傳統(tǒng)靜載實(shí)驗(yàn)對(duì)樁基承載力特性的影響

邢文福

(福建華電邵武能源有限公司 福建邵武 354000)

引 言

隨著高層建筑及橋梁工程建設(shè)的增多，樁基礎(chǔ)應(yīng)用越發(fā)廣泛。由于我國(guó)地域遼闊，地質(zhì)條件千差萬(wàn)別，在樁基工程中如何確定不同條件下樁的承載力與沉降就成了設(shè)計(jì)與施工人員急需解決的問(wèn)題。目前現(xiàn)場(chǎng)靜載試驗(yàn)被認(rèn)為是最可靠的試樁方法，然而大型工程中樁基的工作特點(diǎn)決定了大面積的靜載試驗(yàn)費(fèi)時(shí)費(fèi)力，且對(duì)周?chē)馏w的擾動(dòng)較大。目前國(guó)內(nèi)暫時(shí)還沒(méi)有系統(tǒng)的討論采用錨固法和堆載法時(shí)對(duì)試樁及周?chē)馏w的影響，傳統(tǒng)的靜載實(shí)驗(yàn)試樁方式對(duì)錨樁與試樁樁徑之間的距離，堆載平臺(tái)的面積及位置只是有理論上的規(guī)定，然而錨樁、堆載平臺(tái)等試驗(yàn)因素對(duì)樁基承載力特性究竟有怎樣的影響則沒(méi)有進(jìn)行更深入的研究探討。因此，利用有限元數(shù)值方法來(lái)模擬錨固法和堆載法試樁條件下樁的承載力與沉降，并與理論受力樁進(jìn)行對(duì)比分析，研究探討錨樁與堆載平臺(tái)對(duì)試樁極限承載力、樁頂沉降、樁側(cè)摩阻力等的影響具有重要的實(shí)際意義。本文通過(guò)Plaxis2D程序建立相關(guān)模型，對(duì)外部條件均相同的單樁在理論受力試樁、錨固法試樁、堆載法試樁這三種試樁方式下樁的荷載位移曲線，樁側(cè)摩阻力進(jìn)行比較分析。分析試樁方式對(duì)樁基承載特性的影響機(jī)制，且討論樁基規(guī)范中對(duì)于靜載試驗(yàn)中相應(yīng)規(guī)定的合理性

1 計(jì)算模型概要

1.1 材料模型與結(jié)構(gòu)單元

Plaxis2D軟件提供了6節(jié)點(diǎn)單元和15節(jié)點(diǎn)單元，15節(jié)點(diǎn)單元比6節(jié)點(diǎn)單元的計(jì)算精度要高，在處理復(fù)雜問(wèn)題時(shí)能產(chǎn)生高質(zhì)量的應(yīng)力效果，但是計(jì)算所花費(fèi)的時(shí)間長(zhǎng)，本文采用的為15節(jié)點(diǎn)單元;根據(jù)本算列的特點(diǎn)，網(wǎng)格劃分精度選擇中等粗糙程度，并對(duì)單樁及錨樁附近的網(wǎng)格進(jìn)行加密。這樣既能減少計(jì)算又能得到較為理想的計(jì)算效果。采用Plaxis軟件自帶的Mohr-Coulomb本構(gòu)模型模擬土體。

(1)彈塑性本構(gòu)關(guān)系:在基坑開(kāi)挖過(guò)程中土體內(nèi)部會(huì)形成一定范圍的塑性區(qū)，基于此特點(diǎn)采用Mohr-Coulomb模型來(lái)模擬土的本構(gòu)關(guān)系。該模型的屈服準(zhǔn)則和流動(dòng)準(zhǔn)則如下:

a)屈服準(zhǔn)則:屈服準(zhǔn)則用來(lái)確定開(kāi)始出現(xiàn)塑性變形時(shí)應(yīng)力的大小，其一般形式為式(1):

式中，k為材料參數(shù)，由實(shí)驗(yàn)確定，它是強(qiáng)化參數(shù)的函數(shù)。Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則是Coulomb摩擦破壞規(guī)律的推廣，表示如下:

