考慮時間效應(yīng)的樁頂荷載作用下單樁摩阻力發(fā)展研究

曹 雨

(云南大學(xué)建筑與規(guī)劃學(xué)院，云南 昆明 650000)

1 概述

地面超載或者地下水位下降都會引起樁周土體產(chǎn)生豎向位移，當(dāng)土體豎向位移大于樁基豎向位移則會對樁側(cè)產(chǎn)生負摩阻力[1]，負摩阻力的產(chǎn)生不僅不利于樁基承載力，并且當(dāng)負摩阻力過大時可能造成樁端地基的屈服或破壞、結(jié)構(gòu)物不均勻沉降、樁身破壞等影響。因為土體的固結(jié)需要一個過程，所以樁基摩阻力的發(fā)展也存在時間效應(yīng)。樁基負摩阻力問題自20世紀30年代提出以來[2]，一直受到國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注。近些年國內(nèi)外在樁基負摩阻力研究方面取得了一定的成果，但鑒于負摩阻力問題的復(fù)雜性，樁基負摩阻力相關(guān)問題仍然有必要做相關(guān)研究。較大的土表超載值模擬實驗中，負摩阻力模型試驗多采用密閉的試驗箱，對試驗操作步驟和測試儀器精度要求較高。本文基于有限元軟件的簡便性和全面性，設(shè)計超載條件下不同樁頂荷載的樁基負摩阻力模型試驗，重點探討了樁側(cè)負摩阻力、樁周土體分層沉降、樁端力和位移隨固結(jié)時間的變化情況及摩阻力中性點位置隨時間的變化規(guī)律。

2 建立模型

2.1 有限元模型

以昆明地區(qū)某工程樁為例建立有限元模型，網(wǎng)格劃分為六面體八節(jié)點單元，地基模型尺寸為50 m，50 m，27.9 m(長、寬、高)如圖1所示,模型底部采用固定約束，四周采用平動約束，模型中土層分為7層，地下水位位于地表下2.5 m，各層土體具體參數(shù)見表1。在土體3層和4層上下表面分別設(shè)置排水邊界。3層、4層兩層土體本構(gòu)關(guān)系采用修正劍橋—粘土模型，其他土層采用Mohr-Coulomb模型。

有限元模型樁長L=19.1 m，直徑d=1 m，樁身混凝土標號為C30，單樁豎向極限承載力根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范(文獻[3])中的經(jīng)驗參數(shù)法確定Quk=2 300 kN，極限承載力特征值R=1 150 kN對樁體旋轉(zhuǎn)約束以滑移界面模擬樁土界面，界面模型遵守Coulomb摩擦法則(1785)，樁身混凝土采用彈性模型。

表1 土體參數(shù)及物理力學(xué)指標

土層名稱滲透系數(shù)K/c·ms-1厚度h/m泊松比v壓縮模量ES/MPa內(nèi)摩擦角φ/(°)粘聚力c/kPa初始孔隙比e容重VkN·m-3①雜填土1.10E-062.50.464.808.5101.0018.0②粘性土2.52E-072.50.425.4115.7140.320.8918.5③淤泥1.02E-051.00.491.401.618.813.4316.3④淤泥質(zhì)土5.34E-054.60.495.780.927.650.7911.6⑤粉土3.26E-065.20.384.032216.251.2318.5⑥粘性土—6.10.445.9611.628.510.7516.9⑦粉土—6.00.373.672514.781.1118.9

2.2 工況模擬

設(shè)置5組平行工況，分別施加樁頂荷載P=0.5R,0.75R,1.0R,1.25R，靜置20 d，然后分5級施加地面堆載，每級堆載為5 kPa，在上一級荷載施加20 d后施加下一級荷載，總堆載荷載為25 kPa，待荷載施加完畢靜置60 d查看樁頂荷載對樁基負摩阻力隨時間發(fā)展的影響。

