應(yīng)力釋放孔對大噸位靜載實驗的影響分析

王 濤 朱 靜 秦世偉

(1.上海大學(xué)，上海 200433; 2.上海祥測土木工程技術(shù)有限公司，上海 200072)

應(yīng)力釋放孔對大噸位靜載實驗的影響分析

王 濤1朱 靜2秦世偉1

(1.上海大學(xué)，上海 200433; 2.上海祥測土木工程技術(shù)有限公司，上海 200072)

分析了大噸位堆載作用對于基準樁變形的影響，依據(jù)工程實際經(jīng)驗，提出了一定條件下，在基準樁開設(shè)應(yīng)力釋放孔，可達到減小基準樁變形的有效作用，并通過有限元軟件ABAQUS進行建模分析，對基準樁開設(shè)應(yīng)力釋放孔的有效性給出結(jié)論。

大噸位靜載實驗，基準樁變形，應(yīng)力釋放孔

0 引言

樁基礎(chǔ)的承載和設(shè)計的核心問題是需要準確的預(yù)測樁的極限承載力和剛度，在實際工程中，一般都是通過樁的現(xiàn)場靜載實驗來完成，該方法也是目前國際上公認的獲取單樁豎向抗壓、抗拔承載力的最基本和最可靠的方法，然而也受制于一部分實驗條件，試樁沉降的測量都是通過固定在基準梁上的位移觀測計來完成的，基準梁又是架設(shè)在基準樁上，基準樁埋設(shè)在離壓重平臺和試樁距離不遠的土層里，在常規(guī)堆載試驗中，因為地基土偏軟問題，地基土在試驗開始瞬間產(chǎn)生回彈，帶動基準樁向上位移，由于基準樁產(chǎn)生豎向位移，導(dǎo)致整個基準系統(tǒng)上浮，常常由于此時試樁樁頂沉降量往往小于基準梁的豎向位移，出現(xiàn)“負”值讀數(shù)。對于大噸位的樁基礎(chǔ)應(yīng)用越來越廣泛的今天，基準系統(tǒng)的“負”值讀數(shù)足以對試樁的沉降測量帶來很不利的影響，張尚根、劉新宇[1]、程惠陽[2]對樁基大噸位靜載實驗的研究中，曾提出了基準樁變形對測試結(jié)果的不利影響，但都停留在簡單的理論影響因素分析上，并沒有實際的數(shù)據(jù)分析或者模擬計算分析，在洪鑫[3]的研究中，雖然通過理論模擬計算總結(jié)歸納出基準樁變形對于試樁沉降的影響，但在結(jié)論中簡單的提到了要合理布置基準樁的位置以達到基準樁變形最小，但對如何實現(xiàn)合理布置沒有做進一步的說明，缺乏解決這一問題的明確辦法，在發(fā)布的國家規(guī)范[4]中，雖然有著試樁、壓重平臺支墩邊、基準樁之間的中心距離大于4倍試樁的設(shè)計直徑且大于2.0 m的硬性規(guī)定，但在工程實踐中，因工程進度、經(jīng)濟等各方面因素的影響，經(jīng)常在地表軟土進行大批量的堆載試驗，故在不利試驗條件下，有效的減小基準樁的變形對試樁沉降測量結(jié)果的影響，具有明顯的工程實際意義。

1 大噸位靜載實驗特點及分析

如圖1所示，壓重平臺反力試驗是常規(guī)靜載試驗方法之一，試驗開始前設(shè)置一承重平臺，上堆重物(一般為混凝土試塊)，堆載重物在試驗前一次性均勻的放置在承重平臺上，依靠放在樁頭的千斤頂施加反力，從而對試樁加載，由于實驗前需一次性均勻堆設(shè)重物，其重量由兩端的支撐墩傳遞至地面，使得樁周土受到一定的影響，由于基準樁又是埋設(shè)在附近的樁周土里，壓重平臺的大噸位堆載造成樁周土的沉降會帶動基準樁一起沉降，而試樁加載、樁周土卸載時，又伴隨著地基土的回彈，基準樁上浮，帶動整個基準系統(tǒng)出現(xiàn)“負”值讀數(shù)，當(dāng)試樁卸載時，堆載又全部作用在地層上，地層將又產(chǎn)生新的沉降，因此，基準樁在這下沉—回彈—再下沉的過程中，不可避免的將產(chǎn)生沉降變形，而這種變形又將不斷地疊加到試樁沉降的測量中，對最終確定樁的極限承載力產(chǎn)生較大的誤差。

