大直徑擴(kuò)底樁豎向承載力影響因素分析

張 琦，李坤軒，王俊林

（1.河南省水利科學(xué)研究院，河南 鄭州，450003；2.鄭州大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院，河南 鄭州，450001）

0 引言

大直徑擴(kuò)底樁具有承載力高、質(zhì)量易控制、變形小、經(jīng)濟(jì)節(jié)省等優(yōu)點(diǎn)，在高層建筑、公路和鐵道橋梁以及城市高架路等荷載較大工程中常作為基礎(chǔ)工程方案的首選［1］.對(duì)于同一試樁結(jié)果，以不同的極限承載力判斷標(biāo)準(zhǔn)可能會(huì)出現(xiàn)較大的差別［2］；參數(shù)和條件相同的大直徑樁，按各國(guó)規(guī)范的建議方法計(jì)算出的承載力值也可能會(huì)相差很多［3］.目前，承載力只有通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)載荷試驗(yàn)才能確定，但是試樁不僅耗時(shí)費(fèi)力，費(fèi)用較高，而且要考慮土質(zhì)變化和試樁尺寸等因素，樁群的試驗(yàn)更為困難，僅僅靠試驗(yàn)來(lái)確定其承載力，既達(dá)不到目的，經(jīng)濟(jì)效果又不理想.因此，有必要建立合理的力學(xué)和計(jì)算模型，綜合考慮樁土作用的復(fù)雜因素，采用數(shù)值模擬手段對(duì)單樁承載力進(jìn)行研究，從而確定樁的承載力，以滿(mǎn)足工程實(shí)際的需要.同時(shí)，采用有限元方法可以很容易的研究不同條件下大直徑擴(kuò)底樁的工作機(jī)理.李美生等［4］運(yùn)用ANSYS軟件研究分析了大直徑擴(kuò)底樁承載力影響因素，探討了不同變化因素對(duì)豎向承載力的影響.李海林等［5］建立樁土共同作用模型，研究了樁土作用體系中力學(xué)傳遞機(jī)理.王先軍等［6］建立了樁土接觸面體系的有限元模型，結(jié)合大型工程實(shí)例，分析了樁土模型的荷載－沉降曲線以及荷載的傳遞規(guī)律，揭示了樁土作用的實(shí)質(zhì)，并提出了能夠解決ANSYS模擬樁土問(wèn)題的合理思路.王月梅等［7］運(yùn)用ANSYS分析不同參數(shù)對(duì)樁基礎(chǔ)承載變形特性的影響，通過(guò)深入分析，發(fā)現(xiàn)了一些對(duì)工程實(shí)踐有用的結(jié)論.

1 樁－土體系模型

1.1 現(xiàn)場(chǎng)靜載荷試驗(yàn)

選取鶴壁市體育館工程試驗(yàn)樁為研究對(duì)象，試樁采用人工挖孔大直徑灌注擴(kuò)底樁，樁長(zhǎng)為9 m，樁徑為1 200 mm.各層土參數(shù)如表1所示，樁尺寸及土層分布情況如圖1所示.

圖1 土層分布情況Fig.1 Distribution of soil str ata

表1 土層參數(shù)表Tab.1 Property of clay in model

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)照片如圖2所示.

圖2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)照片F(xiàn)ig.2 Picture of field test

1.2 模型的建立過(guò)程和驗(yàn)證

作者運(yùn)用有限元分析軟件ANSYS，考慮對(duì)稱(chēng)性，取1／4樁模型進(jìn)行數(shù)值模擬.取樁周橫向8倍樁徑，縱向3倍樁長(zhǎng)作為計(jì)算區(qū)域（見(jiàn)圖3），在該區(qū)域的底部和外側(cè)的結(jié)點(diǎn)位移為零.樁身彈性模量是2.5×104MPa，μ＝0.2.

圖3 ANSYS模型Fig.3 ANSYS model

樁身和土體都采用六面體8節(jié)點(diǎn)單元SOLID45號(hào)實(shí)體單元，每個(gè)節(jié)點(diǎn)具有X、Y、Z三個(gè)方向的自由度.具有塑形、膨脹、潛變、應(yīng)力強(qiáng)化、大變形和大應(yīng)變的能力，樁的本構(gòu)模型為線彈性，土體的本構(gòu)模型為D—P材料.在進(jìn)行面面接觸分析時(shí)，樁上的面為剛性目標(biāo)面，采用Tar ge170單元，目標(biāo)面對(duì)應(yīng)的土體表面為接觸面，采用CONTA173單元.

將計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析［8］，繪成Q－s曲線見(jiàn)圖4.由對(duì)比可以得到，在達(dá)到臨界荷載之前，有限元計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的吻合情況較好，誤差能夠滿(mǎn)足工程要求，所以計(jì)算模型是可行的.

圖4 模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Fig.4 Comparison bet ween simulated and test results

2 影響因素分析

2.1 擴(kuò)底直徑對(duì)承載力的影響

分別取擴(kuò)底直徑D＝1.2，1.5，1.8，2.1，2.4，3.0和3.6 m進(jìn)行模擬，即D／d＝1.0，1.25，1.5，1.75，2.0，2.5，3.0，樁的基本參數(shù)取1.1現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中樁的參數(shù)，假定樁周土與樁端土為相同土體，c＝10 k Pa，φ＝35°，彈性模量E＝50 MPa，膨脹角φf(shuō)＝20°，μ＝0.3.計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖5.

