超前加固植入樁受荷機(jī)理分析與模擬

侯維杰 李建勇 孫文懷 郝彥超

(1.華北水利水電大學(xué) 河南鄭州 450046； 2.河南省建筑科學(xué)研究院有限公司 河南鄭州 450053)

0 引言

在樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中，提高樁基承載力和降低樁基礎(chǔ)沉降是兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。

從改變單樁形態(tài)的螺紋樁，到結(jié)合2種樁型的勁性攪拌樁，再到后注漿技術(shù)，各種提高承載力的方法層出不窮。螺紋樁[1-2]適用于一般黏性土、粉土、砂土、碎石土、殘積土、及強(qiáng)風(fēng)化巖等土層，適用范圍廣，相對(duì)于傳統(tǒng)的等直徑樁，螺牙的存在提高了樁的側(cè)阻力，使其承載力高于傳統(tǒng)樁型，但存在施工速度慢，工期較長(zhǎng)，相對(duì)預(yù)制樁造價(jià)較高的問(wèn)題。勁性攪拌樁，是在攪拌樁中間插入加強(qiáng)內(nèi)芯作為增強(qiáng)體，增加攪拌樁樁體強(qiáng)度，克服了攪拌樁樁體強(qiáng)度不足導(dǎo)致承載力偏低的問(wèn)題，董平[3]、Anucha Wonglert[4]等人對(duì)其作用機(jī)理進(jìn)行了大量的試驗(yàn)與模擬，研究了其內(nèi)芯材料性質(zhì)、尺寸等對(duì)其承載力的影響，相對(duì)于灌注樁、預(yù)制樁而言，其造價(jià)便宜，但主要適用于軟土地基的處理，具有一定的局限性。后注漿[5]技術(shù)，是在灌注樁成樁后一定時(shí)間內(nèi)對(duì)樁側(cè)樁端進(jìn)行注漿，提高承載力，減少沉降。該方法適用性廣，解決了灌注樁樁端虛土的技術(shù)難題，但施工工藝相對(duì)復(fù)雜，同時(shí)延長(zhǎng)了施工周期。

植樁法(即超前加固預(yù)制樁植入法)，是解決樁頂標(biāo)高降低、持力層不變而有效樁長(zhǎng)減少導(dǎo)致樁基承載力不足問(wèn)題的一種新的施工方法。孫文懷[6]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)植入樁承載力相對(duì)于普通管樁提高了33%；郝彥超[7]對(duì)植入樁的施工工藝進(jìn)行了優(yōu)化，改善了攪拌時(shí)的進(jìn)尺效果；李安勇[8]對(duì)植入樁進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)引孔時(shí)摻入膨潤(rùn)土可以大幅提高樁基承載力；王海[9]通過(guò)有限元對(duì)摻入膨潤(rùn)土的植入樁進(jìn)行了分析，給出了植入樁的單樁承載力計(jì)算表達(dá)式和沉降的近似表達(dá)式，但其模型還存在一定的問(wèn)題。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于植入樁的理論研究相對(duì)較少，其作用機(jī)理相對(duì)復(fù)雜，還需進(jìn)一步進(jìn)行研究。

植樁法的基本思想，是通過(guò)水泥土攪拌法超前加固預(yù)制樁樁周以及樁端土體，從而提高樁側(cè)及樁端阻力。植樁法，不僅可以提高預(yù)應(yīng)力管樁的承載力，也很好地解決了砂層中壓樁過(guò)后樁體回彈上升的問(wèn)題。

1 超前加固植入樁的受荷機(jī)理

超前加固植入樁，是指首先通過(guò)深層攪拌機(jī)鉆桿將水泥漿液與土體充分?jǐn)嚢栊纬伤鄶嚢铇锻鈿?，然后在水泥初凝之前將樁體沉入預(yù)定位置所形成的一種新型樁。植入樁結(jié)構(gòu)如圖1所示。

a 植入樁平面圖

b 植入樁立面圖圖1 植入樁結(jié)構(gòu)示意圖

根據(jù)所植入樁型的不同，植入樁可分為兩大類(lèi)，一種是預(yù)制樁植入樁，一種是現(xiàn)澆樁植入樁，如表1所示。

表1 植入樁分類(lèi)

