橋梁工程鉆孔灌注樁豎向承載力研究

摘要：一般情況下軟土地層對樁形成的側(cè)摩阻力比較低，且軟土層厚度較大時還會對樁形成負摩阻效應(yīng)，直接影響到樁基承載力，因此常常以提高樁徑和樁長的方式來保證單樁有足夠的豎向承載力。為了在初期設(shè)計階段準確得出軟土區(qū)域的樁長，通過建立數(shù)值模型，分析不同樁長、樁基附近土層不同時樁的荷載沉降曲線，同時研究了樁身側(cè)摩阻力和軸力的變化趨勢。結(jié)果表明：樁的單樁豎向承載力基本不會受到樁頂附近土層性質(zhì)的影響。工程中只靠提高樁長并不是增大樁極限承載力的有效方法，確定出合理的樁長更加經(jīng)濟。樁長和樁的極限承載力表現(xiàn)為線性正相關(guān)關(guān)系；在樁長較短或較長時，單樁的極限沉降會增加，且增加速度較快；而在中等長度范圍內(nèi)，極限沉降相對較小，沉降變化趨勢比較平緩。樁端支反力在樁長小于40m時占比較大，樁長超過60m時可不考慮樁端阻力的影響。

關(guān)鍵詞：軟土地層，樁基承載力，數(shù)值模型，樁身側(cè)摩阻力

0" "引言

鉆孔灌注摩擦樁具有樁基承載力可靠穩(wěn)定、工藝成熟等優(yōu)點，近年來已廣泛應(yīng)用于各類工程中[1]。為了保證樁基附近土層可以給樁基提供充足的豎向側(cè)摩阻力來支撐上部荷載，需要對樁基極限承載力、土層各項參數(shù)指標、混凝土強度等進行綜合考慮，以此確定樁長和樁基位置[3-4]。

相關(guān)研究人員發(fā)現(xiàn)，鉆孔灌注摩擦樁樁端阻力未開始發(fā)揮作用時，樁側(cè)摩阻力就提前開始作用。同時樁長、地質(zhì)條件、樁徑等因素，均會對樁基承載力造成較大影響。而對于樁基承載力，樁基規(guī)范中只給出了統(tǒng)一的計算方法[4]。所以在實際工程里，針對不同土層樁基豎向承載能力和其位置一般通過靜載試驗法進行確定。

張永等[5]研究了軟土區(qū)域超長樁的承載性能，發(fā)現(xiàn)在軟土區(qū)域較為適合的樁類型為摩擦樁，同時非漸進破壞為其破壞狀態(tài)。周海華[6]結(jié)合了數(shù)值分析法和試驗法，對大理某區(qū)域超長樁進行設(shè)計，發(fā)現(xiàn)樁沉降是影響樁基極限承載力的主要因素。李韜等[7]以某軟土區(qū)域為例，對比分析了不同樁長對單樁承載力的影響，發(fā)現(xiàn)通過持續(xù)提高樁長來增大單樁承載力的方式并不合理。

基于此，為了進一步掌握樁長、土體類型對樁基沉降和承載力的影響規(guī)律，本文通過數(shù)值模擬，對比分析了不同樁長、樁基附近土層不同時樁的荷載沉降曲線，同時分析了樁身側(cè)摩阻力和軸力的變化趨勢，為軟土地區(qū)鉆孔灌注樁的設(shè)計提供了依據(jù)。

1" "工程概況

1.1" "工程基本情況

天津港集疏運專用貨運通道工程包括5座橋梁，橋梁道路等級均為城市快速路，設(shè)計速度為80km/h，橋面寬度為35.55m。橋梁基礎(chǔ)均采用摩擦型鉆孔灌注樁，其中鉆孔樁樁徑分為1.2m、1.5、1.8m三種。樁基完成后進行樁基檢測，其中樁長≤40m的采用低應(yīng)變反射波法，樁長＞40m的采用波透射法檢測，預(yù)埋聲測管。