1.1 應(yīng)力釋放孔原理

在實際工程中，壓重平臺的堆載與卸載均會使承載臺周邊的土體應(yīng)力發(fā)生變化，使得土體發(fā)生水平及豎向位移，因而埋設(shè)在樁周土里的基準樁也隨之產(chǎn)生變形，為了減小基準樁的變形對試驗結(jié)果帶來的影響，擬對基準樁開設(shè)一定深度、一定范圍的應(yīng)力釋放孔，來達到減小變形的目的，在常規(guī)堆載試驗中：首先，由于大噸位堆載作用的存在，地基表層土的變形位移比較大，部分土體甚至超越了其地基土的承載力，造成地基土體局部隆起，應(yīng)力集中，由于基準樁埋設(shè)深度較淺，很容易受其影響；其次，由于地基土體在大噸位堆載的作用下，地基土承受的應(yīng)力發(fā)生變化，樁周土的滲透性會產(chǎn)生不同程度的孔隙水壓力，側(cè)向、豎向位移，從而造成了試樁沉降測量失真。因此在工程現(xiàn)場測試中，擬對基準樁開設(shè)一定深度、一定范圍的應(yīng)力釋放孔來消除應(yīng)力集中現(xiàn)象，采取上述措施后，整個基準系統(tǒng)穩(wěn)定，基本沒有“負”值現(xiàn)象的出現(xiàn)。

1.2 理論分析

依據(jù)彈性理論，條形荷載作用下地表的沉降采用彈性理論法進行計算[5]。按照布辛內(nèi)斯克(J.Boussinesq，1885)給出的一個豎向集中力F作用在彈性半空間表面時半空間內(nèi)任意一點M(x,y,z)處產(chǎn)生的垂直位移ω(x,y,z)解答，可取坐標z=0，則所得的半空間表面任一點垂直位移ω(x,y,0)就可作為地基表面任意點沉降W，其表達式如式(1)所示:

(1)

如圖2所示，依據(jù)文獻[6]中算例的相關(guān)土體參數(shù)，采用ABAQUS有限元軟件進行建模分析，并對理論計算的結(jié)果ω1與ABAQUS有限元軟件計算的結(jié)果ω2進行比對，其結(jié)果見圖3。

由圖3可以看出，在沒有試樁和基準樁的自由場土體中，大噸位堆載會對基準點S的沉降產(chǎn)生一定的影響，且該基準點的沉降隨著離試樁距離的增大而減小，理論計算和數(shù)值模擬的結(jié)果都很好的反映了這一結(jié)論。

2 數(shù)值模擬

2.1 本構(gòu)模型

樁身材料由于剛度較大，本構(gòu)模型按線彈性體考慮，土體為彈塑性材料，假定其服從摩爾—庫侖屈服準則，為很好的模擬樁土間的錯動滑移，需在樁土界面處設(shè)置接觸對，采用面對面的離散方法，選取摩擦罰函數(shù)。其中，在樁土接觸面上，定義樁為主控面(master-surface)，土為從屬面(slave-master)。接觸單元的性質(zhì)設(shè)置法向和切向特性，切向特性主要設(shè)置摩擦系數(shù)μ，其中μ=tanδ。ABAQUS中有多種塑性本構(gòu)模型[7]，在筆者研究中，采用比較常用的摩爾—庫侖模型[8]，相關(guān)參數(shù)有：內(nèi)摩擦角φ，粘聚力c，膨脹角ψ。砂性土近似采用ψ≈φ-30°進行計算[9],當(dāng)ψ≤0時，可取ψ=0；粘性土的剪脹性一般較小，可取剪脹角ψ≈0。

