基于ABAQUS軟件研究載體樁在焦作某工程應(yīng)用

李世平，張 珂，程 龍

隨著我國土地資源日益緊張，如何利用有限土地資源建設(shè)經(jīng)濟(jì)環(huán)保的工程，已成為當(dāng)前研究的重要課題。對于一些土質(zhì)復(fù)雜的場地，僅依靠天然地基并不能滿足承載力要求，通常需要借助于樁基礎(chǔ)來提高地基承載力，從而保證地基土有足夠的承載力。諸多學(xué)者通過現(xiàn)場試驗(yàn)研究靜壓樁［1］、抗拔樁［2］、載體樁［3－4］等樁型在地基土中的承載性能及荷載傳遞規(guī)律等，都為今后類似工程應(yīng)用提供參考。

近幾年，載體樁因其承載力高、成樁質(zhì)量好、施工方便、能消融大量建筑垃圾而得到廣泛應(yīng)用與研究。如蘇迎社［5］依據(jù)實(shí)例檢驗(yàn)在濕顯性黃土地區(qū)載體樁應(yīng)用效果。劉向陽［6］、林滿意等［7］、寇玉賢等［8］依據(jù)工程實(shí)例，在現(xiàn)場采用低應(yīng)變法監(jiān)測分析載體樁低應(yīng)變反射曲線并闡述其特征。楊佳錦［9］結(jié)合工程實(shí)例研究分析出被加固土層和持力土層的土性、填充料種類及數(shù)量、三擊貫入度以及樁間距等是影響載體樁承載性能的主要因素。郭佰良［10］通過ABAQUS軟件模擬分析載體樁的樁徑、樁長、荷載、載體直徑等因素對載體樁承載性能影響。研究表明樁徑對樁基承載能力影響明顯，提高載體直徑能夠使樁端阻力發(fā)揮更好的效果。

代汝林等［11］通過舉例驗(yàn)證4種不同初始地應(yīng)力平衡方法的適用性及優(yōu)缺點(diǎn)。結(jié)果表明：ABAQUS提供的自動(dòng)平衡法、關(guān)鍵字定義初始地應(yīng)力法、ODB導(dǎo)入法、初始地應(yīng)力提取法可用于簡單巖體，平衡效果好。

本文以焦作某填埋場地工程實(shí)例為研究對象，依據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算驗(yàn)證載體樁單樁承載性能，并對該工程地下室進(jìn)行抗浮計(jì)算。結(jié)合現(xiàn)場靜載荷試驗(yàn)數(shù)據(jù)及低應(yīng)變檢測曲線結(jié)果，研究分析載體樁承載性能與成樁質(zhì)量?；贏BAQUS軟件建立模型并驗(yàn)證其合理性，模擬分析載體直徑的變化、載體埋深的變化對載體樁承載性能的影響，提出載體樁優(yōu)化設(shè)計(jì)方案并模擬分析，為今后工程應(yīng)用提供依據(jù)。

1 工程概況

該工程基礎(chǔ)形式為條形基礎(chǔ)，主體為磚混結(jié)構(gòu)。本文以4＃樓及地下車庫載體樁為研究對象。4＃樓為地下1層、地上6層，樁頂標(biāo)高－4．55 m。線荷載為378 kN／m，地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)等級為乙級。

1．1 場地工程地質(zhì)條件

擬建場地位于太行山復(fù)背斜隆起南段與華北斷陷平原交接部位，場地地貌為山前沖洪積平原上部，地勢相對平坦。不存在不良外動(dòng)力地質(zhì)作用條件，為穩(wěn)定場地，適宜建筑。具體地層情況見表1。

表1 地基主要土層物理力學(xué)參數(shù)

1．2 場地巖土工程評價(jià)分析

根據(jù)物理指標(biāo)及原位測試參數(shù)，結(jié)合當(dāng)?shù)毓こ探?jīng)驗(yàn)，綜合確定地基土承載力特征值見表2。