式中，σ為正應(yīng)力，拉伸時(shí)為正;c為粘聚力;φ為內(nèi)摩擦角

b)流動(dòng)準(zhǔn)則:Von Mises提出的塑性位移理論，假設(shè)經(jīng)過(guò)應(yīng)力空間的任何一點(diǎn)，必有一塑性位移等勢(shì)面存在，其數(shù)學(xué)表達(dá)式稱(chēng)為塑性位移函數(shù)。塑性應(yīng)變?cè)隽靠捎盟苄晕粍?shì)函數(shù)g(σij)對(duì)應(yīng)力的微分表示:

式中，d是比例常數(shù)。上式稱(chēng)為塑性位移理論，它表明一點(diǎn)的塑性應(yīng)變?cè)隽颗c通過(guò)該點(diǎn)的塑性勢(shì)面存在正交系，也確定了塑性應(yīng)變?cè)隽康姆较颉?/p>

(2)接觸面單元模型:在單樁承載力的模擬分析中，樁身與土體之間的接觸行為需要用接觸面來(lái)模擬，具體的方法是:當(dāng)|τ|＜σntanφi+ci，接觸面處于彈性階段;當(dāng)|τ|=σntanφi+ci時(shí)，接觸面進(jìn)入塑性階段。

1.2 建模計(jì)算

(1)約定三種試樁方式

在此我們討論3種意義上的試樁方式:

a)理論受力樁(這里我們只討論豎向受壓)，如(圖1)所示。

b)錨樁法:即利用主梁和次梁組成反力架，該裝置將千斤頂?shù)姆戳鹘o錨樁。本文中模擬的錨樁數(shù)量為2根(正常情況下應(yīng)為4根，因本文采用二維模型，故簡(jiǎn)化為2根)，樁徑與試樁樁徑相同，入土深度與試樁深度相同，且錨樁與試樁的中心距離取2D，3D，4D，5D，6D;如(圖 2)所示。

c)堆載法:即在荷載平臺(tái)上堆放重物，一般為鋼錠或者砂包，也有在荷載平臺(tái)上置放水箱，向水箱中充水作為荷載。本文模擬時(shí)采用的壓重量為預(yù)估試樁破壞荷載的1.2倍。壓重在實(shí)驗(yàn)前一次性加上，并均勻穩(wěn)固的分布于平臺(tái)上，試樁與堆載平臺(tái)邊緣的距離分別取 2D，3D，4D，5D，6D;如(圖 3)所示。

圖1 理論受力樁

圖2 錨固法試樁

圖3 堆載法試樁

表1 樁基規(guī)范所規(guī)定靜載試驗(yàn)布局

(2)數(shù)值模型的建立

本文選用軸對(duì)稱(chēng)模型，以右邊線為樁的中線，運(yùn)用幾何線繪制樁的接口，用摩爾-庫(kù)倫模型模擬土的強(qiáng)度與剛度，沉管灌注樁樁身采用板來(lái)近似，該單元可以受壓也可以受拉，用接口單元模擬樁與土的接觸面，試樁頂端承受3000KN的集中荷載壓力，在最后進(jìn)入計(jì)算程序時(shí)，試樁樁頂?shù)暮奢d采用乘子的方式加載。運(yùn)用Plaxis2D版本進(jìn)行豎向集中荷載作用下的單樁在各種試樁方式下的沉降過(guò)程模擬計(jì)算。樁徑d=2.0m，土體分為兩層，上層為粘土，層厚10m;下層為砂土，厚度30m。樁入土深度L=20m，砂土層作為持力層。土層接口取50*40(用以模擬半無(wú)邊界土層)，樁身與土之間的接觸通過(guò)程序自帶的接口接觸模型進(jìn)行模擬，計(jì)算參數(shù)按(表1、表2)選取。

表2 砂土層與粘土層的材料特性

表3 板的材料特性

2 三種試樁方式計(jì)算結(jié)果的分析與討論

2.1 三種試樁方式下單樁的荷載位移曲線對(duì)比分析

選擇樁基規(guī)范里面規(guī)定的安全試樁間距來(lái)討論相應(yīng)的試樁方式對(duì)于樁基承載特性的影響。即錨固法時(shí)選擇錨樁與試樁的樁間距為4D，堆載法時(shí)選擇堆載平臺(tái)邊緣與試樁的中心間距為4D。在此基礎(chǔ)上將錨固法試樁、堆載法試樁與理論受力樁相比較，以理論受力樁作為基準(zhǔn)，從而討論錨固試樁、堆載法試樁這兩種靜載實(shí)驗(yàn)試樁方式對(duì)樁的樁的荷載位移曲線、樁側(cè)摩阻力、樁的極限承載力的影響。

