超長樁側(cè)摩阻力退化效應(yīng)數(shù)值分析

林驍騁

（上海農(nóng)工商房地產(chǎn)置業(yè)有限公司　上海　201708）

1　有限元模型

1.1　模型建立

本文采用有限元軟件ABAQUS進(jìn)行模擬分析。根據(jù)上海軟土土層特性，將土層簡化為五層，采用修正劍橋模型（Critical state（clay）plasticity model）模擬土體的彈塑性行為。為了真實(shí)地模擬超長排樁結(jié)構(gòu)，并能保證運(yùn)算效率，本文選取三根超長樁組成排樁結(jié)構(gòu)。其中，樁長60m，樁直徑1m，自由高度10m，入土深度50m，樁間距為3m，承臺尺寸為16m×8m×2m。樁身材料為混凝土，故選用理想彈性材料，根據(jù)修正劍橋模型要求，樁土單元類型均為C3D8I單元。樁側(cè)土體寬度取20倍樁徑，樁端下土體取1倍樁長。

1.2　樁土接觸及邊界條件

為了真實(shí)地模擬樁土之間的相對滑動，在樁土界面處設(shè)置主-從接觸，定義樁為主面，土為從面，采用庫倫摩擦模型來描述接觸面間的摩擦行為。綜合考慮土層特性，取摩擦系數(shù)u=0.3。土體兩側(cè)邊界分別約束其水平位移，對土體底部邊界同時施加水平和豎向約束。

1.3　模型加載

為了研究水平荷載、邊載大小和邊載距離對超長樁承載性狀的影響。本文取不同水平荷載大?。?～1200kPa），以均布力形式作用于樁頂，邊載大?。?0～200kPa）和邊載距離（2～10m）進(jìn)行計算分析。在超長樁一側(cè)土體表面施加邊載。

1.4　模型驗(yàn)證

為了驗(yàn)證模型建立方法的有效性，選用佛山市某現(xiàn)場試驗(yàn)實(shí)例進(jìn)行模擬。本文選取三號樁進(jìn)行分析，有限元模擬值和試驗(yàn)值對比見圖1。模擬的在水平荷載作用下樁頂側(cè)移與試驗(yàn)值大小有少許誤差，變化趨勢基本一致，可見本文的數(shù)值模型是準(zhǔn)確的。

圖1　試驗(yàn)值與有限元計算結(jié)果對比

2　超長樁側(cè)摩阻力退化型式

目前研究樁側(cè)阻力的退化一般是指樁身某截面單位側(cè)阻力的退化。本文通過一系列有限元模擬計算，發(fā)現(xiàn)超長樁隨著外部荷載或樁頂沉降的增加，達(dá)到極限后樁身總側(cè)阻力反而降低的現(xiàn)象。

如果樁身總側(cè)阻力出現(xiàn)了退化，一般是因?yàn)闃渡泶蟛糠纸孛鎲挝粋?cè)阻力出現(xiàn)退化所致。對本例中樁進(jìn)行分析，選取幾個有代表性的截面，分析結(jié)果如圖2（a）所示，隨著樁頂沉降的不斷增加，樁身各截面?zhèn)茸枇Ρ憩F(xiàn)出不同的變化趨勢。樁頂下6m和30m處截面單位側(cè)阻力都隨樁頂沉降先增大后減小，最后減小速率變緩，側(cè)阻力趨于一個恒定值。這兩個截面單位側(cè)摩阻力達(dá)到極限后退化時的樁頂沉降分別為20mm和37mm。樁頂下12m處截面單位側(cè)阻力隨樁頂沉降先增大后迅速減小，該截面單位側(cè)摩阻力達(dá)到極限后退化時的樁頂沉降為28mm。樁頂下50m處截面單位側(cè)阻力隨樁頂沉降的增大而幾乎呈線性增大，其余三個截面單位側(cè)摩阻力達(dá)到極限開始退化時，該截面單位側(cè)阻力還未完全發(fā)揮。

