鉆孔灌注樁樁底沉渣對單樁承載性狀的影響分析*

傅文橋， 郭小剛， 陳雨琴， 李平均

(湘潭大學 土木工程與力學學院,湖南 湘潭 411105)

鉆孔灌注樁樁底沉渣對單樁承載性狀的影響分析*

傅文橋， 郭小剛*， 陳雨琴， 李平均

(湘潭大學 土木工程與力學學院,湖南 湘潭 411105)

伴隨鉆孔灌注樁在各個工程領(lǐng)域的廣泛應用，樁底易產(chǎn)生一定厚度弱性沉渣的影響問題得到了很多學者的重視，并采用不同方法對樁底沉渣的影響性進行了研究分析.憑借有限元軟件在巖土問題上的可操作性和全面性，本文采用數(shù)值模擬方法來分析樁底沉渣對單樁承載性狀的影響.為深入和具體了解沉渣的影響性，從沉渣厚度、沉渣物理力學性質(zhì)和灌注樁長徑比三個方面進行細致的研究分析.計算結(jié)果表明:沉渣厚度、沉渣彈性模量、沉渣內(nèi)摩擦角和樁長徑比對單樁荷載-沉降曲線存在一定程度影響，其中沉渣厚度的影響存在一個臨界值，而沉渣粘聚力和泊松比的影響性并不明顯.這些結(jié)論可用于指導或輔助灌注樁設計、施工、樁底沉渣檢測和沉渣處理等.

沉渣；灌注樁；數(shù)值模擬；承載性狀

隨著經(jīng)濟建設的高速發(fā)展，鉆孔灌注樁由于具有較高的承載能力和控制沉降的可靠性且施工簡便，得以廣泛應用于建筑工程、公路橋梁工程和港口工程等.但在實際工程施工中，限于施工隊伍的素質(zhì)、施工工藝和技術(shù)水平等因素，灌注樁樁底往往極易形成一定厚度的性質(zhì)較樁底土弱的沉渣.從很多統(tǒng)計的工程資料中可以發(fā)現(xiàn)，樁底沉渣的存在會降低樁的承載力，對樁的承載力發(fā)揮有較大影響[1].這使得越來越多的學者投入到樁底沉渣對樁承載性狀的影響研究中去，研究表明樁底沉渣對樁承載力的影響一般可達10%～30%，甚至可能更高.

一直以來，很多學者做了相關(guān)內(nèi)容的研究：Wong[2]采用室內(nèi)離心機試驗和FB-Pier程序的數(shù)值模擬對單樁和群樁中存在樁底沉渣等情況進行了細致分析；Iskander[3]等通過靜載試驗得到的數(shù)據(jù)結(jié)果來分析樁底夾土等對樁承載力的影響，研究認為樁底沉渣的存在會降低樁的承載力，有較大影響；周紅波[4]運用PLAXIS軟件進行樁底沉渣和樁側(cè)泥皮的數(shù)值模擬，研究了樁底沉渣對樁的承載性狀的影響；袁振[5]采用荷載傳遞法來研究樁端條件對灌注樁荷載傳遞特性的影響.本文為獲得一個系統(tǒng)性、全面性、指導性的結(jié)論，在大型有限元軟件ANSYS平臺上進行數(shù)值模擬，對樁底沉渣對單樁承載性狀的影響性進行分析.

1 幾何模型

由于幾何形狀、材料性質(zhì)、位移邊界條件和區(qū)域應力都滿足軸對稱條件，故有限元分析可采用軸對稱模型.有限元模型建立時，關(guān)于土體邊界范圍的取值，有些文獻[7,8]取有限元模型的計算區(qū)域深度為2L(L為樁長)，寬度為1L；Desai[9]在進行砂土中單樁承載性狀分析時，取計算區(qū)域深度為1.5L，寬度為30R(R為樁半徑)；Randolph[10]建議取計算區(qū)域深度為2.5L，寬度為50R；文獻[11]認為樁端以下深度要延伸20R～30R，模型寬度要超過20R～30R，或者超過樁長L；胡鋮波[6]等用有限元軟件對樁土模型進行分析，提出一種樁土模型所需的合理邊界，樁側(cè)土體邊界取24R，樁端土體深度取30R.參照以上國內(nèi)外文獻并經(jīng)ANSYS試算結(jié)果分析，本文取有限元模型寬度為24R，深度為30R和1.5L的較大值，這樣不僅能滿足計算結(jié)果的精度要求和提高計算效率，又能合理考慮到土的承載能力.其二維軸對稱模型和擴展三維模型分別如圖1和圖2所示.