3 有限元計算結(jié)果分析

3.1 樁頂荷載作用下樁身摩阻力變化

圖2為樁頂荷載作用下沿樁身長度摩阻力分布及固結(jié)階段沿樁身長度樁基摩阻力變化速率，由圖2a)可知加載前后樁身整體摩阻力分布為正，但樁身位于土層③和土層④的交界處,因為土層物理性質(zhì)的差異以及分布次序先后的原因，此部位樁身負摩阻在加載前就已經(jīng)出現(xiàn)，此外不同樁頂荷載作用下樁身各部位摩阻力發(fā)揮程度不同，樁頂荷載的增加使樁基豎向位移增加樁土相對位移增大導(dǎo)致樁周土體提供的摩阻力增加[4]，樁周土體所提供的摩阻力也依次加強。

在樁頂荷載施加完成后固結(jié)階段沿樁身長度樁身摩阻力變化如圖2b)和圖2c)所示，由圖2b)和圖2c)可知樁頂荷載不變的情況下隨著時間的推移沿樁身長度其摩阻力變化速率存在中性點，中性點以上部分摩阻力變化為負，中性點以下摩阻力變化為正，其變化速率最大值最小值分別分布在樁身的兩端，由樁身兩端沿中性點方向其變化速率逐漸減小，是因為在樁頂荷載施加完成后的一段時間內(nèi)樁身繼續(xù)緩慢下移，樁周土體在樁身向下拉力的作用下沿樁身向下壓縮，土體壓縮變形速率沿樁身長度樁周土體由上往下逐漸減少，在此過程中樁土存在相同位移速率點即摩阻力變化中性點，中性點往上土體壓縮速率大于樁身下沉速率，樁土相對位移減少摩阻力呈減小趨勢，零點往下土體壓縮速率小于樁身下沉速率，樁土相對位移增大摩阻力呈增長趨勢。此外樁身整體變化速率隨著時間的推移逐漸減小，由圖2b)可知變化速率先快后慢，平均變化速率在0 d～5 d時最大，15 d～20 d時最小，本模型中固結(jié)階段樁身摩阻力變化平均值分別為ap=0.5R=7.28%,ap=0.75R=7.23%,ap=1.0R=7.26%,ap=1.25R=7.02%。由圖2c)可知不同樁頂荷載作用下樁基固結(jié)階段其摩阻力值平均變化率不同，樁頂荷載越大摩阻力平均變化速率越大，但不同樁頂荷載作用下其沿樁身長度分布其變化趨勢相同。

3.2 樁頂荷載作用下樁端阻力和位移變化

樁頂荷載加載完成后的一段時間內(nèi)樁基繼續(xù)緩慢下移，樁端阻力和樁端位移變化如圖3，圖4所示。由圖3，圖4可知樁頂作用荷載越大其端阻力和端位移也越大，且樁基固結(jié)階段樁端位移和樁端阻力都在緩慢增長[5]，端阻力和樁端位移隨時間的發(fā)展整體保持平行，不同樁頂荷載作用下其增長速率都在隨時間增加而逐漸減少且趨于一點，樁端阻力的增長說明樁頂荷載不變的情況下樁周土分擔(dān)的荷載在加載完成后的一段時間內(nèi)緩慢的向樁端土體轉(zhuǎn)移，但其轉(zhuǎn)移量不大，此外樁頂作用荷載越大其變化速率也越大，單位時間內(nèi)速率變化量也越大。本模型中固結(jié)階段不同樁頂荷載作用下，樁端阻力增長比例隨樁頂荷載增大而增加，其增長百分比為fp=0.5R=1.35%,fp=0.75R=1.49%,fp=1.0R=1.51%,fp=1.25R=1.52%，端位移增長比例存在峰值點當(dāng)P<0.75R時增長比例隨荷載增加而增加，P>0.75R時增長比例隨荷載增加而減少，其增長百分比為Lp=0.5R=4.02%,Lp=0.75R=4.07%,Lp=1.0R=4.00%,Lp=1.25R=3.94%。

