濕陷性黃土地區(qū)樁基負摩阻力試驗研究

陳新澤，胡 昕，張希宏

(中國能源建設集團西北電力設計院，陜西 西安 710032)

隨著我國西北部深厚層濕陷性黃土地區(qū)樁基工程的廣泛實施，其樁基負摩阻力特性有待進一步研究。本文結(jié)合該地區(qū)樁基浸水載荷試驗資料及成果，基于力水等效法，采用有限元差分軟件，模擬分析黃土的濕陷性及其樁土相互作用規(guī)律。即通過循環(huán)賦值增加土體容重、減小體積模量和剪切模量來模擬黃土因水浸濕而產(chǎn)生的強度衰減，在新的應力場作用下土體產(chǎn)生的變形即為濕陷變形。對自重濕陷性黃土在浸水后樁土相互作用、中性點位置的變化、荷載傳遞特性和樁長、樁頂荷載、地表超載、樁端土模量及固結(jié)時間等影響因素進行研究，以期探討其荷載傳遞規(guī)律，分析各級荷載作用下樁土作用機理，獲得在干燥和浸水狀態(tài)設計荷載作用下樁基產(chǎn)生的沉降變形、單樁豎向荷載變化情況，分析樁身側(cè)摩阻力沿樁身的分布性狀及其負摩阻力影響因素，以期建立濕陷性黃土地區(qū)考慮負摩阻力及其影響因素的實用樁基設計方法。

1 樁基浸水載荷現(xiàn)場試驗實例分析

蘭州某電廠采用人工挖孔擴底灌注樁。場地上部地基土為黃土狀粉土，局部夾薄層卵石層，總厚度約20 m；下部為碎石土層，下伏基巖為泥巖。場地屬于自重濕陷性場地，濕陷等級為Ⅱ級，濕陷土層下限約16 m。

負摩阻力測試采用滑動測微計法。試驗共選取3根人工挖孔灌注樁A1、A2、A3，樁長24.5 m，樁身直徑0.9 m。試驗分兩種類型：①A1、A2樁先靜載加荷至設計荷載的1.2倍；A2樁在恒載條件下浸水飽和，測得浸水基樁的附加沉降量，隨后停水分級加載直到破壞，再分級卸荷；②A3樁先不加載，浸水使地基土飽和，然后在浸水飽和狀態(tài)下進行靜載荷試驗直至破壞。各樁的負摩阻力均發(fā)生在停水后，與地面沉降一樣是由于土層固結(jié)沉降引起的，詳細測試結(jié)果見表1。

表1 某電廠人工挖孔擴底灌注樁負摩阻力測試結(jié)果

2 數(shù)值模擬分析

結(jié)合上述樁基浸水載荷試驗實例，樁、土物理力學指標見表2。采用數(shù)值模擬軟件建立相應三維地質(zhì)模型，并針對各負摩阻力影響因素進行數(shù)值模擬分析，對照分析試樁報告總結(jié)歸納得出一定的規(guī)律。

表2 樁、土物理力學指標

具體步驟如下：

(1)建立幾何模型，基樁采用pile單元、巖土體采用solid45實體單元、接觸面采用interface單元。

(2)樁單元相關(guān)參數(shù)賦值采用樁周土體，設定重力加速度和邊界約束條件，獲得初始應力場。

(3)樁單元相關(guān)參數(shù)改為混凝土，計算獲取設置樁后的自重應力場。

(4)位移清零，循環(huán)折減濕陷性黃土強度參數(shù)，增加濕陷黃土層容重，當土體單元沉降速度大于樁體時，通過接觸面單元的設置，在樁土界面產(chǎn)生剪切力，即負摩阻力。

(5)逐級施加樁頂豎向荷載，進行后處理和結(jié)果分析。樁基、樁周土層及接觸面單元采用的物理力學參數(shù)見表2。

模型基底面采用剛性邊界，x、y、z方向的位移約束為零；四周和上部邊界均為自由邊界。初始應力場按自重應力場考慮。采用非關(guān)聯(lián)準則的各向同性彈塑性本構(gòu)模型和Mohr－Coulomb屈服準則。

