高層建筑鉆孔灌注樁豎向承載性能分析

摘 要：為研究樁長對單樁極限承載力的影響，本文根據某軟土地區樁基工程實際案例，建立了樁基有限元分析模型，并考慮軟土特性，分析了樁長對單樁極限承載力和沉降的影響以及不同樁長條件下樁體內力分布規律。結果表明，淤泥質粉質黏土的樁沉降-樁頂荷載曲線與粉土層的曲線趨勢一致，極限荷載和沉降接近，土質對樁基塑性階段的影響最顯著。在樁基加載初期，不同樁基長度下的沉降曲線重合，說明樁基長度對樁基彈性階段影響有限，主要影響樁基塑性階段。隨著樁基長度增加，樁基極限沉降和單樁承載力越大。不同樁長工況下的軸力分布幾乎一致，樁長對樁底反力影響較為顯著。

關鍵詞：樁基礎；單樁承載力；沉降變形；數值模擬

中圖分類號：TU 196" 文獻標志碼：A

樁基礎具有良好的適用性和經濟性，因此是工程建設領域常用的地基處理方式，而樁基極限承載力是設計中重要的指標之一，許多研究人員對此進行了研究。趙鑫輝等[1]基于現場監測、理論計算和數值分析，對鉆孔灌注樁加固砂質斜坡路塹樁板結構受力及變形特性進行了研究。胡鵬志等[2]基于Choquet模糊積分建立了橋梁工程鉆孔灌注樁的施工風險評價模型，對鉆孔灌注樁施工風險進行了評價。劉丹等[3]根據一系列現行規范，利用靜力觸探數據計算了預制樁單樁豎向極限承載力標準值，并根據工程實際情況，建立了鉆孔灌注樁的豎向極限承載力標準值的經驗公式。李杰等[4]基于中海成都超塔在建項目試樁工程，采用聲波透射法及自平衡法對超高層嵌巖灌注試樁進行了完整性檢測。周浙紅等[5]根據江蘇省南通市某工程案例，基于耦合歐拉-拉格朗日方法，采用ABAQUS有限元軟件建立了后注漿鉆孔灌注樁精細化有限元模型，對是否采用后注漿的鉆孔灌注樁承載力進行了分析。王衛國等[6]依托黃河下游地區某鐵路橋梁工程，進行組合壓漿灌注樁自平衡靜載試驗，對組合壓漿前后施工效應和樁端沉渣對大直徑鉆孔灌注樁側阻力弱化效應的影響進行了研究。

本文基于某軟土地區樁基工程實際案例，利用數值方法分析了不同土層位置的樁基承載力變化情況。同時，研究了樁基長度對單樁極限承載力、極限樁體沉降以及樁身軸力分布規律的影響。

1 工程概況

本文以高層建筑項目為研究背景，該項目總建設規模為55649.04m2，包括地上建筑和地下建筑，最大建筑高度為95.5m，建筑結構為框架剪力墻結構和框架結構。現場勘察報告顯示，高層建筑所處地層土體為厚9.2m的淤泥質粉質黏土（重度為18.3kN/m3）、厚6m的粉質黏土（重度為17.8kN/m3）、厚2.2m的粉土（重度為18.8kN/m3）。由于地基土體性質較差，因此采用鉆孔灌注樁基礎，樁長混凝土等級為C35，樁徑為0.6m，樁間距為10m。

2 樁基數值模型

2.1 模型建立

采用有限元數值軟件建立樁基數值仿真模型，將模型幾何尺寸設為120m×80m×100m（長×寬×高），圖1為三維數值模型圖。樁基采用實體單元模擬，為提高計算效率，保證計算精度，須對樁基部分進行局部網格加密處理，整體模型劃分網格后共35414個節點，21234個單元。模型邊界條件如下。1）模型表面為完全自由邊界。2）模型頂部為完全固定邊界。3）模型側面設為法向約束邊界。

2.2 模型參數

軟土本身具有強度低、觸變性高、壓縮性高等特點，研究發現，當土體應變為1%時，剪切剛度已小于初始剛度的一半。大部分軟土施工階段的應變為10-5～10-2。在施工鉆孔灌注樁期間，軟土表現出小應變的特征。傳統的HS本模型不能反映小應變階段土體剪切剛度隨土體應變非線性變化的特征。因此Ben在HS模型的11參數的基礎上，通過引入兩個小應變參數（初始小應變模量G0ref和剪切應變水平0.7）[7]，來描述軟土小應變行為。表1為本構參數。

3 結果分析與討論

3.1 樁頂土層分析

為對比不同土層中樁基承載力性能的差異，統計不同荷載時的樁基沉降，繪制2種土層的樁基沉降-荷載曲線。如圖2所示，2種土層工況下的樁基沉降-荷載曲線的變化規律趨于一致：在樁頂荷載加載初期，樁體沉降量較少，隨著樁頂加載逐漸增加，樁體沉降量逐漸增加，該階段沉降曲線基本呈直線增加。在樁頂加載超過某個荷載值后，樁基沉降陡然增加，沉降曲線斜率接近1，然后樁基破壞。由此可見，荷載曲線可以分為緩慢增加階段和急劇增加階段，分別對應加載過程中樁基所處的彈性階段和塑性發展階段。根據規范里樁基承載力的確定方法，樁基沉降曲線斜率發生明顯變化的點對應的荷載值即為樁基承載力，樁基發生破壞時對應的沉降為極限沉降。