2 土體本構(gòu)模型和樁土接觸面處理

建模時樁體采用線彈性實體單元，而土體和沉渣采用ANSYS中自帶的D-P模型.M-C強度準則能較好地描述巖土材料的破壞行為，但是它在三維應力空間中的屈服面存在角點的奇異性，即在偏平面上的破壞曲線是一個不規(guī)則的六角形，導致數(shù)值計算時收斂緩慢.因此產(chǎn)生了許多光滑的曲線來逼近M-C強度曲線的模型，而其中，Drucker-Prager準則[12，13]就是在偏平面上用圓來逼近.

Mohr-Coulomb強度準則可表示為：

τ=σntanφ+c，

(1)

其中，τ為剪應力；σn為受剪面上的法向應力；c為凝聚力；φ為內(nèi)摩擦角.

將式(1)用應力不變量可表示為：

(2)

其中，I1為主應力的第1不變量；J2偏應力第2不變量.

將式(2)整理后可得：

(3)

當取式(3)中θσ=-π/6，即可得到D-P強度準則的表達式：

(4)

樁土接觸選擇ANSYS中面-面接觸，與土體和沉渣接觸的樁體表面設置為TARGE169，與樁體接觸的土體面和與樁體接觸的沉渣面設置為CONTA172.

3 位移邊界條件和初始地應力模擬

參考其他文獻[14，15]的位移邊界條件及考慮本文模擬的實際情況，采用的有限元模型中土體底部邊界和土體四周邊界施加全約束.為方便有限元模擬的進行，采用土體自重應力來近似考慮實際土體的初始應力.而ANSYS軟件中設置的應力文件存入和讀取為初始地應力的模擬提供了便利之處.

4 利用樁底沉渣的單樁數(shù)值模擬

4.1 工程實例模擬分析

某辦公樓為多高層框架結(jié)構(gòu)，樁基礎(chǔ)采用樁型為鉆孔灌注樁，設計樁徑為600 mm，樁身混凝土等級C20，單樁極限承載力為900 kN，樁長27 m.樁基施工結(jié)束后按規(guī)范要求進行單樁靜載荷試驗，發(fā)現(xiàn)13號樁單樁極限承載力達不到設計要求，屬不合格樁.根據(jù)施工現(xiàn)場和地質(zhì)資料推斷樁下部有較厚的沉渣存在，取芯檢驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)樁底存在大約300 mm的軟質(zhì)沉渣，導致單樁承載力降低.其樁及地質(zhì)環(huán)境具體參數(shù)見表1.

表1 樁及土體的設置參數(shù)

對此工程實例進行數(shù)值模擬，得到樁底有沉渣和無沉渣時的荷載-沉降曲線，并與實測的荷載-沉降數(shù)據(jù)對比，如圖3所示.

由圖3可見數(shù)值模擬很好地反映了工程實際情況，并發(fā)現(xiàn)樁底存在的沉渣對樁的承載力有較大的降低影響和對沉降有較大的增大影響，樁底沉渣的存在使單樁極限承載力降低了20%左右.

4.2 沉渣厚度對單樁承載性狀的影響

采用4.1節(jié)的樁土模型參數(shù)，但沉渣的彈性模量改用7.5 MPa，沉渣厚度分別為0 mm、50 mm、100 mm、200 mm、300 mm、400 mm、600 mm和800 mm，得到荷載-沉降曲線如圖4所示.從圖4可以看出沉渣厚度變化對單樁荷載-沉降曲線有著較大的影響.在相同樁頂荷載下，樁頂沉降隨著沉渣厚度的變大而增大.