2.1 樁基荷載傳遞數(shù)值模擬分析

按照樁基試驗條件，對A3樁荷載工況進行數(shù)值模型分析，見圖1—圖6。

圖1—圖3分別為浸水后樁體施加荷載時，樁土節(jié)點單元豎向應力、最大主應力、最小主應力集中情況等值區(qū)分布圖。由圖可知，各應力分布規(guī)律基本一致，樁周土體單元應力遠低于同一水平面樁體內(nèi)的應力水平；同時樁單元內(nèi)的最大、最小主應力沿著樁身由上至下均逐步增大。在約19.0 m處豎向應力達到最大，為7.21e5 kPa；最大主應力達到6.99e5 kPa，最小主應力達到2.26e5 kPa。隨后減小至一定值，并在嵌固段形成應力集中。充分表明荷載主要由樁體承擔，樁身最大軸力處即中性點位置在持力層上部一定高度。

圖1 樁土節(jié)點單元豎向應力等值區(qū)圖

圖2 樁土節(jié)點單元最大主應力等值區(qū)圖(局部放大)

圖3 樁土節(jié)點單元最小主應力等值區(qū)圖(局部放大)

圖4 樁土節(jié)點單元豎向位移等值區(qū)圖

圖5 樁土節(jié)點單元體積應變增量等值區(qū)圖

圖6 樁土節(jié)點單元豎向加速度等值區(qū)圖

圖4、圖5分別為樁體施加一定荷載，樁周土分級施加20 kPa等效堆載模擬濕陷時，樁土節(jié)點單元位移等值區(qū)和體積應變增量等值區(qū)分布圖。由圖可知，表層黃土在浸水濕陷后普遍發(fā)生沉降。最大豎向位移為1.0e－2 m，最大應變增量為6.56e－3 m，樁周土在樁土相互作用下沉降較小。樁頂最大豎向位移為1.22e－2 m，沉降主要集中于樁端持力層段。這與現(xiàn)場濕陷區(qū)和樁體的沉降規(guī)律基本相符。

圖6為樁土節(jié)點單元豎向加速度等值區(qū)分布圖?？芍庇^的反應出具有較大豎向加速度的節(jié)點單元主要集中于樁體及周邊土體的上部和底部，中下部段為零。即可表明中性點位置處土體單元與樁體單元的沉降速度一致，在其上部局部段樁周土體節(jié)點單元加速度明顯大于同一平面的樁體，反應出由于樁周土體沉降速度大于樁身而產(chǎn)生負摩阻力，形成對樁體的下拉荷載，增加樁身附加軸力，這符合黃土層發(fā)生濕陷時負摩阻力的形成機理。該數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場樁基浸水載荷試驗中A3樁工況條件下樁體沉降、中性點位置和負摩阻力值的實驗結(jié)果基本相符。

3.2 不同樁長對負摩擦力的影響

為了研究樁長對承受豎向荷載樁基的負摩阻力特性，樁長分別取15 m、18 m和20 m，直徑取0.9 m，樁身混凝土標號C25，樁周取同一黃土層。先通過試驗成果中的荷載－沉降曲線確定樁的極限承載力，取樁頂沉降對應的樁頂荷載P和正常狀態(tài)下的承載力特征值R(取4000 kN)。分析樁頂無荷載和按承載力特征值的50%、75%、100%和125%四種樁頂荷載作用，地面等效堆載均取20 kPa時的負摩阻力特性。

圖7為在不同樁頂荷載作用下樁基沉降的p－s曲線。在相同的地面等效堆載作用下15 m、18 m和20 m樁長的沉降值分別為10.6 mm、9.5 mm和8.4 mm。說明對于摩擦型樁基，由于地面等效堆載引起的沉降，樁越長越小。由荷載－沉降曲線可知，15 m樁的沉降隨荷載增加的速率最快，18 m樁次之，20 m樁的沉降速率最為緩慢。這與常規(guī)摩擦樁的荷載－沉降關(guān)系是完全協(xié)調(diào)的。

圖7 不同樁長下荷載對沉降的影響

由圖7還可知，當樁頂荷載與承載力特征值比值P/R較小時，不同樁長的p－s曲線幾乎平行；當比值P/R較大時，p－s曲線斜率加大，隨著荷載的增加，沉降速率逐漸加快；且這種變化趨勢以樁越短越明顯。

2.3 樁頂荷載對負摩擦力的影響

圖8為在不同樁頂荷載P/R作用下中性點以上長度Ln與有效樁長L之比，即中性比(ε=Ln/L)的變化曲線。樁長取15 m、18 m和20 m，當樁頂無荷載時，中性比分別為0.805、0.71和0.66；當樁頂荷載為樁承載力特征值的50%時，中性比分別為0.68、0.60和0.57；當樁頂荷載為樁承載力特征值時，中性比分別為0.60、0.54和0.51。由此表明，摩擦型樁頂部荷載對于負摩阻力特性有較大影響。不考慮樁頂荷載確定的中性點位置最低。隨著樁頂荷載的增加，負摩阻力逐漸減小直至逐漸消失而轉(zhuǎn)化為正摩阻力。中性點位置明顯地上移，樁身中性點位置以下提供的正摩阻力總量增加，且樁長越短中性點位置上移越快。相同樁頂荷載作用下，隨著樁長的增加，中性點位置略有下移，中性比明顯下降，其波動的范圍也明顯減小。

