深厚軟基區(qū)橋梁樁基豎向承載特性

馮忠居， 李孝雄,2， 蘇航州，王富春，王溪清，建鑫龍， 許萬貴， 葉方才

(1.長安大學(xué) 公路學(xué)院，陜西 西安 710064； 2.滁州學(xué)院 地理信息與旅游學(xué)院，安徽 滁州 239000；3.中國電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司， 陜西 西安 710065； 4.廣東大潮高速公路有限公司，廣東 廣州 514247； 5.寧波公路市政設(shè)計(jì)有限公司，浙江 寧波 315100)

0 引 言

中國的東南沿海地區(qū)軟土分布廣泛，影響軟基區(qū)橋梁樁基礎(chǔ)的力學(xué)與變形特性，高速公路橋梁工程穿越軟基區(qū)，其基礎(chǔ)形式主要為樁基礎(chǔ)，深厚軟基區(qū)橋梁樁基的受力狀況顯著區(qū)別于其他地區(qū)樁基：深厚軟基區(qū)橋梁樁基由于軟土的高壓縮性、高含水量、低強(qiáng)度和低密實(shí)度等工程特性，在一定深度內(nèi)樁側(cè)土體軟化，樁基承載力降低、沉降量加大。

目前，國內(nèi)外研究學(xué)者對(duì)深厚軟基區(qū)橋梁樁基的受力與變形機(jī)理進(jìn)行了大量的研究。曾開華等認(rèn)為，在柔性基礎(chǔ)下復(fù)合地基可發(fā)揮樁間土的承載能力，其樁-土應(yīng)力比的變化趨勢(shì)為先減小后增大[1]。Oh Young In等對(duì)海相沉積軟土地區(qū)樁-網(wǎng)復(fù)合地基的有效性和如何減少沉降差異進(jìn)行了研究[2]。Khatri等利用有限元分析和線性規(guī)劃的方法研究承載系數(shù)在軸向力增加情況下的變化過程[3]。魏棟梁等基于試驗(yàn)所測(cè)得的數(shù)據(jù)，結(jié)合大理洱海軟土土層結(jié)構(gòu)、性質(zhì)特點(diǎn)，用有限元法對(duì)鉆孔灌注樁的受力性狀進(jìn)行仿真模擬[4]。張強(qiáng)釆用有限差分軟件FLAC3D對(duì)深厚軟土區(qū)超長橋梁基礎(chǔ)的變形特性進(jìn)行數(shù)值分析，得到了各施工工況下地基的應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng)、群樁樁身軸力分布、群樁基礎(chǔ)變形、樁-土荷載分擔(dān)比[5]。武星等建立了軟土地基中摩擦型樁基-土相互作用的軸對(duì)稱模型，并提出了工程中摩擦樁設(shè)計(jì)合理樁長的概念[6]。鄭明新等采用ABAQUS研究發(fā)現(xiàn)，在深厚軟基上進(jìn)行小厚度的填土?xí)?duì)鄰近樁基產(chǎn)生較大的影響[7]。影響深厚軟基區(qū)橋梁樁基礎(chǔ)豎向承載特性的因素復(fù)雜多變，針對(duì)某一影響因素開展的研究不夠全面，故馮勝洋[8]對(duì)深厚軟基區(qū)樁基礎(chǔ)工后沉降特性進(jìn)行了大量的研究；陳旻[9]基于現(xiàn)場(chǎng)靜載試驗(yàn)研究了深厚軟土地區(qū)樁基在荷載作用下的樁身應(yīng)力、樁頂沉降量及樁端沉降量等的變化規(guī)律；張敏[10]等采用聯(lián)合測(cè)試法確定出了深厚軟基區(qū)深長樁基礎(chǔ)壓縮層厚度；楊明輝提出了深厚軟基區(qū)超長群樁有效樁長的確定方法。

基于筆者在橋梁樁基礎(chǔ)方面取得的研究成果[11-13]，本文選取軟土層厚度、樁長、樁徑作為研究變量，采用理論分析與數(shù)值仿真分析等手段對(duì)深厚軟基區(qū)橋梁樁基豎向承載特性進(jìn)行分析，深入研究深厚軟基區(qū)橋梁樁基在豎向荷載作用下的樁基豎向極限承載力、樁側(cè)阻力及樁端阻力變化規(guī)律。