由(圖4)可知堆載法試樁時(shí)的的極限承載力大于理論受力樁的極限承載力，且其極限荷載時(shí)所對(duì)應(yīng)的樁頂位移也較小;錨固試樁時(shí)樁的極限承載力小于理論受力樁的極限承載力，且其極限荷載時(shí)所對(duì)應(yīng)的樁頂位移也較大。

圖4 荷載位移曲線

2.2 三種試樁方式下樁側(cè)摩阻力分布比較

圖5 樁側(cè)摩阻力隨深度變化曲線

由(圖5)可知樁側(cè)摩阻力沿深度分布曲線的基本趨勢(shì)基本相同，隨著深度增加，樁側(cè)摩阻力由上到下逐漸增大至發(fā)揮極限。同時(shí)對(duì)三種試樁方式下的樁側(cè)摩阻力對(duì)比分析可知錨固法試樁時(shí)樁側(cè)摩阻力增加速率最小，單樁次之，堆載法時(shí)樁側(cè)摩阻力增加速率最大。

3 試樁方式對(duì)樁基承載特性影響機(jī)制的分析與討論

3.1 錨固法對(duì)樁基承載特性影響機(jī)制的分析與討論

3.1.1 錨樁對(duì)試樁荷載位移曲線的影響

圖6 荷載位移曲線

從(圖6)可知錨固法時(shí)試樁的極限承載力隨著錨樁與試樁的樁間距增大(由2D～6D)呈增大的趨勢(shì)，其極限承載力時(shí)所對(duì)應(yīng)的樁頂位移有減小的趨勢(shì)。由荷載位移曲線的變化趨勢(shì)可知，若錨樁與試樁的樁間距趨于無(wú)窮遠(yuǎn)，錨固法試樁的荷載位移曲線會(huì)無(wú)限趨近于理論受力樁的荷載位移曲線，即試樁極限承載力增大，且所對(duì)應(yīng)的樁頂位移減小。由此知在錨固法靜載試驗(yàn)時(shí)，要想減小錨樁對(duì)于試樁的影響并獲取精確的試樁承載參數(shù)，必須增大錨樁和試樁之間的距離。

樁基規(guī)范規(guī)定的錨樁與試樁間距為4D所對(duì)應(yīng)荷載位移曲線位于2D和6D之間，即此時(shí)錨樁對(duì)試樁的承載力減小效應(yīng)較小但不能忽略不計(jì)。

3.1.2 錨樁對(duì)試樁樁側(cè)土體豎向、水平向應(yīng)力的影響

從(圖7、圖8)可以發(fā)現(xiàn)，隨著錨樁與試樁的樁間距增大(2D～6D)，樁側(cè)土體豎直向應(yīng)力和水平向應(yīng)力均為增大趨勢(shì);在樁間距為6D時(shí)錨固法試樁時(shí)樁側(cè)土體豎直向和水平向應(yīng)力均為最大。這表明，錨樁對(duì)試樁樁側(cè)土體豎直向應(yīng)力和水平應(yīng)力都具有減小效應(yīng)。

圖7 樁側(cè)土體豎直向應(yīng)力沿土層深度分布

圖8 樁側(cè)土體水平向應(yīng)力沿土層深度分布

3.1.3 錨樁對(duì)試樁側(cè)摩阻力的影響

課程每個(gè)教學(xué)模塊的載體都是日常生活中熟悉、并且十分關(guān)心的食品，具有很強(qiáng)的代表性和通用性。作為教學(xué)情境中載體的分析檢驗(yàn)工作，覆蓋了食品企業(yè)生產(chǎn)中的典型崗位。因此，通過(guò)該課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生不但能夠掌握關(guān)鍵崗位技能，獲得相應(yīng)的職業(yè)資格證書(shū)，還為學(xué)生的可持續(xù)性發(fā)展打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。目前，將“功能性食品”課程進(jìn)行重組。