圖5 不同沉渣厚度下的極限承載力損失率
Fig.5 Loss rate of ultimate capacity with different thickness

圖5為不同沉渣厚度下極限承載力的損失率,即各沉渣厚度下相對于沉渣厚度為0 mm時的極限承載力損失率.隨著樁底沉渣厚度的增加，單樁極限承載力逐漸衰減，但沉渣達到一定厚度后，極限承載力損失率趨于穩(wěn)定.當沉渣厚度從100 mm增大到200 mm時，極限承載力損失率突增到8.2%，損失率接近100 mm沉渣時的2倍，符合《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》(JGJ 94—2008)中對摩擦樁沉渣厚度不應大于100 mm的要求.沉渣厚度繼續(xù)增大到300 mm，極限承載衰減速率變緩，其極限承載力損失率為9.5%，在10%以內(nèi).當沉渣厚度從300 mm增加到400 mm，極限承載力減少的趨勢加大，其極限承載力損失率為11.3%.但沉渣厚度超過400 mm后，極限承載力損失率增大趨勢明顯放緩，趨于收斂，其極限承載力損失率在11.3%～12%之間，這表明沉渣影響存在臨界厚度，在300～400 mm之間.

4.3 沉渣物理力學性質(zhì)的影響

同樣采用4.1節(jié)的樁土模型，主要考慮樁底沉渣的彈性模量Ec、泊松比νc、粘聚力cc和內(nèi)摩擦角φc因素的各單因素影響性分析，避免各參數(shù)交叉分析時產(chǎn)生的不確定性.樁底沉渣厚度取為300mm.樁底沉渣彈性模量的取值為1.5MPa(0.06)、5MPa(0.2)、10MPa(0.4)、15MPa(0.6)、20MPa(0.8)、25MPa(1.0)，沉渣泊松比取值為0.2(0.8)、0.25(1.0)、0.3(1.2)，沉渣粘聚力取值為0.3(0.1)、1(0.33)、2(0.67)、3(1.0)，沉渣內(nèi)摩擦角取值為5°(0.15)、10°(0.31)、15°(0.46)、30°(1.0)，其中括號里的數(shù)據(jù)表示樁底沉渣參數(shù)值與相應樁端下臥土層參數(shù)值的比值，即Ec/Ed、νc/νd、cc/cd、tanφc/tanφd，其中Ed、νd、cd和φd表示樁端下臥土層的彈性模量、泊松比、粘聚力和內(nèi)摩擦角.

圖6 不同沉渣彈性模量下的荷載-沉降曲線
Fig.6 Load-settlement curve with different elasticity modulus

圖6為樁底沉渣不同彈性模量下的荷載-沉降曲線.從圖中可以看出沉渣彈性模量對樁的承載力和沉降都存在明顯的影響.隨著樁底沉渣彈性模量的減小，相同荷載作用下產(chǎn)生的沉降量增大.當沉渣的彈性模量減小到一定值后，沉降的增加幅度越來越明顯，沉渣彈性模量的影響越為顯著.當沉渣的彈性模量從與樁端下臥層土的彈性模量一致的25MPa減小至10MPa，即從1.0Ed降到0.4Ed，荷載-沉降曲線基本無變化，但當沉渣的彈性模量繼續(xù)減小至小于10MPa后，即小于0.4Ed，荷載-沉降曲線開始變化明顯.

樁底沉渣的彈性模量不同時相應的極限承載力見圖7.圖中曲線反映了沉渣的彈性模量對樁極限承載力的影響，可見沉渣彈性模量在10～25MPa時，即0.4Ed～1.0Ed時，樁的極限承載力變化不大，最大的衰減幅值僅為2.2%.而沉渣彈性模量降低到5MPa時，即為0.2Ed時，相當于沉渣彈性模量為25MPa時的樁的極限承載力，降低幅度達7%.當沉渣的彈性模量繼續(xù)降低到1.5MPa時，承載力降低率甚至達到15.6%.可見樁底沉渣的彈性模量減小到0.2Ed～0.4Ed后，沉渣的彈性模量對樁的極限承載力有較大影響，影響性類似于指數(shù)衰減.