1.2" "地質(zhì)狀況

工程場地內(nèi)從下至上依次為中風(fēng)化礫巖、強風(fēng)化礫巖、卵石土、粉質(zhì)黏土以及淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土。其中風(fēng)化礫巖特征為層狀構(gòu)造，呈紫紅色，泥質(zhì)膠結(jié)，有一定崩解性和軟化性，砂礫狀碎屑結(jié)構(gòu)，有較完整的巖體，適合當(dāng)作樁基持力層。強風(fēng)化礫巖呈現(xiàn)紫紅色，4m為其層厚，巖芯表現(xiàn)為碎石土狀其結(jié)構(gòu)大部分出現(xiàn)了破壞。粉質(zhì)黏土屬于青灰色硬塑土，韌性強，土質(zhì)較好，切面光滑，6m為其層厚。卵石土大部分為白云巖與石英砂巖，中間填充有砂土，22m為其層厚。淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土土質(zhì)較差，強度小，含水率和孔隙率較大，易變形易壓縮，不能當(dāng)作樁基持力層，9.3m為其層厚。

2" "建立有限元模型

通過有限元軟件，構(gòu)建各土層和樁基的數(shù)值模型，選擇Mohr-Coulomb模型來對土層進行模擬，在摩爾庫倫理論中，材料的剪應(yīng)力最大值可由公式（1）表示：

τ=c+σtanφ" " " " " " " " "（1）

式中：σ和τ分別表示法向應(yīng)力和剪應(yīng)力；φ表示內(nèi)摩擦角；c表示粘聚力。

在模型中只將單樁的豎向承載力考慮在內(nèi)，未將土層受到樁基施工的影響考慮在內(nèi)。選擇Embedded樁模型來對樁基進行模擬。在模擬軟件中以設(shè)置“圖層相關(guān)”的方式來模擬樁側(cè)摩阻力，之后軟件會通過錄入的土層相關(guān)參數(shù)對側(cè)摩阻力進行計算。選擇剛性連接作為土層和樁底的連接方式。

根據(jù)平面應(yīng)變模型選擇15單元節(jié)點進行模擬，土層整體范圍豎向×水平向定為100m×120m。保證邊界足夠大，以便準確的對土層里樁基的受力情況進行模擬。施加荷載的方式為在樁基頂部逐級加載點荷載。

3" "關(guān)鍵參數(shù)影響分析

本文對比分析單樁承載力受樁身長度變化和樁頂周圍土層的影響趨勢，并對樁承載傳力規(guī)律進行了歸納與總結(jié)。

3.1" "單樁豎向承載力受樁頂周圍土層的影響

3.1.1" "工況設(shè)置

根據(jù)項目實際情況可知，場地內(nèi)距離樁頂9.2m位置有一土層，為極軟土層。為了分析單樁承載力受樁頂周圍土層的影響，通過在二維平面應(yīng)變有限元模型中設(shè)置兩種工況，即距離樁頂9.2m位置存在卵石土與淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土。單樁沉降隨著加載荷載的變化而變化的規(guī)律如圖1所示。

3.1.2" "單樁沉降和荷載曲線總體趨勢

從圖1中能夠看出，樁頂周圍土層不同時，其單樁沉降和荷載間的變化關(guān)系大致相同，即無論土層類型如何，當(dāng)樁頂荷載從零逐漸增加時，樁沉降量也隨之增加，但增長速度并不是一直保持穩(wěn)定。

當(dāng)施加在樁頂?shù)暮奢d值較低時，樁體工作狀態(tài)為彈性階段，沉降量相對較小且沉降速率較慢。在繼續(xù)增大樁頂荷載且出現(xiàn)突變（拐點）時，樁頂沉降值迅速變大，沉降速度也得到大幅度提高。當(dāng)再次提高樁頂荷載時，樁將逐漸接近破壞狀態(tài)，此時即便荷載增量比較小，樁身沉降也有較大的變化。

3.1.3" "單樁沉降拐點分析

在樁頂周圍土體為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土情況下，F(xiàn)gA加載力等于11.1MN時沉降出現(xiàn)拐點，3.1mm為此時的樁沉降；在樁頂周圍土體為卵石土的情況下，F(xiàn)gB加載力等于11MN時沉降出現(xiàn)拐點，2.6mm為此時的樁沉降。通過比較能夠看出，無論是卵石土還是淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，兩者拐點加載力的數(shù)值大致相同，但樁沉降在樁頂周圍土層類型為卵石土?xí)r的值略小一點。

在樁頂周圍土體是淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土的情況下，8.7mm為FuA極限加載力等于11.4MN時的樁沉降值；在樁頂周圍土體是卵石土的的情況下，3.05mm為FuB極限加載力等于11.3MN時的樁沉降值，無論是卵石土還是淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，兩者極限加載力的數(shù)值大致相同，但樁沉降在樁頂周圍土層類型為卵石土?xí)r的值僅有土層類型為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土?xí)r的35%。