植入樁承載力的關(guān)鍵影響因素，有樁體強(qiáng)度、地基土強(qiáng)度、和水泥摻入量。在樁體強(qiáng)度足夠的情況下，地基土體強(qiáng)度和水泥摻入量是主要影響因素。

1.1 地基土

樁基的承載力由兩部分組成，分別是樁側(cè)阻力和樁端阻力，同時(shí)也受到樁體本身強(qiáng)度的制約。地基土對(duì)樁基承載力的影響，在于不同種類(lèi)、不同狀態(tài)的土所能提供的側(cè)阻力和端阻力不同。當(dāng)樁體強(qiáng)度足夠時(shí)，地基土性質(zhì)越好，強(qiáng)度越高，則樁基承載力越高，沉降越小。

1.2 水泥摻入量

相較于天然土體，水泥土的性質(zhì)發(fā)生了極大的改變，其力學(xué)性質(zhì)得到了極大的改善，而水泥摻入量對(duì)加固體的性質(zhì)存在較大影響。隨著水泥摻入量的增加，其抗壓強(qiáng)度、壓縮模量、粘聚力、摩擦角等都得到提高，其中，摩擦角的變化較小，粘聚力、壓縮模量和抗壓強(qiáng)度提升較為明顯。文獻(xiàn)[10]研究表明，當(dāng)水泥摻入量超過(guò)20%之后，水泥土強(qiáng)度提升幅度將大幅減少，故水泥摻入量在10%～20%之間最為經(jīng)濟(jì)合理。

1.3 植入樁樁體

植入樁樁體作為承受荷載的主體，其本體強(qiáng)度對(duì)于樁基承載力的重要性不言而喻。足夠的樁體強(qiáng)度可以保證側(cè)阻力和端阻力的充分發(fā)揮，在保證承載力和沉降的前提下，可以選擇更為經(jīng)濟(jì)的樁型進(jìn)行植入，以實(shí)現(xiàn)其經(jīng)濟(jì)性。

2 超前加固植入樁的FLAC3D模擬

本文基于FLAC3D對(duì)高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力管樁植入樁的受荷機(jī)理等方面進(jìn)行了分析，并與攪拌樁、普通管樁在相同條件下對(duì)樁頂沉降與樁身軸力進(jìn)行了對(duì)比。

2.1 計(jì)算模型

由于植入樁是針對(duì)樁端砂層提出的施工方法，為了盡可能貼近實(shí)際情況及方便計(jì)算和比較，模型建立時(shí)進(jìn)行了簡(jiǎn)化，土體分為上下2層，上層為10m厚黏土，下層為14m厚砂層，采用莫爾-庫(kù)倫模型。管樁樁長(zhǎng)12m，直徑0.4m，采用線彈性模型。攪拌樁和管樁采用單接觸面模型，如圖2所示。考慮到植入樁周?chē)鷶嚢梵w的加固效果，建模時(shí)在管樁周?chē)⒁粚蛹庸腆w，采用雙接觸面模型，如圖3所示。加固體厚0.1m，加固深度達(dá)到管樁以下0.5m，采用莫爾-庫(kù)倫模型，分析時(shí)不考慮地下水影響。

圖2 單接觸面模型

圖3 雙接觸面模型

植入樁的雙接觸面模型，是指進(jìn)行植入樁的數(shù)值分析時(shí)，在樁與加固體、加固體與天然土體之間分別建立接觸面。董平[3]在砼芯攪拌樁的研究中，提出了荷載的雙層傳遞模式，即由于內(nèi)芯和外側(cè)攪拌樁之間模量差距較大，樁頂承受豎向荷載時(shí)，荷載會(huì)向內(nèi)芯進(jìn)行集中；當(dāng)荷載沿著樁身向下傳遞時(shí)，荷載會(huì)通過(guò)內(nèi)芯與攪拌樁之間的接觸面向攪拌樁進(jìn)行擴(kuò)散，之后再通過(guò)攪拌樁和土之間的接觸面向周?chē)馏w進(jìn)行擴(kuò)散。類(lèi)似的，在植入樁的分析中，由于超前加固體的存在，使得模型中存在內(nèi)部樁體，外側(cè)水泥土加固層和周?chē)烊煌馏w3種材料，樁體承受上部荷載時(shí)，荷載在向下傳遞的過(guò)程中，首先通過(guò)內(nèi)部樁與水泥加固層之間的摩阻力向加固層進(jìn)行擴(kuò)散；接著通過(guò)加固層與周?chē)烊煌馏w之間的摩阻力，向天然土體進(jìn)行擴(kuò)散。故而分別在樁與加固體、加固體與天然土體之間建立接觸面，進(jìn)行植入樁的模擬分析。