表2 地基土承載力特征

現(xiàn)場檢測結(jié)果表明：擬建場地第①層雜填土厚度較大、分布范圍廣、成分復(fù)雜、結(jié)構(gòu)松散、堆積時(shí)間較短、尚未完成自重固結(jié)，不能作為基礎(chǔ)持力層，應(yīng)進(jìn)行加固處理。經(jīng)分析場地工程地質(zhì)條件及一期工程施工情況，可采用載體樁對地基進(jìn)行加固處理。在該工程中以第③層粉質(zhì)黏土作為載體樁樁端持力層。

2 載體樁承載性能驗(yàn)算

如圖1所示，載體樁有樁身及載體兩部分組成。載體樁施工時(shí)，由3．5 t重的柱錘在預(yù)定地面夯擊，護(hù)筒跟進(jìn)成孔，達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)高后，再分批次向孔內(nèi)加入定量的諸如碎磚、碎混凝土塊、碎石及礦渣等填充料，用柱錘反復(fù)夯實(shí)，使其填料向孔底及孔周圍土體擠壓擠密，并以三擊貫入度為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行控制，達(dá)到要求后，再填入干硬性混凝土夯實(shí)，形成載體，最后再向孔內(nèi)放置鋼筋籠，澆筑混凝土形成樁身。載體由干硬性混凝土、夯實(shí)填充料、擠密土體及影響土體組成，載體樁在受力時(shí)，樁身可等效為傳力桿，載體等效為擴(kuò)展基礎(chǔ)［12］。上部荷載傳遞到樁身，經(jīng)過干硬性混凝土、填充料、擠密土體三種材料即等效的擴(kuò)展基礎(chǔ)后逐級擴(kuò)散到持力層，附加應(yīng)力降低效果明顯，小于地基土承載力，載體樁單樁承載力顯著提高。

圖1 載體構(gòu)造示意圖

本工程載體樁樁徑為420 mm，有效樁長10 m，樁端位于第③層粉質(zhì)黏土上，載體樁樁身剖面圖如圖2所示。

圖2 樁身剖面圖

2．1 單樁承載力特征值計(jì)算

依據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》［13］（GB 50007—2011），可查得ηd＝1．0，樁端土深度經(jīng)修正后為 15 m，土的加權(quán)平均重度γm＝16．04 kN／m3，持力層地基土承載力特征值為 fak＝100 kPa，載體樁持力層地基土經(jīng)深度修正后承載力計(jì)算如公式（1）所示：

式中：fak為持力層地基土承載力特征值，kPa；ηd為埋置深度的地基承載力修正系數(shù)；γm為基礎(chǔ)底面以上土的加權(quán)平均重度，kN／m3，位于地下水位以下的土層取有效重度；d為等效基礎(chǔ)埋置深度，m。

單樁豎向承載力特征值計(jì)算采用《載體樁設(shè)計(jì)規(guī)程》［14］（JGJ 135—2007）中公式，如式（2）：

根據(jù)《載體樁設(shè)計(jì)規(guī)程》［14］（JGJ 135—2007）表，結(jié)合本工程中三擊貫入度、天然孔隙比 e等數(shù)據(jù)資料用插值法算得等效面積Ae為2．16 m2，計(jì)算 Ra＝718．37 kN，結(jié)合一期工程，將單樁承載力特征值定為540 kN。

式中：Ra為載體樁單樁豎向承載力特征值，kN；fa為經(jīng)深度修正后的載體樁持力層地基承載力特征值，kPa；Ae為載體等效計(jì)算面積，m2。

2．2 樁身強(qiáng)度驗(yàn)算

對載體樁樁身強(qiáng)度進(jìn)行驗(yàn)算，如下式（3）所示：

式中：N為相應(yīng)于荷載效應(yīng)基本組合時(shí)，作用于載體樁單樁上的豎向力設(shè)計(jì)值，kPa；fc為混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，kPa；Ap為樁身截面面積，m2；ψc為成樁工藝系數(shù)，樁身為預(yù)制樁時(shí)取0．8，現(xiàn)場灌注時(shí)取0．75。