圖8 樁頂荷載對中性點位置的影響

由此可知，目前相關(guān)規(guī)程規(guī)范采用不考慮樁頂荷載影響，按照定值估計中性點位置的方法得出的中性點位置明顯偏低，而使結(jié)果偏于保守。這與夏力龍等學者研究成果一致。

圖9、圖10反映出樁頂荷載對負摩阻力引起的附加樁身軸力(即下拽力Pn)關(guān)系曲線圖。樁長取15 m、18 m和20 m，當樁頂無荷載作用時，附加樁身軸力分別為897 kN、1001 kN和1092 kN；當樁頂荷載為樁承載力特征值的50%，附加樁身軸力分別為689 kN、767 kN和858 kN；當樁頂荷載為樁承載力特征值時，附加樁身軸力分別為422.5 kN、552.5 kN和624 kN。

由圖可知，對于摩擦型樁基，樁頂荷載的存在可以減小負摩阻力引起的附加軸力值。隨著樁頂荷載與承載力特征值比值P/R的增大，負摩阻力引起的下拽力明顯減小。在比值P/R小于75%時，其下降趨勢基本一致，當比值P/R大于75%時，其下降的趨勢逐漸明顯。且樁越短時，下拽力數(shù)值越小，下降速度越快，幅度越大。

圖9 樁頂荷載P與下拽力Pn的關(guān)系

圖10 不同地面等效堆載作用下的軸力圖

2.4 地表等效堆載對負摩擦力的影響

在樁的實際狀況中，地面等效堆載和樁頂荷載一般不是同時施加的。濕陷性黃土地區(qū)樁基浸水載荷試驗的加載次序一般有兩種：①樁頂荷載先施加，引起土體沉降的外部作用(如地面等效堆載，地下水位下降等)在樁頂荷載之后施加。②在施加樁頂荷載之前樁周土體先浸水沉陷，使負摩阻力先發(fā)揮出來，然后再施加樁頂荷載。本文重點研究第二種加載方式。

為了研究黃土濕陷性對負摩阻力的影響，浸水濕陷等效為地面堆載，同時黃土層強度參數(shù)折減。取樁側(cè)和樁端土的模量均為5 MPa，摩擦系數(shù)保持不變，樁頂無荷載，計算不同超載P0作用下的負摩阻力特征。圖10、圖11為地面等效堆載對負摩阻力引起的附加樁身軸力和平均側(cè)摩阻力曲線圖。當?shù)孛娴刃Ф演dP0分別為20 kPa、40 kPa、60 kPa時，對應的最大軸力分別為585.7 kN、1065.5 kN和1325.7 kN；最大負摩阻力分別為－51.2 kPa、－74 kPa和－85.2 kPa。隨著超載P0的增大，樁身的最大軸力增大，最大負摩阻力值增大，最大正摩阻力也相應增大。中性點的位置下降，即中性比(ε=Ln/L)增大。同時也反應出不同超載情況下，樁身軸力沿樁身由上至下逐步增大，到中性點位置達到最大，隨后逐步減小。在中性點位置上部段，樁身由上至下的負摩阻力數(shù)值亦先逐步增加至最大后減小至零，與樁身軸力變化規(guī)律基本一致。

2.5 樁端土對負摩擦力的影響

現(xiàn)場實測表明，摩擦樁和端承樁的負摩阻力有顯著不同。本文通過改變樁端土的模量模擬摩擦樁和端承樁的情況，當端承樁的模量與樁周土相同時，可認為樁是摩擦型樁；當樁端土的模量遠大于樁周土時，認為樁具有端承型樁的性質(zhì)。