3.3 樁頂荷載和地面堆載共同作用下中性點位置變化

圖5為堆載條件下摩阻力中性點位置的變化，由圖5可知樁身負摩阻力的出現(xiàn)和發(fā)展主要在地面堆載施加階段，另外其他條件相同的情況下，樁頂荷載越大樁身中性點位置下移速率越小，單位時間內(nèi)位移速率減小量也越小，不同樁頂荷載下中性點位移速率趨于同一點，即樁頂荷載越大樁身中性點位置越靠近樁頂。當(dāng)?shù)孛娑演d施加完成之后中性點位置改變量較堆載施加時的改變量很小，其位置變化速率先快后慢。本模型中地基固結(jié)階段樁身中性點位置該變量分別為bp=0.5R=1.93 mm,bp=0.75R=1.91 mm,bp=1.0R=1.79 mm,bp=1.25R=1.62 mm，且其位置變量在18 d時就已達到85.7%。

3.4 樁頂荷載和地面堆載共同作用下樁周土體沉降變化

堆載加載完成后的一段時間內(nèi)土體發(fā)生固結(jié)，土中有效應(yīng)力慢慢增加，孔隙水壓力逐漸消散,各土層的沉降隨時間增長。圖6為土層分層沉降圖，每兩點間的位移之差即為各層土體的壓縮量，由圖6可知土體沉降的主要發(fā)生加載階段，且各土層壓縮量因為土體物理性質(zhì)的不同其壓縮量存在差異，本模型中最大壓縮量發(fā)生在淤泥質(zhì)土層中，各層土體的豎向位移由下往上逐漸增加，表層土體位移量最大。固結(jié)階段同一樁頂荷載下各土層的沉降量隨時間的增長而增加，且增長速率先快后慢，其位移增長量與加載階段相比不大。圖6a)中固結(jié)階段表層土體位移分別為Vd=86=0.99 mm,Vd=140=2.00 mm，其變化速率fd=86=8.82fd=140，d=140時土體表層位移增量僅占堆載階段的2.5%。

由圖6b)可知不同樁頂荷載作用下各層土體分層沉降的變化的趨勢由上往下相同，且在距離地表同一位置處各層土體沉降量和位移變化速率都隨著樁頂荷載的增加而增大，其原因在于樁基布置完成后樁周土體受到樁身提供的向下的摩阻力在以樁基為中心的一定范圍內(nèi)形成錐型的微變形，其變形的半徑和高度隨著樁頂荷載的增加而變大，在此基礎(chǔ)上進行地面堆載，其變形會在前一變形的基礎(chǔ)上發(fā)生。即在樁頂荷載的影響下，同一豎直線上的各地層變形隨著樁頂荷載的增加而增加。各工況下土層沉降變化趨勢與圖5中相同故不再重復(fù)給出。

4 結(jié)語

樁身摩阻力的發(fā)展具有時間效應(yīng)，受樁頂荷載影響樁身各部位變化不同但發(fā)展趨勢相同，且實驗數(shù)據(jù)的變化主要發(fā)生在加載階段，固結(jié)階段各部位數(shù)值變化量較加載階段只占很小一部分，具體變化規(guī)律如下：

1)樁身摩阻力整體呈正摩阻力少數(shù)部位由土層的物理性質(zhì)和排列次序的不同在地面堆載加載前就表現(xiàn)出負摩阻。固結(jié)階段樁身摩阻力變化存在中性點，中性點以上摩阻力呈減小趨勢，中性點以下摩阻力呈增加趨勢，樁頂荷載越大變化速率越大，且變化速率先快后慢。

2)固結(jié)階段部分樁周土體分擔(dān)荷載向樁端土體轉(zhuǎn)移，樁端位移和樁端阻力都呈緩慢增長的趨勢，樁頂荷載越大增長速率越快，其速率隨著時間的發(fā)展先快后慢并且趨于同一點。

3)樁身中性點的發(fā)生和發(fā)展主要在地面堆載加載階段，固結(jié)階段中性點緩慢下移，其變化趨勢與樁端位移和樁端阻力相同且其變化量在18 d時就已達到87.5%。

4)樁周土體的沉降也受樁頂荷載的影響，樁頂荷載越大土體沉降越大同時沉降變化速率越快。