由樁身混凝土強(qiáng)度等級為 C30，得 fc＝14．3 N／mm2

N ＝ 675 kN ＜ 0．75fcAp＝ 1 485．13 kN，滿足設(shè)計(jì)要求。

2．3 樁側(cè)阻力與樁端阻力計(jì)算

4＃樓載體樁樁頂標(biāo)高－4．55 m，計(jì)算時(shí)忽略①層雜填土部分影響。第②層粉質(zhì)黏土部分，錐頭阻力 qpk1＝ 1．46 MPa，側(cè)阻力 qs1k＝ 40．2 kPa，樁身長度l1＝5．6 m，第③層粉質(zhì)黏土部分，錐頭阻力 qpk2＝0．86 MPa，側(cè)阻力 qs2k＝ 18．5 kPa，樁身長度 l2＝ 4．4 m，計(jì)算單樁豎向極限承載力可按《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》［15］（JGJ 94—2008）中的公式估算，式（4）如下：

式中：Qsk、Qpk分別為總極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值和總極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值；u為樁身周邊長度，m；Ap為樁底端橫截面面積，m2；qsik為樁側(cè)第i層土的極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值，kPa；qpk為極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值，kPa；li為第i層巖土厚度，m。

對于尚未完成自重固結(jié)的填土和以生活垃圾為主的雜填土，不計(jì)算其側(cè)阻力。

總極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值：Quk＝404．3 kN

總極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值：Qpk＝1 857．6 kN

經(jīng)計(jì)算，單樁極限承載力為2 261．9 kN，總極限樁側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值占總極限阻力標(biāo)準(zhǔn)值的17．9%，可知樁側(cè)阻力對載體樁的承載性能有一定的影響，設(shè)計(jì)時(shí)若將其考慮在內(nèi)，可節(jié)約建筑資源，具有一定的經(jīng)濟(jì)效益。

2．4 地下車庫抗浮計(jì)算

按巖土勘察報(bào)告4＃樓抗浮設(shè)防水位－2．5 m，地下車庫層高3．9 m，頂板覆土0．9 m，頂板厚0．18 m，底板厚 0．1 m，下有 0．25 m 厚防水板及 0．1 m 厚C20混凝土墊層。整體抗浮計(jì)算水位埋深計(jì)算如下：

H ＝2．03 m，水重度 r0＝9．8 kN／m3，土重度γ＝19 kN／m3

水浮力 V0＝1．2r0H ＝23．87 kN／m2

地下室頂板自重：G1＝4．5 kN／m2

地下室底板自重：G2＝2．5 kN／m2

地下室頂板覆土自重：G3＝17．1 kN／m2

地下室底板防水板自重：G4＝6．25 kN／m2

地下室底板墊層自重：G5＝2．2 kN／m2

地下室頂板抹灰自重：G6＝0．4 kN／m2

結(jié)構(gòu)總重G＝G1＋G2＋G3＋G4＋G5＋G6＝32．95 kN／m2＞ V0＝ 23．87 kN／m2，則地下車庫抗浮計(jì)算滿足要求。

3 載體樁現(xiàn)場試驗(yàn)

3．1 樁身質(zhì)量檢測

依據(jù)《建筑基樁檢測技術(shù)規(guī)》［16］（JGJ 106—2014）使用 RS－1616K（P）基樁動(dòng)測儀、LCO0154TA－加速度計(jì)（編號：0027）、力錘等對工程中的載體樁進(jìn)行樁身質(zhì)量檢測。經(jīng)過載體樁低應(yīng)變檢測，整理結(jié)果顯示：Ⅰ類樁（完整樁）372根，Ⅱ類樁、Ⅲ類樁、Ⅳ類樁均為0根。由此表明載體樁樁身完整性好、成樁質(zhì)量高，載體樁在該填埋場地比較適用，樁身質(zhì)量滿足設(shè)計(jì)要求。