2.2 幾何模型

計算模型見圖4，分別由壓重平臺支墩、試樁、基準樁、土體構(gòu)成，其中壓重平臺支墩尺寸為9 m×6 m,E=25 GPa，試樁樁長為50 m，樁徑d1=1 m，以試樁為中心建立平面坐標系，基準樁直徑d2=0.1 m，其坐標位置分別取(-0.8，-2),(-0.8，-6),(-0.8，-10)，應(yīng)力釋放孔開孔深度分別取0，2d1,4d1，開孔直徑為10d2，分析范圍中土層沿X,Y,Z軸各為25d1,25d1,100d1，共計分為四個土層，土層①厚度5 m，土層②厚度45 m，土層③為持力層，厚度25 m,土層④為基巖，厚度25 m,具體各項土層參數(shù)見表1，其均采用Mohr-Coulomb模型。

表1 樁和土層參數(shù)

類別土層厚度m彈性模量EMPa泊松比密度t/m3內(nèi)聚力ckPa內(nèi)摩擦角φ/(°)試樁502．5×10-40．1723．0——基準樁102．5×10-40．1723．0——樁周土雜填土5100．318918灰綠色粘性土45300．3518．55525持力層灰色粉細砂25550．2820．01035基巖25—————

2.3 堆載過程的模擬

整個實驗過程為：第一階段先將壓重平臺的荷載施加于土層上，由于附加應(yīng)力的作用，其會引起試樁和基準樁的沉降，見圖5a)，圖6,第二階段壓重平臺卸載，試樁加載，逐步將堆載施加于試樁上，見圖5b),此時壓重平臺的卸載會引起基準樁樁端土體的回彈，試樁樁頂?shù)募虞d會引起基準樁樁端位置沉降，此時試樁樁頂?shù)某两禐樵嚇冻两蹬c基準樁沉降的疊加。

運用上述的幾何模型和參數(shù)模擬大噸位堆載的實驗過程，并記錄在不同噸位堆載，基準樁在不同位置處，開設(shè)不同深度的應(yīng)力釋放孔時，得出第二階段基準樁的變形值Sj和基準樁變形值Sj占試樁沉降Sc的百分比，從而來考察開設(shè)應(yīng)力釋放孔對于減少試樁測量誤差的作用，通過分析比較，驗證開設(shè)應(yīng)力釋放孔對于減小試樁沉降測量誤差的有效性和可行性。

3 計算結(jié)果與分析

3.1 開設(shè)不同深度應(yīng)力釋放孔對基準樁沉降的影響

通過上述土體模型和參數(shù)對在2 700 t堆載作用下，考察基準樁在距離X軸不同距離，基準樁開設(shè)不同深度的應(yīng)力釋放孔時，基準樁變形值Sj及其占試樁沉降Sc百分比的模擬結(jié)果，見圖7，圖8。

由圖7，圖8可以看出，在2 700 t堆載的作用下，當(dāng)基準樁距X軸距離較近時(l=2d1)，基準樁開設(shè)的應(yīng)力釋放孔開孔深度越深，試樁加載、地基土卸載時基準樁的上浮值越小，且基準樁變形值占試樁沉降的百分比越小，由模擬結(jié)果可以看出，可以減小8%左右；當(dāng)基準樁距X軸距離較遠時(l=4d1)，基準樁開設(shè)的應(yīng)力釋放孔對實驗結(jié)果影響甚微。

3.2 不同噸位堆載對基準樁沉降的影響

通過上述土體模型和參數(shù)，對基準樁開設(shè)4d1深度應(yīng)力釋放孔，分別模擬計算出在540 t，1 080 t，1 620 t，2 700 t堆載作用下，考察基準樁在距離X軸不同距離時，基準樁變形值Sj及其占試樁沉降Sc百分比，具體見圖9，圖10。

從圖9和圖10中可以看出，在堆載法實驗中，開設(shè)相同深度的應(yīng)力釋放孔，當(dāng)基準樁距X軸距離一定時，堆載噸位越大，當(dāng)試樁加載、地基土卸載時，基準樁上浮值Sj就越大，且其占試樁沉降Sc的百分比就越大，其相關(guān)關(guān)系近似為線性關(guān)系；當(dāng)基準樁距X軸距離越大時，堆載噸位越小，基準樁上浮值Sj就越小，且其占試樁沉降Sc的百分比就越小。