圖9 樁側(cè)摩阻力隨深度變化曲線

由(圖9)知，樁側(cè)摩阻力隨著樁體沿土層深度的增大而增大，但當(dāng)樁身側(cè)摩阻力達(dá)到一定程度后為線性增大。錨固法時(shí)隨著錨樁與試樁的樁間間距逐漸增大，樁身側(cè)摩阻力逐漸增大，且在樁間距為6D時(shí)，樁身側(cè)摩阻力最大，即錨樁對(duì)樁身側(cè)摩阻力具有減小效應(yīng)。隨著樁間距的增大，錨樁對(duì)試樁的樁身側(cè)摩阻力影響逐漸減小，若樁間距增大至無(wú)窮，則錨樁對(duì)試樁側(cè)摩阻力無(wú)影響。由此可知，錨樁通過(guò)減小試樁的樁側(cè)摩阻力，從而減小試樁的極限承載力。

綜合(圖7～圖9):錨樁對(duì)試樁樁側(cè)土體豎直向應(yīng)力具有減小效應(yīng)，進(jìn)而對(duì)樁側(cè)土體水平向應(yīng)力具有減小效應(yīng)，故對(duì)樁身側(cè)摩阻力具有減小效應(yīng);通過(guò)以上三個(gè)結(jié)論我們可以探討:錨樁在工作過(guò)程中要承受上拔力，會(huì)導(dǎo)致錨樁周?chē)馏w承受向上作用力，所以對(duì)樁側(cè)土體的豎直向應(yīng)力具有減小效應(yīng);且同時(shí)影響水平向應(yīng)力，會(huì)導(dǎo)致土體向四周松散，即錨樁對(duì)試樁樁側(cè)土體水平向應(yīng)力具有減小效應(yīng);最后，由于錨樁的作用對(duì)試樁樁身側(cè)摩阻力具有減小效應(yīng)，導(dǎo)致試樁極限承載力小于單樁理論極限承載力。

3.2 堆載法對(duì)樁基承載特性影響機(jī)制的分析與討論

3.2.1 堆載平臺(tái)對(duì)試樁荷載位移曲線的影響

由(圖10)可知堆載法時(shí)試樁的極限承載力隨著堆載平臺(tái)與試樁的間距增大(由2D～6D)呈減小的趨勢(shì)，其極限承載力所對(duì)應(yīng)的樁頂位移有增大的趨勢(shì)。由荷載位移曲線的變化趨勢(shì)可知，若堆載平臺(tái)與試樁的間距趨于無(wú)窮遠(yuǎn)，堆載法試樁的荷載位移曲線會(huì)無(wú)限趨近于理論受力樁的荷載位移曲線，即試樁極限承載力增大，且所對(duì)應(yīng)的樁頂位移減小。由此知在堆載法靜載試驗(yàn)時(shí)，要想減小堆載平臺(tái)對(duì)于試樁的影響并獲取精確的試樁承載參數(shù)，必須增大堆載平臺(tái)和試樁之間的距離。

圖10 荷載位移曲線

樁基規(guī)范規(guī)定的堆載平臺(tái)與試樁間距為4D所對(duì)應(yīng)荷載位移曲線位于2D和6D之間，即此時(shí)堆載平臺(tái)對(duì)試樁的承載力減小效應(yīng)較小但不能忽略不計(jì)。

3.2.2 堆載平臺(tái)對(duì)試樁樁側(cè)土體豎向、水平向應(yīng)力的影響

從(圖11、圖12)可以發(fā)現(xiàn)，隨著堆載平臺(tái)與試樁的間距增大(2D～6D)，樁側(cè)土體豎直向應(yīng)力和水平向應(yīng)力均為減小趨勢(shì);在間距為6D時(shí)堆載法試樁時(shí)樁側(cè)土體豎直向和水平向應(yīng)力均為最小。這表明，堆載平臺(tái)對(duì)試樁樁側(cè)土體豎直向應(yīng)力和水平應(yīng)力都具有增大效應(yīng)。

圖11 樁側(cè)土體豎直向應(yīng)力沿土層深度分布

圖12 樁側(cè)土體水平向應(yīng)力沿土層深度分布

3.2.3 堆載平臺(tái)對(duì)試樁側(cè)摩阻力的影響

由(圖13)知，堆載法時(shí)隨著堆載平臺(tái)與試樁的間距逐漸增大，樁身側(cè)摩阻力逐漸減小，且在間距為6D時(shí)，樁身側(cè)摩阻力最小，即堆載平臺(tái)對(duì)樁身側(cè)摩阻力具有增大效應(yīng)。隨著間距的增大，堆載平臺(tái)對(duì)試樁的樁身側(cè)摩阻力影響逐漸減小，若間距增大至無(wú)窮，則堆載平臺(tái)對(duì)試樁側(cè)摩阻力無(wú)影響。由此可知，堆載平臺(tái)通過(guò)增大試樁的樁側(cè)摩阻力，從而增大試樁的極限承載力。