1 豎向荷載作用下的樁基受力與變形特性

1.1 樁側(cè)阻力特性

軟土由于高壓縮性、高含水量和低密實(shí)度等工程特性易產(chǎn)生沉降。當(dāng)?shù)鼗脸两敌∮跇痘两禃r(shí)，地基土對(duì)樁側(cè)表面產(chǎn)生向上的摩阻力；當(dāng)?shù)鼗恋某两荡笥跇兜某两?樁身壓縮及樁尖下沉)時(shí)，樁側(cè)土相對(duì)于樁向下移動(dòng)，壓縮的地基土對(duì)樁側(cè)產(chǎn)生向下的摩阻力，即負(fù)摩阻力，如圖1所示[14]。樁身分布負(fù)摩阻力時(shí)，一般存在中性點(diǎn)，在該深度樁-土相對(duì)位移為零、樁身摩阻力為零。當(dāng)樁基沉降大于樁周土體沉降時(shí)，樁側(cè)只存在正摩阻力，但由于軟土強(qiáng)度較低，表現(xiàn)為軟化特性，樁側(cè)摩阻力分布為R形。

圖1 深厚軟基區(qū)橋梁樁基側(cè)摩阻力

1.2 樁端阻力特性

樁側(cè)摩阻力和樁端阻力的發(fā)揮是相互影響的，因軟土抗剪強(qiáng)度低，提供樁側(cè)摩阻力較小，且軟土由于固結(jié)和次固結(jié)產(chǎn)生較大沉降，樁側(cè)易產(chǎn)生負(fù)摩阻力，因而樁端需提供較大承載力。相同地質(zhì)條件下，樁端阻力隨著樁頂沉降量的增加而增大。

1.3 豎向荷載下樁-土相互作用模型

豎向荷載作用下樁-土相互作用主要為樁與土層之間的接觸問題，即樁側(cè)阻力和樁端阻力如何發(fā)揮。橋梁樁基礎(chǔ)位于軟土范圍內(nèi)時(shí)，樁側(cè)摩阻力和樁端承載力降低；當(dāng)樁穿越軟土層時(shí)，下伏較硬土層抗剪強(qiáng)度高、壓縮量較小，因此位于軟土下伏較硬土層內(nèi)的樁側(cè)阻力、樁端承載力均有所增加，樁基承載力高于未穿越軟土層的樁基，且樁頂沉降量較小。

2 豎向荷載作用下的樁基承載特性數(shù)值仿真分析

2.1 模型建立及參數(shù)選取

依據(jù)樁基礎(chǔ)的力學(xué)特性和數(shù)值計(jì)算對(duì)樁周土影響范圍的要求，樁周土范圍取10倍樁徑，樁端土層厚度為0.5倍樁長，建立橋梁樁基的樁-土幾何模型，如圖2所示。單元?jiǎng)澐植捎昧骟w八結(jié)點(diǎn)的實(shí)體單元，把實(shí)體離散成有限元單元時(shí)，盡可能加密橋梁樁基及樁周土單元，由近到遠(yuǎn)、由密到疏地過渡，如圖3所示。

模型計(jì)算參數(shù)根據(jù)地質(zhì)勘察資料及相關(guān)規(guī)范取值，見表1。

2.2 數(shù)值模型方案

采用不同的豎向荷載分級(jí)加載，分析深厚軟基區(qū)橋梁樁基礎(chǔ)的豎向承載特性，見表2。

2.3 計(jì)算結(jié)果分析

2.3.1 軟土厚度變化對(duì)樁基豎向承載特性的影響

通過在樁頂逐級(jí)施加荷載，得到樁長30 m、樁徑1.0 m時(shí)不同軟土厚度下樁基礎(chǔ)的P-S(樁頂施加荷載-樁頂豎向位移)曲線，如圖4所示。

圖2 樁-土模型

圖3 有限元分析模型

表1 有限元分析模型的材料參數(shù)

表2 計(jì)算工況

圖4 不同軟土厚度的樁基P-S曲線

由圖4可見：在每級(jí)所加荷載作用下，樁頂?shù)某两盗烤闯^前一級(jí)沉降量的5倍，軟土厚度H變化時(shí)的樁基P-S曲線基本為緩變型，無明顯拐點(diǎn)；在相同樁頂豎向荷載作用下，樁頂位移隨軟土厚度的增大而增大；當(dāng)軟土厚度超過30 m(樁端位于軟土層中)，樁基P-S曲線的變化規(guī)律相同。

取樁頂位移為40 mm對(duì)應(yīng)的承載力作為樁基極限承載力，按式(1)計(jì)算樁基極限承載力隨軟土厚度變化的規(guī)律，結(jié)果如圖5所示。

Δ1=(PH-P0)/P0

(1)

式中：Δ1為軟土厚度變化時(shí)極限承載力的變化幅度；PH為軟土厚度為H(H≥0 m)時(shí)樁基的豎向極限承載力；P0為軟土厚度為0時(shí)樁基的豎向極限承載力。