取樁周土為單一土層，彈性模量取Ec=5 MPa，樁長取20 m，樁徑取0.9 m，地表等效堆載P0=20 kPa。

圖12、圖13反映了樁端土的彈性模量對負摩阻力引起的附加樁身軸力和平均側(cè)摩阻力的影響。當樁端土的彈性模量Eb分別取5 MPa、50 MPa和100 MPa時，對應的樁身最大軸力分別為965.6 kN、1324.8 kN和1752.6 kN；最大負摩阻力分別為－62 kPa、－76.6 kPa和－90.6 kPa。隨著樁端土模量的增大，樁身的最大軸力也不斷增大，最大負摩阻力數(shù)值增大，中性點位置不斷下移，中性比增大。當樁端土模量為100 MPa，即Eb/Ec=20時，中性點位置下移至樁端或接近樁端位置。樁體幾乎全部產(chǎn)生負摩阻力，樁頂荷載全部由樁體承擔，并傳遞至樁端持力層，此時樁可以視為端承樁。同時由圖可知不同模量的樁端土情況下，在樁身上部段負摩阻力和樁身軸力發(fā)展規(guī)律基本一致，且數(shù)值達到最大前基本相同。樁身的最大軸力在中性點位置達到最大后逐步減小，并在嵌固段形成應力集中。

圖12 不同樁端土模量時的軸力圖

圖13 不同樁端土模量時樁側(cè)的平均側(cè)摩阻力

2.6 負摩擦力隨固結(jié)時間的發(fā)展

樁側(cè)土沉降引起的樁基負摩阻力，其產(chǎn)生的根本原因是超載引起了下部土體濕陷或固結(jié)。隨著土體濕陷或固結(jié)的發(fā)展，樁身軸力、樁基負摩阻力也隨之變化。取樁項荷載為2000 kN、地面等效堆載為20 kPa，樁土界面折減系數(shù)為0.6，樁周土的水平和豎向滲透系數(shù)均為0.1 m/d時，隨著固結(jié)時間不斷增長的單樁樁身軸力圖見圖14。

圖14 樁身靜載浸水期軸力分布與固結(jié)時間關(guān)系曲線

隨著黃土層的固結(jié)沉降，負摩阻力的產(chǎn)生給樁身帶來明顯的下拉荷載，使得樁身軸力不斷增加。固結(jié)24 h后樁身最大軸力達到2050.5 kN，固結(jié)30天后樁身最大軸力達到2297.8 kN。隨著固結(jié)時間的發(fā)展，樁身最大軸力不斷增大，在固結(jié)后期增大速度明顯減緩。圖中曲線還說明在土體濕陷或固結(jié)初期，土體沉降主要發(fā)生在樁周土層的上部，中性點位置在樁身中下部，下部樁土相對位移較小段存在正摩阻力。隨著黃土層不斷濕陷、固結(jié)沉降以及樁身下拉荷載的基本穩(wěn)定，中性點逐步下降，在固結(jié)約90天后，整個樁身大部分都處于負摩阻狀態(tài)，中性點位置下降到接近樁底，樁身軸力出現(xiàn)最大值。

3 結(jié)論

本文采用FLAC3D軟件對濕陷性黃土地區(qū)樁基的負摩阻力特性進行了數(shù)值模擬試驗分析，模擬了樁長、樁頂荷載、地表等效堆載、樁端土、固結(jié)時間等因素等對負摩阻力特征的影響，獲得以下重要結(jié)論：

(1)結(jié)合樁基浸水載荷試驗實例，數(shù)值模擬結(jié)果與其試驗成果基本吻合，本方法可為濕陷性黃土地區(qū)的樁基負摩阻力特性研究提供更直觀合理的依據(jù)。

(2)樁頂荷載引起樁體的沉降，樁越短，沉降越大，沉降的速率越快。當樁頂荷載與承載力特征值比值P/R較小時，不同樁長的p－s曲線幾乎是平行的；當比值P/R較大時，p－s曲線有斜率加大的趨勢，這種趨勢以樁越短越明顯。

(3)不考慮樁頂荷載確定的中性點位置是最低的。隨著樁頂荷載的增大，中性點位置會明顯地上移。

(4)隨著樁頂荷載與承載力特征值比值P/R的增大，負摩阻力引起的下拽力明顯下降，而且下降的趨勢逐漸明顯。

(5)隨著超載P0的增大，最大負摩阻力數(shù)值增大，最大正摩阻力也相應增大，中性點位置下移，樁身最大軸力增大。

(6)隨著樁端土模量的增大，最大負摩阻力數(shù)值增大，中性點位置不斷下移，中性比增大，樁身最大軸力也不斷增大。

(7)隨著固結(jié)時間的增長，中性點位置逐步下移，負摩阻力數(shù)值增大，樁身最大軸力也不斷增大至基本穩(wěn)定。

對于樁土界面摩擦性狀、樁土相對剛度、樁周多層黃土結(jié)構(gòu)、加載次序等其它因素對樁基負摩阻力的影響，本文由于時間精力有限，有待進一步深入研究。

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