圖13 樁側(cè)摩阻力隨深度變化曲線

綜合(圖11～圖13):堆載平臺(tái)對(duì)樁側(cè)土體的豎直向應(yīng)力具有增大效應(yīng)，進(jìn)而對(duì)樁側(cè)土體的水平向應(yīng)力具有增大效應(yīng)，導(dǎo)致樁身側(cè)摩阻力增大;通過(guò)以上三個(gè)結(jié)論我們可以探討:堆載平臺(tái)受到堆載重物向下的重力且漸漸下沉，會(huì)對(duì)堆載平臺(tái)周?chē)馏w有壓實(shí)作用，所以對(duì)樁側(cè)土體的豎直向應(yīng)力具有增大效應(yīng);且堆載平臺(tái)在對(duì)土體進(jìn)行向下壓實(shí)過(guò)程中會(huì)同時(shí)導(dǎo)致土體向四周擴(kuò)散，所以堆載平臺(tái)對(duì)樁側(cè)土體的水平向應(yīng)力具有增大效應(yīng);最后，由于堆載平臺(tái)對(duì)試樁的樁側(cè)土體水平向應(yīng)力和樁側(cè)土體的豎向應(yīng)力二者都具有增大效應(yīng)，所以堆載平臺(tái)會(huì)導(dǎo)致樁身側(cè)摩阻力的增大，從而增大試樁的極限承載力。

4 結(jié)論

(1)通過(guò)比較發(fā)現(xiàn)三種試樁方式下，堆載法試樁時(shí)試樁的極限承載力最大，同時(shí)極限承載力所對(duì)應(yīng)的樁頂沉降也最小;錨固法試樁時(shí)試樁的極限承載力最小，同時(shí)極限承載力所對(duì)應(yīng)的樁頂沉降也最大。

(2)在錨樁的作用下，樁側(cè)土體的豎向應(yīng)力減小，水平向應(yīng)力也減小，導(dǎo)致樁側(cè)摩阻力變小，樁的極限承載力變小;在堆載平臺(tái)的作用下，樁側(cè)土體的豎向應(yīng)力增大，水平向也增大，導(dǎo)致導(dǎo)致樁側(cè)摩阻力變大，樁的極限承載力變大。

(3)靜載試驗(yàn)時(shí)，通過(guò)錨固法所測(cè)得的樁基極限承載力小于實(shí)際的試樁極限承載力，而通過(guò)堆載法所測(cè)得樁極限承載力大于實(shí)際的試樁極限承載力，故在設(shè)計(jì)施工時(shí)應(yīng)折算成一定的安全系數(shù)才能獲得真正的極限承載力。且靜載試驗(yàn)會(huì)對(duì)樁周土體造成干擾，錨固法時(shí)錨樁周?chē)馏w具有一定向上的位移導(dǎo)致土體松散;堆載法試樁堆載平臺(tái)對(duì)樁周土體具有擠壓作用，在增大試樁極限承載力同時(shí)會(huì)增大試樁周?chē)馏w沉降，可能會(huì)對(duì)附近建筑物產(chǎn)生不良影響。

(4)在樁基工程設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮靜載實(shí)驗(yàn)時(shí)試樁方式對(duì)所測(cè)樁基承載力的影響效應(yīng)。

[1]樁基工程手冊(cè)編寫(xiě)委員會(huì).樁基工程手冊(cè)[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社1999.

[2]鄭剛，白若虛.傾斜單排樁在水平荷載作用下的性狀研究[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2010，32(7):40-45.

[3]劉松玉，錢(qián)國(guó)超，章定文.粉噴樁復(fù)合地基理論與工程應(yīng)用[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2006

[4]黃生根，龔維明.超長(zhǎng)大直徑樁壓漿后的承載性能研究[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2006，28(1):113 – 117.

[5]施建勇，鄒堅(jiān).深層攪拌樁復(fù)合地基沉降計(jì)算理論研究[J].巖土力學(xué)，2002，23(3):309–320.

[6]龔曉南.復(fù)合地基理論及工程應(yīng)用[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2002.