圖8為不同樁底沉渣泊松比下的荷載-沉降曲線.可見在沉渣的泊松比為0.8νd～1.2νd時，沉渣泊松比的變化對荷載-沉降曲線的影響很小.顯然其極限承載力很接近，相同樁頂荷載下的沉降相差在1mm之內(nèi).

不同沉渣粘聚力下的荷載-沉降曲線如圖9所示.由圖可見樁底沉渣的粘聚力對荷載-沉降曲線的影響并不明顯，不同粘聚力取值下荷載-沉降曲線基本重合，說明沉渣粘聚力的變化對單樁的承載力和沉降基本沒有影響.

樁底沉渣不同內(nèi)摩擦角下的荷載-沉降曲線如圖10所示.樁底沉渣的內(nèi)摩擦角的變化對荷載-沉降曲線有較明顯的影響，類似于沉渣的彈性模量對荷載-沉降曲線的影響.隨著內(nèi)摩擦角的減小，單樁的極限承載力降低且沉降增加.在內(nèi)摩擦角為5°，即tanφc/tanφd為0.15時的荷載-沉降曲線已顯然和其他三條曲線分離.這是因為彈性模量和內(nèi)摩擦角會影響到土體的抗剪強度.

4.4 樁長徑比的影響

假定樁周土為單一的均質(zhì)土，其樁、樁周土和沉渣的各指標參數(shù)如表2所示，沉渣的厚度固定為300 mm，樁的長徑比取值為10(9/0.9)、20(18/0.9)、30(27/0.9)、45(27/0.6)、60(36/0.6)和75(45/0.6)，其中括號中的數(shù)據(jù)表示樁長與樁徑之比.

表2 各材料參數(shù)

在樁的不同長徑比情況下，豎向荷載作用下的荷載-沉降曲線如圖11所示.從圖中可見樁的長徑比變化會影響沉渣對樁荷載-沉降曲線的作用.不同長徑比時，樁底沉渣的存在會使單樁的沉降加大.但不難看出，隨著樁長徑比的增大，有無樁底沉渣下的荷載-沉降曲線趨于緊密，兩者之間的變化幅度越來越小，尤其在樁長徑比為75時的荷載-沉降曲線在陡降段前近于重合.說明隨著樁長徑比變大，樁底沉渣對單樁荷載-沉降曲線的影響越來越小.

圖11 不同長徑比下的荷載-沉降曲線
Fig.11 Load-settlement curve with different length diameter ratio

不同長徑比下的單樁極限承載力損失率如圖12所示.由圖可見當樁徑一致時，樁長增加，長徑比變大，單樁極限承載力損失率減小.當長徑比較小時，如長徑比為10時，極限承載力損失率超過15%，表明此時沉渣對單樁的承載力有較大的影響.但當長徑比大于30時，極限承載力損失率在5%以內(nèi).長徑比繼續(xù)增大到60以上后，極限承載力損失率可控制在2%以內(nèi)，表明此時沉渣對單樁承載力的影響可以忽略.

圖12 不同長徑比下的極限承載力損失率
Fig.12 Loss rate of ultimate capacity with different length diameter ratio

5 結(jié) 語

本文對樁底沉渣對單樁承載性狀的影響展開了研究分析，并得到以下結(jié)論：

(1) 樁底沉渣厚度的影響存在一個臨界值，在300～400 mm之間.沉渣厚度大于100 mm后，單樁極限承載力損失率會有一個突增.工程中應嚴格按照規(guī)范要求控制沉渣厚度.

(2) 沉渣彈性模量的減小導致單樁極限承載力類似于指數(shù)形式衰減，同樣造成沉降增大.隨沉渣內(nèi)摩擦角減小，單樁極限承載力減小，樁頂沉降變大.但沉渣的粘聚力和內(nèi)摩擦角對單樁承載性狀的影響并不明顯.因此在工程中進行樁底沉渣檢測時，可主要考慮沉渣彈性模量和內(nèi)摩擦角的大小對單樁承載性狀的影響，而不必太注重沉渣泊松比和粘聚力參數(shù).

