承臺－傾斜樁體系承載力性狀分析

邵 勇,朱進軍,馬慶華

（連云港職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑工程系,江蘇連云港 222006）

承臺－傾斜樁體系承載力性狀分析

邵 勇,朱進軍,馬慶華

（連云港職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑工程系,江蘇連云港 222006）

預(yù)應(yīng)力管樁在施工中發(fā)生樁身傾斜的現(xiàn)象屢見不鮮。為得到承臺連接下傾斜樁的承載力特性,通過現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)反演得到了合理的土層及樁體參數(shù),之后建立數(shù)值模型,分析了承臺下有2根樁且其中1根樁為傾斜樁的結(jié)構(gòu)體系,在3種不同傾斜方向工況下的承載力性狀。研究結(jié)果表明：單根樁體傾斜對承載力的影響不大,特別是工況1條件下,樁體傾斜對承載力的影響甚微；樁身軸力隨著樁體傾斜程度的增加而增大,僅在工況1中傾斜樁的軸力發(fā)展趨勢為先增大后減小。3種工況下樁身彎矩分布特征類似,且樁頂彎矩最大；但是當樁體傾斜方向不同時,樁頂正負彎矩也不同。綜合來看,3種工況的承載力大小為工況1＞工況2＞工況3。

樁基工程；傾斜群樁；承臺；承載力；數(shù)值模擬

2015,32（12）：98－102

1 研究背景

在軟土地區(qū)進行工程建設(shè)時,由于其工程地質(zhì)性質(zhì)較差,往往采用樁基礎(chǔ),預(yù)應(yīng)力管樁以其諸多優(yōu)勢在工程中得到了廣泛應(yīng)用[1－3］；但是由于施工擾動、土方開挖等原因,管樁經(jīng)常發(fā)生傾斜事故,給工程建設(shè)帶來困難[4－6］,因此對傾斜樁的承載力特性及傾斜樁處理措施的研究顯得非常必要。

國內(nèi)外一些學(xué)者對此已有研究,并取得了一定的成果。鄭剛等[7－9］采用模型試驗、數(shù)值模擬等方法對單根傾斜樁的承載力特性以及傾斜樁的加固措施進行了研究,得到了一些規(guī)律性的認識；王新泉等[10］采用模型試驗對傾斜樁的承載性能進行了研究,并擬合了傾斜樁極限承載力與傾斜角度的關(guān)系；Gerolymos等[11－12］采用數(shù)值模擬手段對傾斜群樁在地震荷載下的工作性狀進行了研究；梁發(fā)云等[13］采用模型試驗研究了土體側(cè)移對單樁及雙排樁工作性狀的影響；陳榮保等[14］采用數(shù)值模擬對帶承臺傾斜群樁的彎矩分布特征進行了研究,得到了傾斜單樁與傾斜群樁受力特征的區(qū)別。前人的研究主要集中在傾斜單樁承載力性狀方面,而對群樁傾斜的研究較少,對帶承臺的傾斜群樁承載力特征尚無明確描述,而實際運用中管樁均與承臺連接使用,因此對承臺－傾斜樁的承載力性狀研究更具現(xiàn)實意義。

本文以連云港海相軟土條件下樁基工程為例,研究帶承臺傾斜群樁的承載力性狀。首先選取傾斜樁工程實例數(shù)據(jù)進行數(shù)值模擬擬合,反演得到軟土的物理力學(xué)參數(shù),進而分析群樁的傾斜角度及傾斜方向?qū)С信_傾斜群樁的承載力、彎矩分布的影響。

2 現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)反演

為了保證數(shù)值模擬所用參數(shù)的正確性,用現(xiàn)場單樁承載力實測數(shù)據(jù)進行反演。試樁位于連云港地區(qū),地基中存在數(shù)米厚的淤泥質(zhì)軟土。