由圖2（b）知，樁身總側(cè)阻力隨樁頂沉降的增大而先增大后減小。當(dāng)樁頂沉降為26mm時，樁身總摩阻力達(dá)到極限開始出現(xiàn)退化，退化后總摩阻力不再隨樁頂沉降的增加而提升。所以當(dāng)樁身大部分截面出現(xiàn)退化時，樁身總摩阻力一般也發(fā)生退化效應(yīng)。

圖2　本文樁身總側(cè)阻力退化和截面?zhèn)茸枇ν嘶谋容^

由此可見，超長樁樁身側(cè)摩阻力發(fā)揮是異步的，當(dāng)上部截面?zhèn)茸枇σ呀?jīng)發(fā)生退化時，下部截面?zhèn)茸枇Σ艅傞_始發(fā)揮。其完全發(fā)揮所需的樁頂沉降也各不相同，這與樁身不同截面處樁側(cè)土層性質(zhì)存在一定關(guān)聯(lián)。

由以上分析可以發(fā)現(xiàn)，超長樁樁身某些截面單位側(cè)阻力退化普遍存在，特別是在樁的上部位置截面，而樁身總側(cè)阻力退化只存在部分樁中。

3　側(cè)摩阻力退化效應(yīng)影響因素分析

3.1　荷載比值系數(shù)k對側(cè)摩阻力退化效應(yīng)的影響

本節(jié)保持其他參數(shù)不變，變化k=2，4，6，研究水平荷載和邊載比值大小對樁側(cè)摩阻力退化效應(yīng)的影響。

圖3　不同k下樁身總側(cè)阻力退化曲線

由圖3知，在邊載和水平荷載共同作用下，無論是中間樁還是邊部樁，隨著k減小超長樁樁身側(cè)摩阻力都出現(xiàn)了不同程度的退化現(xiàn)象，且退化后側(cè)摩阻力數(shù)值也隨k的減小而減小。當(dāng)k=2時，中間樁總摩阻力退化后基本保持恒定殘余值，當(dāng)k=4、6時，中間樁總摩阻力退化后一直降低。而邊部樁總摩阻力退化后一直呈減小趨勢。這主要是因?yàn)榈鼗线呡d作用使樁周土體產(chǎn)生附加沉降，引起樁側(cè)某些截面出現(xiàn)負(fù)摩阻力，導(dǎo)致樁側(cè)總摩阻力降低甚至出現(xiàn)側(cè)阻退化。根據(jù)第四章分析，隨著邊載增大，樁身負(fù)摩阻力區(qū)域變大。因此，也使得樁身總摩阻力更易出現(xiàn)退化，圖3反映了該現(xiàn)象。

通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)；邊部樁出現(xiàn)側(cè)摩阻力退化現(xiàn)象的時間晚于中間樁。這是由于群樁效應(yīng)造成的，邊樁附近土體只為邊樁提供側(cè)摩阻力，而中間樁附近土體不僅需要提供中間樁的側(cè)摩阻力，還需提供邊樁的，因此中間樁側(cè)摩阻力更易達(dá)到極限，也就更易出現(xiàn)退化現(xiàn)象。

3.2　樁長徑比對側(cè)摩阻力退化效應(yīng)的影響

本節(jié)保持其他參數(shù)不變，變化樁的直徑d=1，1.2，1.5，此時，相應(yīng)的長徑比L/D為60，50，40?？疾扉L徑比對側(cè)摩阻力退化效應(yīng)的影響。

通過分析可以發(fā)現(xiàn)，長徑比的改變對側(cè)摩阻力退化現(xiàn)象影響較大。在樁頂沉降小于20mm時，中間樁與邊部樁的樁身總側(cè)摩阻力增長速度都比較快，隨后樁身總摩阻力增長趨勢變緩，直至出現(xiàn)側(cè)阻退化，維持在一個殘余強(qiáng)度。隨著L/D的增大，樁身總摩阻力達(dá)到極限開始退化時的樁頂沉降減小，其減小形態(tài)大致呈線性遞減，退化后所保持的側(cè)摩阻力殘余值也隨之大幅減小，中間樁和邊部樁也都遵循這一樁身總摩阻力達(dá)到極限后的退化規(guī)律。中間樁出現(xiàn)總側(cè)阻力退化時所需的樁頂沉降小于邊部樁，即中間樁更易出現(xiàn)側(cè)阻退化效應(yīng)，這與之前的分析吻合。