(3) 隨著樁長徑比變大，樁底沉渣對單樁承載力和樁頂沉降的影響變小.樁長徑比大于30后，單樁極限承載力損失率已很小，所以工程中灌注樁的長徑比大于30時，可以適當合理忽略沉渣對單樁承載性狀產(chǎn)生的微弱不良影響.

[1] 樓曉明, 陳強華, 俞有煒, 等. 鉆孔灌注樁承載力異?，F(xiàn)象分析[J]. 巖土工程學報, 2001, 23(5): 547-551.

[2] WONG Y W. Behaviors of large diameter bored pilegroups with defects[D].Hong Kong:Department of Civil Engineering, The Hong Kong University of Science and Technology, 2004.

[3] ISKANDER M, ROY D, KELLEY S, et al. Drilled shaft defects: detection, and effects on capacity in varved clay[J]. Journal of Geotechnical and Geoenviron-mental Engineering,2003, 129(12):1 128-1 137.

[4] 周紅波. 樁側(cè)泥皮和樁底沉渣對鉆孔樁承載力影響的數(shù)值模擬[J]. 巖土力學,2007(5):956-960.

[5] 袁振,陳錦劍,王建華. 樁端條件對灌注樁荷載傳遞特性的影響[J]. 巖土力學,2006(8):1 398-1 402.

[6] 胡鋮波,梅嶺,梅國雄，等. 樁土模型中土體邊界選取的有限元分析[J]. 建筑科學,2009(9):18-20,29.

[7] 紀淑鵬. 彈塑性土體中豎向受荷單樁數(shù)值分析研究[J]. 工業(yè)建筑,2006,S1:755-757，760.

[8] 戚科駿,張云軍,王旭東，等. 考慮大變形的靜力壓樁數(shù)值模擬[J]. 巖土力學,2005,S1:129-132.

[9] DESAI C S. Numerical design-analysis for piles in sands[J]. Journal of Geotechnical Engineering Division, 1974,100(6):613-633.

[10] RANDOLPH M F, POULOS H G. Estimating of the flexibility of offshore pile group[C]. Proc 2nd Int Conf Numerical Method in Offshore Piling Austin,1982:313-328.

[11] 錢家歡，殷宗澤. 土工原理與基礎(chǔ)[M].2版.北京：中國水利水電出版社，1998.

[12] HJIAJ M,FORTIN J,DE SAXCé G. A complete stress update algorithm for the non-associated Drucker-Prager model including treatment of the apex[J]. International Journal of Engineering Science,2003,4 110：1 109-1 143.

[13] 周鳳璽,李世榮. 廣義Drucker-Prager強度準則[J]. 巖土力學,2008(3):747-751.

[14] 劉自由,林杭,江學良. 樁頂豎向荷載作用下樁土響應的數(shù)值分析[J]. 中南大學學報(自然科學版),2011(2):508-513.

[15] 董志高,付婷婷,洪曉珍,等. 灌注樁樁側(cè)泥皮性質(zhì)對樁承載性狀影響研究[J]. 建筑科學,2014(9):16-21.

責任編輯：羅 聯(lián)

Influence of Bottom Sediment on the Bearing Capacity of Bored Cast-in-Place Pile

FUWen-qiao,GUOXiao-gang*,CHENYu-qin,LIPing-jun

(College of Civil Engineering and Mechanics，Xiangtan University，Xiangtan 411105 China)

Many scholars pay attention to harmful effects of sediment which always exist at bottom of pile as bored cast-in-place pile is widely used in any engineering field. They also study effects of bottom sediment by using different methods. This paper rely on finite element software which is workable and comprehensive on dealing with geotechnical problems to research the influence of bottom sediment on the bearing capacity of bored cast-in-place pile. It also analysis the effects from three sides including the thickness of sediment, the physical properties of sediment and length diameter ratio of pile. Thickness, elasticity modulus，internal friction angle of sediment and length diameter ratio of pile have obvious effects, but cohesive force and poisson ratio of sediment have no obvious effects. Effect of thickness also has a critical value.

sediment；cast-in-place pile；numerical simulation；bearing capacity

2015-01-14

郭小剛(1960— )，男，湖南 湘潭人，教授.E-mail:teenhero@163.com

TU473.1

A

1000-5900(2015)02-0053-08