連云港市地區(qū)在大地構(gòu)造上屬中朝地臺、魯東古隆起地塊。巖土種類既有古老的變質(zhì)巖,又有近代沉積的海相淤泥。根據(jù)地形地貌可分為構(gòu)造剝蝕山地、山前堆積臺地及海積平原3個工程地質(zhì)區(qū),試樁區(qū)域位于海積平原上。根據(jù)鉆探資料,試樁區(qū)域主要地層描述如下。

①黏土：黃褐色,土質(zhì)均勻,切面光滑,無搖震反應(yīng),強度中等,韌性中等,可塑—軟塑狀態(tài)。

②淤泥：灰青色,土質(zhì)均勻、細膩,具腥臭味,切面光滑,飽和,流塑狀態(tài)。

③粉質(zhì)黏土：褐黃色,夾灰綠色,土質(zhì)均勻,具層理,切面光滑,無搖震反應(yīng),干強度較高,韌性較高,可塑—硬塑狀態(tài)。

④黏土：褐黃色,夾灰綠色,土質(zhì)較均,切面有光澤,干強度高等,韌性高等,無搖震反應(yīng),可塑—硬塑狀態(tài)。

⑤全風(fēng)化片麻巖：灰黃色,夾灰白色,原巖結(jié)構(gòu)構(gòu)造已經(jīng)被破壞,風(fēng)化成砂土狀,手捏易碎,風(fēng)化不均,密實。

⑥強風(fēng)化片麻巖：灰黃色—灰白色,巖芯多呈碎塊狀,少量短柱狀,粒狀變晶結(jié)構(gòu),片麻狀構(gòu)造,手捏可碎,巖體結(jié)構(gòu)面距離＜0.2 m,單軸飽和抗壓強度平均值為2.62 MPa,標準值為2.42 MPa。

⑦中風(fēng)化片麻巖：灰黃色—灰白色,巖芯呈短柱狀或柱狀,敲擊聲脆,粒狀變晶結(jié)構(gòu),片麻狀構(gòu)造,巖體結(jié)構(gòu)面0.2～0.3 m,單軸飽和抗壓強度平均值為10.71 MPa,標準值為10.07 MPa。

預(yù)應(yīng)力管樁樁長24 m,入土深度為23.8 m,直徑為500 mm。實測與計算數(shù)據(jù)擬合結(jié)果見圖1,其中計算數(shù)據(jù)略大,這是由于實測數(shù)據(jù)為加載2 h讀數(shù),而計算數(shù)據(jù)為計算至最終穩(wěn)定狀態(tài)的數(shù)據(jù)。從擬合結(jié)果來看,數(shù)值模擬采用的參數(shù)是合理的。土層物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 地基土的物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters of foundation soils

3 數(shù)值模型及計算條件

數(shù)值模擬采用有限差分軟件FLAC3D,模型尺寸根據(jù)文獻[2］中建議取值,模型長寬均為30 m,高為50 m,承臺采用實體單元模擬,管樁采用軟件自帶的結(jié)構(gòu)單元pile模擬,為端承摩擦樁,樁與承臺為固定連接。承臺彈性模量為33 GPa,管樁彈性模量為29 GPa,樁長為24 m,如圖2所示。計算時巖土體本構(gòu)為摩爾-庫倫模型,物理力學(xué)參數(shù)采用表1中數(shù)據(jù)。

圖2 數(shù)值模型Fig.2 Numerical model

數(shù)值模擬邊界條件為：在模型底部施加全約束；模型四周約束其水平向變形；模型頂部無約束。

模擬時取2根樁加承臺為研究對象,其中1根樁為豎直樁,另1根為傾斜樁,取傾斜程度為0%,1%,2%,4%,6%,8%,12%共7種工況,傾斜方向如圖3所示。文中的傾斜角度為傾斜位移與樁長的百分比。

圖3 傾斜樁傾斜方向示意圖Fig.3 Schematic diagram of inclined direction of the pile

工況1為樁體向遠離豎直樁方向傾斜,工況2為向靠近豎直樁方向傾斜,此2種工況定為水平向傾斜（與承臺長軸方向平行）,工況3為垂直向傾斜（與承臺長軸方向垂直）。

4 計算結(jié)果分析

4.1 樁體傾斜對承載力的影響

管樁與承臺連接之后由于其承載力較大,很難進行現(xiàn)場靜載試驗,然而數(shù)值模擬技術(shù)可以解決這樣的問題。本文針對上述3種工況進行了計算,結(jié)果見圖4。