3.1.4" "總體影響

從以上分析可以看出，樁頂周圍的土層類型對單樁承載力的影響非常小，幾乎不會影響樁的加載力極限值和樁拐點。即使樁頂附近的土層質(zhì)量較差，單樁的負載容量也不會受到太大影響。但樁身極限沉降在樁頂周圍土層為卵石土?xí)r的值，要比樁頂周圍土層為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土?xí)r的值小得多。這表明單樁的承載力的塑性發(fā)展，會受到土層的性質(zhì)較大的影響，具有更高彈性模量或更高硬度的土層，其沉降塑性性能也會越差。

3.2" "單樁豎向承載力受樁長的影響

樁體長度和單樁極限沉降值、極限承載力間的關(guān)系反映了關(guān)鍵控制參數(shù)受到樁長的影響。不同樁長下，樁頂周圍土體是淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土?xí)r樁的沉降變化趨勢如圖2所示。

從圖2中能夠看出，樁的長度不同時，其荷載和位移之間的關(guān)系曲線大致相同，都表現(xiàn)為倒L形，說明在荷載作用下，樁長不會對樁整體的荷載沉降規(guī)律造成較大影響，且樁荷載和位移之間的關(guān)系曲線在線彈性階段基本重合，只在拐點部位發(fā)生了分支平衡。這意味著樁基彈性受力情況基本不會受到樁長的影響。隨著樁長的增大，樁的極限承載力也隨之增大，兩者表現(xiàn)為線性正相關(guān)關(guān)系。

3.3" "沿樁長傳力規(guī)律

在樁長分別為80m、60m以及40m時，在樁頂施加6000kN的荷載，分析樁頂周圍土層為淤泥粉質(zhì)黏土?xí)r的樁身荷載傳力趨勢，同時研究了沿樁身側(cè)摩阻力和樁身各部位軸力的分布情況。

3.3.1" "各樁長樁身軸力對比

各樁長樁身軸力對比如圖3所示。從圖3中能夠看出，樁長為80m和60m時，樁身同樣部位各點軸力基本相同，而對于40m樁長同樣部位的軸力則要小一點。這表示樁長范圍在40～80m時，狀長的變化不會對樁身軸力的分布情況造成較大的影響。

153kN、246kN以及1455kN分別為樁長在80m、60m和40m時的樁底反力值，與樁頂荷載相比各占其2.6%、4.2%和24.4%。這表明柱底反力的占比會受到樁長的影響，在樁長超過60m時，可忽略柱底反力。

3.3.2" "各樁長樁側(cè)摩阻力對比

各樁長樁側(cè)摩阻力對比如圖4所示。從圖4中能夠看出，樁長為80m和60m時，樁身同樣部位各點側(cè)摩阻力，這表明樁長范圍在40m至80m時，狀長的變化不會對樁身側(cè)摩阻力的分布情況造成較大的影響。

樁長在80m與60m時，樁底側(cè)摩阻力變化較為平緩，沒有發(fā)生較大突變，而對于40m樁長發(fā)生了明顯突變。綜合樁底支反力分布情況能夠得出，樁底支反力占比較大是導(dǎo)致40m樁長樁底側(cè)摩阻力突變的主要原因。

4" "結(jié)束語

本文通過數(shù)值模擬，對比分析了樁長不同、樁基附近土層不同時樁的荷載沉降曲線，同時分析了樁身側(cè)摩阻力和軸力的變化趨勢，得出了樁長和土層類型對鉆孔灌注樁承載力的影響規(guī)律。得出主要結(jié)論如下：

當(dāng)樁頂荷載從零逐漸增加時，樁沉降量也隨之增加；樁沉降在樁頂周圍土層類型為卵石土?xí)r的值僅有土層類型為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土?xí)r的35%；樁頂周圍的土層類型對單樁承載力的影響較小。

在荷載作用下，樁長不會對樁整體的荷載沉降規(guī)律和彈性受力情況造成影響；隨著樁長的增大，樁的極限承載力也隨之增大，兩者表現(xiàn)為線性正相關(guān)關(guān)系。

樁長范圍在40～80m時，樁長的變化不會對樁身軸力的分布情況造成較大的影響；153kN、246kN以及1455kN分別為樁長在80m、60m和40m時的樁底反力值，與樁頂荷載相比各占其2.6%、4.2%和24.4%。

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