁樁長越長，樁頂荷載的拐點值越大。

單樁極限承載力變化隨樁長變化基本保持穩定變化，單樁極限沉降與樁長變化趨勢呈S型，在樁長為40m和60m時極限沉降變化量會增大。單樁長度為60m和80m樁身的各點軸向力基本相等，在同一樁身情況下。單樁豎向抗壓承載力長度為40m的樁身軸向力量，比單樁豎向抗壓承載力長度為60m和80m樁身軸向力小。當單樁長度超過60m后，樁底反力的影響便可忽略不計。

參考文獻

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[6] 馬雪濤.超長大直徑鉆孔灌注樁承載性能分析[D].合肥：

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