從圖4中可以看出,單根樁體傾斜對承載力的影響不大,特別是工況1條件下,樁體傾斜對承載力的影響甚微,這與不考慮承臺僅研究傾斜單樁的結(jié)果有所區(qū)別,即樁體傾斜并未明顯減低承臺－樁體系的承載力。這是由于承臺及豎直樁限制了傾斜樁的位移發(fā)展,承臺與樁組成了一個框架體系,因此,當其中1根樁傾斜時,整個體系的承載力并未明顯減低。

圖4 各工況荷載與沉降的關(guān)系曲線Fig.4 Relationship between load and settlement under different working conditions

對比圖4（a）至圖4（c）的沉降量可看出,工況3最大,工況1最小。為了更加清晰地表達該關(guān)系,現(xiàn)以傾斜程度為10%及12%為例,對比荷載為8 100 kN條件下的各工況樁體的沉降,見圖5。圖5說明樁體傾斜方向?qū)Τ信_－傾斜樁的承載力也有影響,結(jié)果顯示相同條件下垂直向傾斜時承載力最低,樁體向內(nèi)側(cè)水平向傾斜時承載力居中,樁體向外側(cè)水平向傾斜時承載力最高。

圖5 荷載8 100 kN下各工況的計算結(jié)果對比Fig.5 Relationship between calculated settlement and working condition under load of 8 100 kN

4.2 樁身軸力分布特征

以荷載為8 100 kN的計算結(jié)果為例,分析承臺－傾斜樁體系中豎直樁及傾斜樁的軸力情況,計算結(jié)果顯示傾斜樁及豎直樁的軸力分布特征相同,即樁頂軸力均最大,然后向樁底逐漸減小至0,因此只比較各工況下樁頂軸力,分析結(jié)果見圖6。

圖6 各工況傾斜程度與樁身軸力的關(guān)系Fig.6 Relationship between axial force of pile shaft andinclined degree under different working conditions

從圖6中可以看出,各工況下豎直樁的軸力隨著傾斜程度的變化規(guī)律不盡相同。而且傾斜樁的樁頂軸力發(fā)展趨勢有別于豎直樁,在工況1條件下,樁頂軸力隨著傾斜程度的增加先增大后減小,而且當傾斜程度約達6%之后,小于豎直樁的樁頂軸力。工況2、工況3傾斜樁樁頂軸力隨著傾斜程度的增加均呈增加趨勢,且均大于未傾斜時的軸力。另外從樁頂軸力數(shù)值上來看,工況1最小,工況2居中,工況3最大。

4.3 樁身彎矩分布特征

仍然以8 100 kN下的計算結(jié)果為例來分析樁身彎矩,其分布情況如圖7所示,其中縱軸表示樁長,0 m處為樁頂,－24 m處為樁底,圖7為各工況條件下傾斜程度為10%的計算結(jié)果。計算結(jié)果顯示樁身彎矩分布也有別于未考慮承臺的傾斜單樁,未考慮承臺的傾斜單樁最大彎矩位于樁身上部樁頂以下。

圖7 樁身彎矩分布Fig.7 Moment distribution of the pile shaft

從圖7中可以看出,工況1條件下體系中傾斜樁與豎直樁均產(chǎn)生了較大彎矩,且最大彎矩為正且均位于樁頂,在樁身下部產(chǎn)生了較大的負彎矩,但數(shù)值小于樁頂?shù)呢搹澗亍膹澗刂祦砜?傾斜樁要大于豎直樁。工況2條件下樁身彎矩分布與工況1的區(qū)別在于樁頂為負彎矩,樁身下部為正彎矩,這是由于這2種工況樁的傾斜方向相反所致。而工況3樁身彎矩分布與工況2類似,但是數(shù)值上要小得多,且傾斜樁與豎直樁彎矩值基本相同。從彎矩分布特征來看,可以認為承臺與樁頂連接處的剛度對體系的承載力有較大影響,因此在實際操作時可以通過提高此處剛度來保證承臺－傾斜樁體系的安全性。