2.2 計(jì)算參數(shù)

模擬計(jì)算中選取的材料參數(shù)如表2所示。

表2 模擬中的材料參數(shù)

2.3 計(jì)算工況

首先對(duì)攪拌樁進(jìn)行受荷模擬，模型建好后，進(jìn)行初始參數(shù)賦值，固定邊界條件，計(jì)算至平衡后將樁模型的參數(shù)修改為樁體本身力學(xué)參數(shù)，然后進(jìn)行二次計(jì)算。平衡后，將位移清零，開(kāi)始進(jìn)行靜載試驗(yàn)的模擬計(jì)算?？偤奢d2000kN，分為10級(jí)，首次加載值為單級(jí)荷載的2倍，各級(jí)加載情況如表3所示。首先，在樁頂施加400kN的荷載，并監(jiān)測(cè)樁頂位移。計(jì)算達(dá)到平衡之后，依次進(jìn)行第二級(jí)、第三級(jí)的加載計(jì)算直至最后。計(jì)算完畢后，調(diào)出各級(jí)荷載下的樁頂位移繪制攪拌樁荷載-位移圖，進(jìn)行攪拌樁的受力分析。

攪拌樁計(jì)算完畢后進(jìn)行單獨(dú)管樁與植入樁的受力模擬，重復(fù)上述過(guò)程，并提取單獨(dú)管樁與植入樁各級(jí)荷載下每米處的樁身應(yīng)力進(jìn)行軸力分析。

表3 荷載分級(jí)

2.4 計(jì)算結(jié)果與分析

各級(jí)荷載下，攪拌樁、管樁和植入樁樁頂沉降如圖4所示。從圖4可以看出，攪拌樁承載力與普通管樁和植入樁相差較大，在荷載為400kN時(shí)，沉降為2.07mm，而加載到600kN時(shí)則發(fā)生陡沉現(xiàn)象，沉降達(dá)到10.31mm，原因在于攪拌樁本身樁體強(qiáng)度有限，其壓縮性過(guò)大，在樁體強(qiáng)度足夠的情況下，其較高的壓縮性使其在較大荷載下時(shí)壓縮量過(guò)大，從而導(dǎo)致沉降過(guò)大。普通管樁和植入樁，在前期加載時(shí)沉降基本相同，荷載達(dá)到1200kN時(shí)出現(xiàn)較明顯差別，普通管樁為5.4mm，植入樁為2.22mm，之后隨著荷載的增加，沉降差距越來(lái)越大，荷載達(dá)到2000kN時(shí)，普通管樁沉降達(dá)到29.29mm，而植入樁只有15.88mm，原因在于前期加載時(shí)，隨著荷載的增加，樁側(cè)摩阻力逐步被調(diào)動(dòng)，而初始樁的側(cè)摩阻力均可以達(dá)到要求，故二者差距不大，而達(dá)到1000kN以后，普通管樁樁側(cè)摩阻力已經(jīng)達(dá)到峰值；而植入樁由于加固體的存在使其樁側(cè)摩阻力遠(yuǎn)遠(yuǎn)未達(dá)到峰值，隨著荷載增加，植入樁樁側(cè)摩阻力繼續(xù)被調(diào)動(dòng)，出現(xiàn)管樁沉降高于植入樁現(xiàn)象。