3．2 單樁豎向承載力檢測

依據(jù)《建筑基樁檢測技術(shù)規(guī)范》［16］（JGJ 106—2014），使用RS－JYB全自動(dòng)靜載測試儀、QF200T－20b型油壓千斤頂、ST3000LBIIERY型油壓傳感器、RS－WS50型位移傳感器，采用慢速維持荷載法，抽檢了4＃及地下車庫各三根樁，共6根樁。檢測時(shí)首先加載裝置采用堆重平臺反力裝置，能提供不小于1 296 kN的反力。加載分級進(jìn)行，逐級等量加載，分級荷載為最大加載量或預(yù)估極限承載力的1／10。本次試驗(yàn)最大加載量為1 080 kN，分10級，第一級取分級荷載的2倍。靜載荷試驗(yàn)結(jié)果如下表3所示。

表3 靜載試驗(yàn)結(jié)果

3．3 試驗(yàn)結(jié)果對比分析

根據(jù)現(xiàn)場試驗(yàn)，終止加載條件是2倍單樁承載力特征值。4＃樓3根試驗(yàn)樁加載量為1 080 kN時(shí)，便終止加載，整個(gè)試驗(yàn)過程正常。試驗(yàn)將單樁豎向抗壓極限承載力統(tǒng)計(jì)值1 080 kN定為該工程樁的單樁豎向抗壓極限承載力。如圖3所示，4＃樓50號樁的樁頂最大沉降量為4．57 mm，68號樁的樁頂最大沉降量為4．47 mm，118號樁的樁頂最大沉降量5．77 mm。

圖3 4＃樓及地下車庫樁頂荷載－沉降曲線

通過對試驗(yàn)樁樁頂荷載－沉降曲線對比，可觀察到曲線呈緩變型，沒有明顯拐點(diǎn)。隨著荷載的增加，載體樁樁頂沉降－荷載的變化速率逐漸變大。沉降變化速率大的載體樁，最終樁頂總沉降量大，殘余變形量也大，最大沉降量為6．97 mm，最小沉降量為4．47 mm，沉降量均沒超過40 mm。卸載后，測得6根試驗(yàn)樁回彈率在38．59% ～41．42%之間，可知載體樁還有一定的承載能力，在2倍設(shè)計(jì)荷載下，樁的承載力均未達(dá)到極限，滿足設(shè)計(jì)要求。通過分析試驗(yàn)樁荷載－沉降曲線，沉降量相差不大，單樁承載能力沒有明顯區(qū)別，載體樁在持力層為粉質(zhì)黏土中比較適用。

3．4 載體樁施工質(zhì)量問題分析

根據(jù)一期工程現(xiàn)場完成打樁后調(diào)查資料，總結(jié)出該樁型樁身與載體的接合處會出現(xiàn)如下問題：

（1）樁身與載體接合部位嚴(yán)重縮徑。

（2）樁身與載體的接合部位混凝土離析、夾泥。（

3）樁身與下部載體脫離、載體移位。載體樁質(zhì)量問題統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表4。

表4 載體樁質(zhì)量問題統(tǒng)計(jì)

針對工程現(xiàn)場出現(xiàn)的上述問題，通過對機(jī)械、材料、方法、環(huán)境等各種因素詳細(xì)調(diào)查分析，建議該樁型施工過程中可以從三個(gè)方面來解決上述出現(xiàn)的問題：

（1）控制載體的總填料量，適當(dāng)增加干硬性混凝土的填量，減少建筑垃圾填量，測量出最適合現(xiàn)場的配比。

（2）嚴(yán)格控制拔管速度在1 m／min以內(nèi)，確保提管速度穩(wěn)定。

（3）在提升護(hù)筒時(shí)，用夯錘壓住混凝土面，以增大樁身混凝土壓力。

4 模擬分析

4．1 模型合理性驗(yàn)證

本文依據(jù)現(xiàn)場勘查資料，為簡化計(jì)算，將土層土性相似的合并為一類，模擬時(shí)用到的參數(shù)如表5所示，結(jié)合現(xiàn)場試驗(yàn)樁建立模型樁徑為 d＝0．42 m，樁長為 L＝10 m，載體直徑為 D＝1．6 m。

表5 材料屬性

按照建立部件、賦予材料屬性、裝配部件、建立分析步、設(shè)置相互作用、定義載荷及邊界條件、劃分網(wǎng)格、提交作業(yè)的步驟進(jìn)行建模型并模擬分析。其中在劃分網(wǎng)格時(shí)，對于關(guān)鍵部位細(xì)劃網(wǎng)格，如圖4所示。土體部件、載體樁部件采用C3D8R單元模擬，共計(jì)7 462個(gè)單元，9 296個(gè)節(jié)點(diǎn)。