圖5 不同擴(kuò)底直徑樁的Q－s曲線Fig.5 The Q－s curves of different diameter of belled piles

取樁頂沉降為20 mm時(shí)對(duì)應(yīng)的荷載Q為樁的豎向承載力，見(jiàn)圖6.

圖6 不同擴(kuò)底直徑樁的豎向承載力Fig.6 Vertical bearing capacity of pile with different belled diameters

從圖6中可以看到，大直徑擴(kuò)底樁的豎向承載力隨著擴(kuò)底直徑D的增大明顯提高，當(dāng)D／d大于2時(shí)，承載力的增長(zhǎng)幅度開(kāi)始變緩.從施工效率角度來(lái)說(shuō)，D／d應(yīng)該存在一個(gè)合適的范圍.當(dāng)D／d＝1.0時(shí)，為一般大直徑樁，其豎向承載力明顯小于大直徑擴(kuò)底樁的豎向承載力.

2.2 擴(kuò)底高度對(duì)承載力的影響

取擴(kuò)底高度分別為h＝0.6，1.2，1.8，2.4，3.0和3.6 m 進(jìn)行模擬，即h／d＝0.5，1.0，1.5，2.0，2.5，3.0.樁的基本參數(shù)取1.1現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中樁的參數(shù)，假定樁周土與樁端土為相同土體，c＝10 k Pa，φ＝35°，彈性模量E＝50 MPa，膨脹角φf(shuō)＝20°，μ＝0.3.取Q－s曲線上沉降s＝20 mm時(shí)對(duì)應(yīng)的Q繪于圖7.

圖7 不同擴(kuò)底高度樁的豎向承載力Fig.7 Vertical bearing capacity of pile with different belled heights

從圖7中可以看到，隨著擴(kuò)底高度的增大，大直徑擴(kuò)底樁的豎向承載力提高，但是增長(zhǎng)幅度比較緩和.

從圖6和圖7中能夠得出，增大擴(kuò)底直徑和擴(kuò)底高度都能夠提高大直徑擴(kuò)底樁的豎向承載力；但從施工方法以及經(jīng)濟(jì)節(jié)約的角度來(lái)考慮，應(yīng)優(yōu)先選取增大擴(kuò)底直徑的方法，以提高大直徑擴(kuò)底樁的豎向承載力.綜上所述，擴(kuò)底部分?jǐn)U底高度與擴(kuò)底直徑的比值適宜在0.5～0.7之間選取.

2.3 樁長(zhǎng)對(duì)承載力的影響

取樁長(zhǎng)H＝9，15，21，27和36 m進(jìn)行模擬，即 H／d＝7.5，12.5，17.5，22.5，27.5.樁的基本參數(shù)取1.1現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中樁的參數(shù)，假定樁周土與樁端土為相同土體，c＝10 k Pa，φ＝35°，彈性模量E＝50 MPa，膨脹角φf(shuō)＝20°，μ＝0.3.取Q－s曲線上沉降s＝20 mm時(shí)對(duì)應(yīng)的Q繪于圖8.

圖8 不同樁長(zhǎng)樁的豎向承載力Fig.8 Vertical bearing capacity of pile with different lengths

從圖8中可以看到，樁長(zhǎng)增加時(shí)，大直徑擴(kuò)底樁的豎向承載力明顯提高.豎向承載力的提高主要來(lái)自于樁側(cè)摩阻力的增加.樁長(zhǎng)較小時(shí)，樁側(cè)摩阻力達(dá)到極限狀態(tài)，荷載主要由樁端承擔(dān)；而當(dāng)樁長(zhǎng)增加到一定程度時(shí)，樁周面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于樁端面積，大部分荷載由樁身承擔(dān)，到達(dá)樁端的荷載很小很小，此時(shí)樁的擴(kuò)底作用就顯得不那么明顯，豎向承載力的增長(zhǎng)幅度就變得緩慢起來(lái).

3 結(jié)論

作者運(yùn)用有限元分析軟件ANSYS對(duì)大直徑人工挖孔擴(kuò)底樁豎向承載力影響因素進(jìn)行了模擬計(jì)算分析，得出結(jié)論如下：

（1）運(yùn)用大型有限元軟件ANSYS對(duì)鶴壁市體育館工程試驗(yàn)樁的樁－土作用進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，將分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，證明了此樁－土模型的可行性和準(zhǔn)確性.

（2）大直徑擴(kuò)底樁的豎向承載力隨著擴(kuò)底直徑的增加而提高，當(dāng)D／d大于2時(shí)，承載力的增長(zhǎng)幅度開(kāi)始變緩.

（3）大直徑擴(kuò)底樁的豎向承載力隨著擴(kuò)底高度的增加而提高，但增長(zhǎng)幅度比較緩和.綜合考慮，擴(kuò)底部分?jǐn)U底高度與擴(kuò)底直徑的比值適宜在0.5～0.7之間選取.

（4）大直徑擴(kuò)底樁的豎向承載力隨著樁長(zhǎng)的增加而明顯提高，當(dāng)樁長(zhǎng)增大到一定程度時(shí)，到達(dá)樁端的荷載很小，擴(kuò)底作用顯得不那么明顯，豎向承載力的增長(zhǎng)幅度就變得緩慢起來(lái).

［1］ 楊鴻貴，白德容.黃土地區(qū)大直徑灌注樁的受力性能分析 ［J］.巖土工程師，1992，4（4）：16－25.

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［6］ 王先軍，周文宇，蔣鑫.ANSYS在模擬樁土接觸中的應(yīng)用［J］.森林工程，2006，22（3）：49－51.

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