圖5 不同軟土厚度時(shí)的樁基豎向極限承載力變化規(guī)律

由圖5可見，隨著軟土厚度的增大，樁基豎向極限承載力逐漸減小，軟土厚度超過樁長時(shí)，樁基豎向極限承載力減小幅度變小。軟土厚度分別為5、10、15、20、25、30、35、40、45 m時(shí)，樁基豎向極限承載力較無軟土?xí)r樁基豎向極限承載力(7 598 kN)分別降低了14.3%、27.2%、40.9%、54.4%、68.1%、85.1%、87.4%、87.4%和87.4%。樁基承載力達(dá)到極限值所對(duì)應(yīng)的樁側(cè)阻力與樁端阻力的分配情況如圖6所示。

圖6 不同軟土厚度時(shí)的樁端阻力和樁側(cè)阻力

由圖6可見：軟土厚度小于30 m時(shí)，隨著軟土厚度的增大，樁端阻力逐漸增大，同時(shí)樁端阻力占極限承載力的比重亦逐漸增大；軟土厚度大于30 m時(shí)，隨著軟土厚度的增大，樁端阻力逐漸減小，同時(shí)樁端阻力占極限承載力的比重亦逐漸減小。隨著軟土厚度的增大，樁側(cè)阻力降低趨勢(shì)顯著；軟土厚度小于30 m時(shí)，樁側(cè)阻力占極限承載力的比重隨著軟土厚度的增大逐漸減??；軟土厚度大于30 m時(shí)，樁側(cè)阻力占極限承載力的比重隨著軟土厚度增大而增大。這說明樁基未穿越軟土層時(shí)，樁基承載力顯著減小，且樁基承載力以樁側(cè)阻力為主。

2.3.2 軟土厚度與樁長變化對(duì)樁基豎向承載特性的影響

通過在樁頂逐級(jí)施加荷載可得到樁徑為1.0 m時(shí)不同軟土厚度與樁長下樁基豎向極限承載力的變化規(guī)律。取樁頂位移40 mm對(duì)應(yīng)的承載力作為樁基極限承載力，按式(2)計(jì)算樁基極限承載力隨軟土厚度與樁長的變化規(guī)律，結(jié)果如圖7、8所示。

Δ2=(P1-P2)/P2

(2)

式中：Δ2為軟土厚度與樁長變化時(shí)極限承載力的變化幅度；P1為軟土厚度與樁長變化時(shí)的極限承載力；P2為軟土厚度與樁長為10 m時(shí)的極限承載力。

圖7 不同軟土厚度與樁長的樁基豎向極限承載力的變化規(guī)律

圖8 不同軟土厚度與樁長的極限承載力變化幅度的變化規(guī)律

由圖7、8可見，樁基豎向極限承載力隨樁長的增大而增大，增大幅度與樁端相對(duì)于軟土層的位置有關(guān)。樁端未穿越軟土層時(shí)，樁基豎向極限承載力隨樁長的增大幅度較小；而樁端穿越軟土層時(shí)，其增大幅度較大。以軟土厚度為30 m為例，樁長分別為20、30、40、50 m時(shí)的樁基豎向極限承載力分別為1 467、2 615、8 252、12 147 kN，較樁長為10 m時(shí)的797 kN分別增大了84.0%、227.9%、934.9%和1 423.4%。當(dāng)樁基承載力達(dá)到極限值時(shí)，所對(duì)應(yīng)樁側(cè)阻力與樁端阻力的分配情況如圖9、10所示。

圖9 不同樁長時(shí)的樁端阻力

圖10 不同樁長時(shí)的樁側(cè)阻力

由圖9、10可看出，樁端阻力隨樁長的變化規(guī)律和樁端與軟土層的相對(duì)位置有關(guān)，樁基穿越軟土層時(shí)的樁端阻力明顯大于未穿越軟土層時(shí)的樁端阻力。當(dāng)樁基未穿越軟土層時(shí)，隨著樁長的增大，樁端阻力隨之增大，樁端阻力占極限承載力的比重則隨之減小。當(dāng)樁基穿越軟土層，且樁長小于40 m時(shí)，樁端阻力隨樁長的增大而減??；樁長大于40 m時(shí)，樁端阻力隨樁長的增大而增大，但樁端阻力占極限承載力比重則始終隨樁長的增大而減小，表現(xiàn)出超長樁的特性。因此，在深厚軟基區(qū)可將樁長大于40 m的樁基定義為超長樁。