進一步觀察圖2可知，對粉土來說，當樁頂荷載增至10.3MN時，樁基沉降曲線斜率略有增加，此時樁基沉降值為2.1mm。當樁頂荷載繼續增至11.8MN時，樁基沉降曲線斜率陡然增加，并立刻發生破壞，樁基破壞時的沉降量為5.2mm，樁基極限荷載為11.8MN。對淤泥質粉質黏土來說，當樁頂荷載增至9.9MN時，樁基沉降曲線斜率略有增加，此時樁基沉降值為2.3mm。當樁頂荷載繼續增至10.9MN時，樁基沉降曲斜率突然增加，并立刻發生破壞，樁基破壞時的沉降量為9.8mm，樁基極限荷載為10.9MN。上述分析可知，土層對樁基塑性階段的影響最顯著。

3.2 樁長對單樁極限承載力和沉降變形的影響

通過建立6種不同樁長模型來分析樁長對樁基承載力的影響，樁長分別為30m、35m、40m、45m、50m、55m，繪制6種樁長下的樁基沉降曲線圖，如圖3所示。6種樁長條件下樁基沉降曲線變化規律類似：在樁基加載過程中，樁沉降先呈線性增加，然后樁沉降迅速增加直至破壞。在加載初期，不同樁長的沉降曲線重合，隨著荷載增加，30m樁長的樁基先陡然增加，然后隨著荷載的持續增加，35m、40m、45m、50m、55m的樁基依次發生破壞。

為進一步分析樁長對極限沉降和樁基承載力的影響，繪制不同樁長工況下荷載-沉降曲線圖，如圖4所示。圖4（a）為不同樁長的樁基承載力，圖4（b）為不同樁長的極限沉降。增加樁基長度，樁基承載力總體呈線性增加，當樁基長度從30m增至55m時，樁基承載力從4.1MN增至19.8MN，增幅達到383%。因為樁基長度越長，樁基與周邊土體接觸面積越大，所以側磨阻力越大。樁基長度增加，樁基極限沉降也逐漸增加，但增幅逐漸減少。

3.3 樁體傳力規律

為研究樁體傳力規律，對樁長為30m、40m和50m工況下的樁基進行仿真模擬，并在模型內設監測點，得到不同深度位置處的樁身軸力。

圖5為不同樁長條件下樁身軸力隨深度變化情況。從圖中可以看出，在相同位置，不同樁長工況下的軸力分布幾乎一致，30m樁長工況下的軸力略小，表明樁長對樁身軸力分布規律影響較小。對樁底反力來說，30m樁長工況下的樁底反力為1450kN，占樁頂荷載比例為24.4%，40m樁長工況下的樁底反力為252kN，占樁頂荷載比例為4.2%，50m樁長工況下的樁底反力為152kN，占樁頂荷載比例為2.5%。隨著樁長增加，樁側摩阻力增加，在相同荷載條件下，樁長越大，樁端阻力占比就越小，隨著樁長增加，樁體受力形式由端承樁向摩擦樁轉化。說明樁長對樁底反力影響較為顯著，而當樁長大于40m后，樁底軸力占比較小，可忽略不計。

4 結論

本文依托某軟土地區樁基工程實際案例，通過有限元建立了樁基數值仿真模型，分析了不同土層位置處樁基承載力變化情況。同時，研究樁基長度對單樁極限承載力、極限樁體沉降以及樁身軸力分布規律的影響。得出以下結論。1）隨著樁基荷載逐漸增加，樁基沉降先呈線性增加，在荷載超過一定值后，樁基沉降陡然增加，然后樁基破壞，沉降曲線變化對應樁基的彈性階段和塑性發展階段，且土層對樁基塑性階段的影響最顯著。2）在樁基加載初期，不同樁長的沉降曲線重合，隨著樁基長度增加，樁基依次發生破壞。樁基長度增加，樁基與周邊土體接觸面積越大，側磨阻力越大，因此樁基承載力逐漸增加。且樁基極限沉降逐漸增加，但增幅逐漸減少。3）不同樁長工況下的軸力分布幾乎一致，樁長對樁底反力影響較為顯著，而在樁長大于40m后，樁底軸力占比較小。

參考文獻

[1]趙鑫輝，黃德貴，劉乙甫.鉆孔灌注樁加固砂質斜坡路塹設計參數影響研究[J].路基工程，2023（5）：94-100.

[2]胡鵬志，祝彥知，糾永志.基于Choquet模糊積分的鉆孔灌注樁施工風險評價[J].中原工學院學報，2023，34（4）：59-63.

[3]劉丹，周玉鳳.利用靜力觸探數據估算鉆孔灌注樁承載力的探索[J].巖土工程技術，2023，37（4）：433-437.

[4]李杰，蔡潤，彭濤，等.聲波透射法及自平衡法在超高層嵌巖灌注試樁中的應用分析[J].水利與建筑工程學報，2023，21（4）：209-217.

[5]周浙紅，楊曉東，王慧榮，等.基于CEL法的鉆孔灌注樁后注漿加固數值模擬及承載力分析[J].地基處理，2023，5（4）：305-311.

[6]王衛國，胡濤，張奕彬，等.樁端沉渣對后壓漿鉆孔灌注樁側阻力影響的現場試驗研究[J].建筑結構，2023，53（增刊1）：2669-2673.

[7]王衛東， 王浩然， 徐中華. 上海地區基坑開挖數值分析中土體HS-Small模型參數的研究[J]. 巖土力學， 2013， 34（6）：1766-1774.