4 結(jié)語

通過上述計算分析可得到如下結(jié)論：

1)在堆載法實驗中，堆載噸位較大，基準樁離試樁和壓重平臺的距離越近時，基準樁應(yīng)力釋放孔開孔深度越深，基準樁變形值Sj及其占試樁沉降Sc的百分比就越小，由模擬結(jié)果可以看出，百分比減小了8%左右，使測量系統(tǒng)的準確性得到了提高。

2)當(dāng)基準樁離壓重平臺和試樁的距離超過一定范圍時，開設(shè)不同深度的應(yīng)力釋放孔對于改善基準樁變形及其占試樁沉降百分比影響甚微。

3)在堆載法實驗中，開設(shè)一定深度的應(yīng)力釋放孔，當(dāng)基準樁距X軸距離一定時，堆載噸位越大，試樁加載、地基土卸載時，基準樁上浮值Sj就越大，且其占試樁沉降Sc的百分比就越大，其相關(guān)關(guān)系近似為線性關(guān)系。

4)在堆載法實驗中，當(dāng)堆載噸位較大，基準樁離試樁及壓重平臺距離較近時，針對基準樁開設(shè)相應(yīng)深度的應(yīng)力釋放孔能夠有效改善測量結(jié)果，提高準確性，但同時由于受到實驗條件的限制，在實際工程應(yīng)用中，應(yīng)綜合考慮堆載噸位、基準樁離試樁及壓重平臺的距離、應(yīng)力釋放孔開孔深度，尋求最佳的組合，以達到基準樁變形最小，提高測試過程的準確性。

5)除了上述提到的因素外，依據(jù)實際工程經(jīng)驗，在基準樁周邊增加應(yīng)力釋放孔開孔數(shù)量對于減小基準樁變形也存在一定的影響，但具體布置方案及影響程度待進一步研究。

[1] 張尚根，劉新宇.樁基大噸位靜載試驗中堆載對樁頂位移的影響分析[J].工程力學(xué)，1996(sup)：79-80.

[2] 程惠陽.大噸位樁基靜載實驗的應(yīng)用研究[J].福建建設(shè)科技，2010(7)：91-92.

[3] 洪 鑫.單樁靜載荷實驗的理論模擬及影響因素分析[J].巖土工程學(xué)報,2012,34(2)：111-113.

[4] GB 50007—2002，建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范[S].

[5] 張孟喜.土力學(xué)原理[M].武漢：華中科技大學(xué)出版社，2010.

[6] 袁從華,章 光.大噸位堆載法對單樁承載力實驗的影響[J].巖土力學(xué),1997,18(1)：79-85.

[7] 朱向榮，王金昌.ABAQUS軟件中部分土模型簡介及其工程應(yīng)用[J].巖土力學(xué)，2004,25(Z2)：144-148.

[8] 王金昌，陳頁開.ABAQUS在土木工程中的應(yīng)用[M].杭州：浙江大學(xué)出版社，2006.

[9] 楊 敏，朱碧堂.堆載下土體側(cè)移對鄰樁作用的有限元分析[J].同濟大學(xué)學(xué)報，2003,31(7)：772-777.

Analysis about heavy static loading test of piles caused by stress releasing hole

Wang Tao1Zhu Jing2Qin Shiwei1

(1.ShanghaiUniversity，Shanghai200433，China; 2.ShanghaiAuspiciousCivilEngineeringTechnologyCo.,Ltd,Shanghai200072,China)

Analyze the influence of large-tonnage static loading on the deformation of the reference pile. On the basis of practical experience, puts forward that the stress releasing holes should be set under certain conditions to reduce the deformation. Then, conclude the effectiveness of stress releasing holes on the reference pile by using the finite element software ABAQUS.

large-tonnage static loading test， deformation of the reference pile, holes to release stress

1009-6825(2015)16-0038-03

2015-03-26

王 濤(1987- )，男，在讀碩士； 朱 靜(1987- )，女，技術(shù)員； 秦世偉(1976- )，男，博士，講師

TU473

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