因此，減小長徑比對延緩側(cè)摩阻力退化效應(yīng)有利，可以有效改善超長樁結(jié)構(gòu)的承載性狀。

3.3　樁土摩擦系數(shù)u對側(cè)摩阻力退化效應(yīng)的影響

樁基承載力中側(cè)摩阻力是靠樁周土提供的，其發(fā)揮前提是樁與樁周土產(chǎn)生相對位移或者具有相對位移趨勢。因此，樁土之間接觸面的力學(xué)特性是影響樁基礎(chǔ)承載力和變形的重要因素之一。本文采用庫倫摩擦模型，盡可能真實(shí)地描述樁土之間的接觸性狀。

本節(jié)保持其他參數(shù)不變，變化u=0.2，0.3，0.4，研究樁土界面間的不同摩擦性狀對樁側(cè)摩阻力退化效應(yīng)的影響。

工程上為平衡土層壓力，穩(wěn)定孔壁，防止塌孔、縮孔，超長鉆孔灌注樁成孔時一般會采用泥漿護(hù)壁措施。泥漿護(hù)壁成孔往往在樁周形成一薄弱層，即泥皮，厚度從幾毫米到幾厘米不等。由于樁側(cè)泥皮的存在，將引起樁土摩擦系數(shù)u的降低，使得樁側(cè)摩阻力更易出現(xiàn)退化，對超長樁承載性狀產(chǎn)生了嚴(yán)重影響。所以工程上應(yīng)盡量控制泥皮厚度，清除沉渣，提高樁基側(cè)阻力。

通過以上研究分析發(fā)現(xiàn)，超長樁存在樁側(cè)總摩阻力退化現(xiàn)象。在實(shí)際工程中需要通過控制邊載大小、清除樁孔泥皮和沉渣、提高樁土接觸面粗糙程度、保證樁端持力層的強(qiáng)度等措施，來避免樁側(cè)總摩阻力顯著退化。

4　結(jié)語

本章針對邊載與水平荷載共同作用下超長樁側(cè)摩阻力退化效應(yīng)進(jìn)行研究，闡述了樁身總摩阻力退化現(xiàn)象。就荷載比值系數(shù)k，長徑比L/D，樁土接觸面摩擦系數(shù)，樁端土層性質(zhì)以及樁側(cè)土層分布情況等相關(guān)參數(shù)做了影響性分析，并且對超長樁總側(cè)摩阻力達(dá)到極限后退化時所需樁頂沉降較大這一現(xiàn)象進(jìn)行了討論，得到了以下一些主要結(jié)論：

（1）當(dāng)樁頂沉降值增大時，樁身某些截面?zhèn)饶ψ枇Σ⒉皇且恢痹龃蠖鴷霈F(xiàn)回落，這往往導(dǎo)致樁身總側(cè)摩阻力退化，影響超長樁的承載性狀。

（2）隨著荷載比值系數(shù)k減小，樁側(cè)總摩阻力退化效應(yīng)顯著且中間樁比邊部樁更易出現(xiàn)退化，控制邊載大小可以有效阻礙側(cè)摩阻力退化現(xiàn)象產(chǎn)生；隨著樁土接觸面摩擦系數(shù)u增大（即由動摩擦轉(zhuǎn)為靜摩擦），側(cè)摩阻力達(dá)到極限后退化時的樁頂沉降值不斷升高，當(dāng)u=0.4時，樁身總摩阻力退化效應(yīng)明顯減弱。

（3）減小長徑比和增加樁端土強(qiáng)度可以有效延緩側(cè)摩阻力出現(xiàn)退化。且側(cè)摩阻力退化后保持的殘余恒定值也變小。

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