圖4 樁土網(wǎng)格劃分

利用殺死樁單元法，先進(jìn)行土體地應(yīng)力平衡計(jì)算。模擬地應(yīng)力平衡后的土體平衡位移云圖，如圖5（a）所示，平衡后土體位移達(dá)到10－4m以上，滿足模擬要求。其中本文位移云圖中的位移單位均為m，應(yīng)力單位均為Pa。

圖5 地應(yīng)力平衡后位移及應(yīng)力云圖

土體地應(yīng)力平衡模擬結(jié)束后按照現(xiàn)場靜載荷試驗(yàn)對所建立的模型分10級加載，如表6所示。加載結(jié)束后，將該模型樁的荷載－沉降曲線與4＃樓3根樁的荷載－沉降曲線進(jìn)行對比分析，如圖6所示。對比結(jié)果表明模型樁荷載－沉降曲線與現(xiàn)場試驗(yàn)樁的荷載沉降曲線比較吻合，由此表明所建模型比較合理。

圖7為模型樁樁土位移及豎向應(yīng)力云圖。

表6 分級加載

圖6 有限元分析結(jié)果與實(shí)測結(jié)果對比

圖7 模型樁樁土位移及豎向應(yīng)力云圖

由圖7（a）樁土位移云圖可以看出，當(dāng)加載到2 800 kN左右時(shí)，模擬樁沉降量已達(dá)到40 mm，載體下部土體位移量比較大，土體可能發(fā)生局部剪切破壞。圖7（b）表明樁身底端兩側(cè)應(yīng)力最大，載體內(nèi)部應(yīng)力分布呈半橢圓型，隨著載體將應(yīng)力擴(kuò)散到土體，離載體頂部越遠(yuǎn)，其載體內(nèi)應(yīng)力越小。在實(shí)際工程施工中，應(yīng)注意樁身底端與載體的施工連接質(zhì)量，可在樁身底端鋼筋籠位置局部增加豎筋及箍筋，避免樁身底端因上部荷載過大而造成樁身破壞。

4．2 模擬分析載體直徑對承載性影響

建立三組模型，樁身直徑為 d＝0．4 m，載體直徑分別為 D＝4d、D＝5d、D＝6d，樁身長度為10 m。其它參數(shù)與上文表中的參數(shù)相同。分別對三組模型加載模擬，加載到2 916 kN終止。由圖8可看出，起初隨著荷載的施加，三組模型樁的沉降量基本無差別，加到800 kN之后，載體直徑為 D＝4d的沉降量明顯比其它兩組模型樁的沉降量大，載體直徑為D＝6d的模型樁沉降量最小。由此說明載體直徑越大，所能承擔(dān)的上部荷載性能越好，載體樁沉降量越小。

圖8 不同載體直徑樁基荷載－沉降曲線

通過對比三組不同載體直徑的樁土位移云圖圖9（a）、圖 10（a）、圖 11（a）可知，在樁徑與樁長一樣的情況下，載體直徑越大，樁體位移及載體底部土體位移越小。

由載體樁應(yīng)力云圖圖 9（b）、圖 10（b）、圖 11（b）可知，樁身底端兩邊與載體連接處應(yīng)力最大，載體內(nèi)部應(yīng)力呈半橢圓型分布，載體直徑越大，其載體內(nèi)部應(yīng)力分布區(qū)域越小。載體樁受到上部荷載時(shí)的荷載由樁身傳遞給載體，再由載體擴(kuò)散到樁周土體。載體樁單樁破壞主要發(fā)生在樁身與載體連接部位，在工程應(yīng)用中，應(yīng)嚴(yán)格控制載體密實(shí)度。