其他情況計算結(jié)果均與此類似,因此在比較時僅給出各工況的樁頂彎矩。比較結(jié)果見圖8。

從圖8中可以看出3種工況下,隨著傾斜程度的增加,樁頂彎矩也逐漸增大,僅工況3中傾斜樁的彎矩值變化規(guī)律存在波動,但整體發(fā)展趨勢未變。另外從彎矩值來看,傾斜樁的樁頂彎矩要大于豎直樁,工況3條件下樁頂彎矩明顯小于其他工況,工況2略大于工況1。

圖8 各工況傾斜程度與彎矩的關(guān)系Fig.8 Relationship between moment at the top of the pile and inclined degree under different working conditions

5 結(jié) 語

通過對承臺－傾斜樁結(jié)構(gòu)體系承載力、樁身軸力以及樁身彎矩的計算分析,現(xiàn)總結(jié)如下：

（1）3種工況條件下,樁體傾斜對體系承載力的影響甚微,說明在承臺－傾斜樁結(jié)構(gòu)體系中個別樁體的傾斜不影響整體的承載力。通過對比3種工況下體系承載力可知,工況1最大,工況3最小。

（2）隨著樁體傾斜程度的增加,3種工況下傾斜樁及豎直樁的軸力均有所增加,僅工況1條件下傾斜樁軸力呈先增大后減小趨勢,且當傾斜程度達6%以后小于豎直樁的樁身軸力。

（3）從彎矩分布特征來看,3種工況下樁頂彎矩值均最大,樁身下部均存在與樁頂符號相反的彎矩值；但是,樁體傾斜方向不同,其彎矩正負號也不同,工況2和工況3的樁頂存在負彎矩,工況1樁頂存在正彎矩。

文中僅對承臺－樁體系中1根樁發(fā)生傾斜情況下的樁身承載力進行了研究,今后將展開2根樁均傾斜時體系承載力的研究,并分析承臺與樁頂連接處的剛度對體系承載力的影響。

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（編輯：黃 玲）

Bearing Capacity Behavior of Inclined Pile-cap System

SHAO Yong,ZHU Jin-jun,MA Qing-hua
（School of Architectural Engineering,Lianyungang Technical College,Lianyungang 222006,China）

Accidents such as inclination of pile shaft are common in the construction of prestressed concrete pipe pile.In order to get the bearing capacity behavior of inclined pile-cap system,firstly,we carried out in-situ tests and obtained rational parameters for strata and pile shaft.Then,we computed the structure system of cap with two piles,one of which is inclined,and discussed the system under 3 working conditions.The results show that：bearing capacity of the system is not much affected on the condition of inclination of one pile,in particular,the effect can be negligible under the working condition 3；then the pile's axial force increases with the increase of tilt degree of the pile shaft,only in the case 1,the axial force increases first and then decreases；furthermore,the distribution characteristics of moment is similar in three conditions：the maximum moment is located at the top of pile,but when the tilt direction is different,the pile moment's symbol is also different；in the general,the maximum value of bearing capacity for three conditions is case 1,followed by case 2,case 3.

pile foundation engineering；inclined pile group；cap；bearing capacity；numerical simulation

TU473

A

1001－5485（2015）12－0098－05

10.11988/ckyyb.20140578

2014－07－15；

2014－08－19

住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部科技計劃項目（2015－K3－023）；江蘇省建設(shè)系統(tǒng)科技項目（2015ZD37）；江蘇省“六大人才高峰”高層次人才資助項目（2014－JZ－016）

邵 勇（1982－）,男,江蘇連云港人,講師,博士,主要從事巖土工程方面的教學(xué)及科研工作,（電話）13851289149（電子信箱）silinfe＠sina.com。