圖4 樁頂沉降圖

分別選取加載600kN、1000kN、1400kN、1800kN、2000kN時(shí)各深度處的樁身應(yīng)力求出樁身軸力，普通管樁軸力如圖5所示，植入樁軸力如圖6所示。從圖5和圖6可以看出，由于樁側(cè)摩阻力的存在，樁體所受荷載逐步向樁周?chē)馏w進(jìn)行擴(kuò)散，樁身軸力隨著深度的增加逐漸減少。當(dāng)荷載從600kN逐步增加到1000kN、1400kN、1800kN和2000kN時(shí)，管樁傳至樁底的軸力分別為56kN、140kN、494kN、929kN、1153kN，軸力增量分別為84kN、354kN、435kN、224kN，說(shuō)明600kN時(shí)樁側(cè)阻力尚未充分發(fā)揮，之后樁端軸力增量與荷載增量逐步靠近，說(shuō)明樁側(cè)阻力逐步完全發(fā)揮。荷載為1400kN、1800kN和2000kN時(shí)，最后一米的樁身軸力減少量大于上部樁身軸力減少量，原因在于樁端阻力對(duì)樁側(cè)阻力的增強(qiáng)效應(yīng)，使其側(cè)摩阻力高于其他部位。

圖5 管樁軸力圖

對(duì)于植入樁，當(dāng)荷載從600kN逐步增加到1000kN、1400kN、1800kN和2000kN時(shí)，植入樁傳至樁底的軸力分別為52kN、61kN、147kN、477kN和663kN，軸力增量分別為9kN、86kN、330kN、186kN，說(shuō)明當(dāng)荷載為1000kN時(shí)，樁側(cè)阻力尚未完全調(diào)動(dòng)，之后隨著荷載的增加，側(cè)阻繼續(xù)被調(diào)動(dòng)。

圖6 植入樁軸力圖

圖7是荷載為600kN、1400kN和2000kN時(shí)普通管樁與植入樁的軸力對(duì)比，從圖7中可以看出，當(dāng)加載600kN時(shí)，普通管樁和植入樁樁端阻力基本相同，二者樁側(cè)總摩阻力基本相同，占總荷載的91%左右；當(dāng)荷載達(dá)到1400kN和2000kN時(shí)，管樁側(cè)摩阻力占總荷載的64.7%和42.4%，植入樁的側(cè)摩阻力占總荷載的89.5%和66.9%，植入樁的側(cè)摩阻力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于管樁，原因在于水泥攪拌加固體與管樁之間的粘聚力及摩擦角遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于原生土體與管樁之間的粘聚力及摩擦角，而底部的加固體也使植入樁的樁端阻力高于普通管樁。相同荷載下，相對(duì)于普通管樁，植入樁樁身軸力遞減速度較快，樁端軸力較低。

通過(guò)以上分析可知，相對(duì)于攪拌樁和普通管樁，植入樁的沉降相對(duì)較小，樁側(cè)阻力與樁端相對(duì)較大，承載力較高，具有很大的優(yōu)越性。

3 工程實(shí)例

擬建工程場(chǎng)地位于鄭州市惠濟(jì)區(qū)北部，假日西路與月湖北路交叉口東北角，所屬地貌單元為黃河沖洪積平原。5棟34層住宅樁基采用直徑500mm的PHC管樁進(jìn)行植入樁施工，其他建筑采用直徑400mm的PHC管樁進(jìn)行普通壓樁施工。植入樁樁頂標(biāo)高為-11.5m，攪拌體直徑700mm，設(shè)計(jì)承載力2000kN。場(chǎng)地內(nèi)各土層物理力學(xué)參數(shù)如表4所示。

表4 各土層物理力學(xué)參數(shù)

采用雙接觸面模型對(duì)植入樁的工程實(shí)例受荷情況進(jìn)行模擬，模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)對(duì)比如圖8所示。從圖8可以看出，模擬結(jié)果與靜載試驗(yàn)實(shí)測(cè)結(jié)果基本吻合。

圖8 植入樁數(shù)值模擬與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比圖

4 結(jié)論

本文基于FLAC3D采用雙接觸面模型對(duì)植入樁的加固機(jī)理與受荷特性進(jìn)行了分析，并在相同條件下與攪拌樁和普通管樁進(jìn)行了樁頂沉降和軸力的對(duì)比，得到結(jié)論如下：

(1)相同受荷條件下，相對(duì)于攪拌樁和普通管樁，由于水泥土加固體增加了管樁的樁側(cè)和樁端阻力，使得植入樁沉降更小，具有更高的承載力，值得推廣。

(2)通過(guò)與實(shí)際工程實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比，證明雙接觸面模型對(duì)植入樁的模擬分析切實(shí)可行。

(3)由于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)有限，水泥摻入量對(duì)植入樁承載力的影響還有待進(jìn)一步研究。