2.3.3 軟土厚度與樁徑變化對(duì)樁基豎向承載特性的影響

通過在樁頂逐級(jí)施加荷載可得到樁長為30 m時(shí)不同軟土厚度與樁徑下樁基豎向極限承載力的變化規(guī)律。取樁頂位移為40 mm時(shí)的承載力作為樁基極限承載力，按式(3)計(jì)算樁基極限承載力隨軟土厚度與樁徑的變化規(guī)律，結(jié)果如圖11、12所示。

Δ3=(P3-P4)/P4

(3)

式中：Δ3為軟土厚度和樁徑變化時(shí)極限承載力的變化幅度；P3為軟土厚度和樁徑變化時(shí)的極限承載力；P4為軟土厚度和樁徑為0.9 m時(shí)的極限承載力。

圖11 不同軟土厚度與樁長的樁基豎向極限承載力變化規(guī)律

圖12 不同軟土厚度與樁長的極限承載力變化幅度變化規(guī)律

由圖11、12可見：當(dāng)軟土厚度小于30 m、樁基全部穿越軟土?xí)r，樁基豎向極限承載力隨樁徑的增大而增大；樁徑大于1.2 m時(shí)，樁基豎向極限承載力變化幅度明顯增加，因此樁端位于較硬土層時(shí)，增大樁徑可有效提高樁基的豎向極限承載力；軟土厚度大于30 m且樁基全部位于軟土中時(shí)，樁徑的變化對(duì)樁基豎向極限承載力的影響不大。當(dāng)樁基承載力達(dá)到極限值時(shí)，所對(duì)應(yīng)的樁側(cè)阻力與樁端阻力分配情況如圖13、14所示。

圖13 不同樁徑時(shí)的樁端阻力

圖14 不同樁徑時(shí)的樁側(cè)阻力

由圖13、14可見：當(dāng)樁徑不大于1.2 m，隨著樁徑的增大，樁端阻力逐漸增大，且樁端阻力占極限承載力的比重亦逐漸增大；當(dāng)樁徑大于1.2 m，隨著樁徑的增大，樁端阻力逐漸減小，且樁端阻力所占極限承載力的比重亦逐漸減小；樁端位于軟土與較硬土層交界面時(shí)，隨著樁徑的增大，樁端阻力逐漸增大，但樁端阻力占極限承載力的比重在樁徑不大于1.2 m時(shí)增大，樁徑大于1.2 m時(shí)減??；當(dāng)樁徑不大于1.2 m，隨著樁徑的增大，樁側(cè)阻力逐漸增大，但樁側(cè)阻力占極限承載力的比重逐漸減小；當(dāng)樁徑大于1.2 m，隨著樁徑的增大，樁側(cè)阻力逐漸增大，且樁側(cè)阻力所占極限承載力的比重也逐漸增大。由此看出，當(dāng)樁徑超過1.2 m時(shí)，樁端阻力減小，相應(yīng)的樁側(cè)阻力增大，樁端阻力存在尺寸效應(yīng)。因此，深厚軟基區(qū)橋梁樁徑大于1.2 m時(shí)可定義為大直徑樁。

3 工程建議

(1)軟土厚度對(duì)橋梁樁基礎(chǔ)豎向承載特性的影響較大，當(dāng)軟土厚度超過樁長時(shí)，樁基豎向極限承載力降低可達(dá)80%以上，且樁基承載力以樁側(cè)阻力為主。因此，工程設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮軟土厚度對(duì)橋梁樁基礎(chǔ)豎向承載特性的影響，合理選取樁長。

(2)將樁長大于40 m、樁徑大于1.2 m定義為深厚軟基區(qū)超長樁及超大直徑樁，其承載特性顯著區(qū)別于較小樁基。因此，當(dāng)實(shí)體工程中樁長大于40 m、樁徑大于1.2 m時(shí)，應(yīng)專門考慮設(shè)計(jì)的合理性和安全性。

4 結(jié) 語

(1)橋梁樁基豎向極限承載力隨著軟土厚度的增大而減小，以軟土厚度等于樁長為分界點(diǎn)。當(dāng)軟土厚度小于樁長時(shí)，樁基豎向極限承載力降低顯著，但樁端阻力增大，樁側(cè)摩阻力減?。卉浲梁穸瘸^樁長時(shí)，樁基豎向極限承載力降低幅度變緩，樁端阻力及樁側(cè)阻力均減小。

(2)當(dāng)樁基穿越軟土層且樁長大于40 m時(shí)，表現(xiàn)出超長樁的特性，將樁長大于40 m的樁基定義為深厚軟基區(qū)超長樁；當(dāng)樁徑不大于1.2 m，表現(xiàn)出大直徑樁的尺寸效應(yīng)，故將樁徑大于1.2 m的樁基定義為深厚軟基區(qū)大直徑樁。