圖9 載體樁D＝4d位移及應(yīng)力云圖

圖10 載體樁D＝5d位移及應(yīng)力云圖

4．3 模擬分析載體埋深對承載性影響

建立三組模型，樁身直徑為 d＝0．4 m，載體埋深分別為 L＝20d、L＝25d、L＝30d，載體直徑為0．8 m。其它參數(shù)與上文中的參數(shù)相同。對其加載模擬分析見圖12，由圖12可觀察到，隨著荷載增加，不同載體埋深的模型樁沉降量沒有明顯區(qū)別，在加載到2 000 kN左右之前，L＝20d的模型樁表現(xiàn)出更好的承載性能，加載到2 000 kN之后，L＝30d的模型樁沉降量相對小一些。

圖11 載體樁D＝6d位移及應(yīng)力云圖

圖12 不同載體埋深樁基荷載－沉降曲線

4．4 載體樁優(yōu)化設(shè)計(jì)

本文中以工程實(shí)例建立模型樁的載體直徑為D＝4．3d，載體埋深為 L＝24d，其中 d＝420 mm。經(jīng)過上文不同載體直徑與不同載體埋深模型的模擬分析，提出模型優(yōu)化方案：載體直徑滿足 D＝6d，載體埋深滿足 L＝25d，以 d＝300 mm建立模型。優(yōu)化樁模擬后的荷載－沉降結(jié)果與本文模型樁所模擬得到的結(jié)果見圖13，從圖13可明顯看出，在加載到2 800 kN左右時(shí)，模擬樁沉降量已達(dá)到40 mm，而優(yōu)化樁沉降量在12 mm左右。優(yōu)化樁的荷載－沉降曲線沒有明顯的拐點(diǎn)，呈緩變型，優(yōu)化后的載體樁表現(xiàn)出良好的承載性能。通過對比兩種載體樁方案，可以看出優(yōu)化樁縮減樁徑與樁身長度后，減少了鋼筋及混凝凝土用量，增大載體直徑使得建筑垃圾用量增大。不僅能夠有效的提高單樁承載力，還大量節(jié)約資源，保護(hù)環(huán)境。在今后的載體樁設(shè)計(jì)應(yīng)用中，可考慮載體直徑的與樁徑關(guān)系對載體樁承載性能的影響。

圖13 模型樁與優(yōu)化樁荷載－沉降曲線

5 結(jié) 語

（1）對填埋場地進(jìn)行巖土工程評價(jià)及地基基礎(chǔ)方案分析，確定利用載體樁對地基進(jìn)行加固處理比較合適。計(jì)算得出樁側(cè)阻力占總阻力的比值在20%左右，工程應(yīng)用中可考慮樁側(cè)阻力所發(fā)揮的作用，節(jié)約資源，顯得更經(jīng)濟(jì)。對4＃樓進(jìn)行地下車庫抗浮計(jì)算，滿足設(shè)計(jì)要求。

（2）由現(xiàn)場的6根試驗(yàn)樁荷載－沉降曲線對比分析知，曲線呈緩變型，沒有明顯的拐點(diǎn)，加載到2倍單樁承載力特征值下，承載力并未達(dá)到極限，載體樁還有一定的承載能力，載體樁在持力層為粉質(zhì)黏土中比較適用。

（3）對于樁身與載體的接合處可能出現(xiàn)樁縮徑、混凝土離析等現(xiàn)象，可實(shí)施控制載體的總填料量，測量出適合現(xiàn)場的配比，嚴(yán)控拔管速度等措施。

（4）通過模擬不同載體直徑及不同載體埋深對載體樁承載性能影響，表明載體直徑大小對載體樁承載性能影響比較大，也從側(cè)面說明載體樁屬于端承樁。載體樁施工時(shí)，應(yīng)注意樁身底端鋼筋籠位置增加局部豎向鋼筋及箍筋提高樁身承載力，嚴(yán)格控制載體密實(shí)度，夯實(shí)完畢后，在載體上鋪設(shè)加強(qiáng)網(wǎng)與樁身更好的連接。在工程設(shè)計(jì)應(yīng)用中，建議載體直徑為 D＝6d，載體埋深 L＝25d，在大幅度提高單樁承載力的同時(shí)，有效節(jié)約建筑資源，節(jié)省費(fèi)用支出。

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