超大直徑空心獨(dú)立復(fù)合樁橫軸向承載力

戴良軍，馮忠居，崔林釗，王 潔，董蕓秀，文軍強(qiáng)，馮 凱

（1.安徽建工集團(tuán)有限公司，安徽 合肥 230000；2.長(zhǎng)安大學(xué) 公路學(xué)院，陜西 西安 710064；3.安徽省路橋工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，安徽 合肥 230000）

0 引 言

隨著交通行業(yè)的發(fā)展，公路橋梁的跨徑不斷增長(zhǎng)，橋梁樁基礎(chǔ)也向大直徑深長(zhǎng)樁方向發(fā)展，而大直徑深長(zhǎng)水泥灌注樁基礎(chǔ)存在自重大、水化熱量高、連續(xù)灌注難度大以及剛護(hù)筒下沉、成孔、鋼筋籠下放困難等缺點(diǎn)，無(wú)形中增加了施工難度和質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)［1－3］，且護(hù)壁泥漿及孔底沉渣難以徹底清除，必然會(huì)對(duì)樁基承載性能產(chǎn)生影響［4－6］。針對(duì)上述問(wèn)題，一種新型的樁基技術(shù)——超大直徑空心獨(dú)立復(fù)合樁基礎(chǔ)越來(lái)越受到關(guān)注。該樁型核心區(qū)域采用截面更合理的鋼筋混凝土空心樁，外圍布設(shè)一圈密封的水泥攪拌樁以穩(wěn)定孔壁、阻隔地下水，并在水泥攪拌樁與鋼筋混凝土空心樁間預(yù)留的土體中進(jìn)行高壓噴射注漿，使空心樁、注漿土、水泥攪拌樁形成整體，共同承載。超大直徑空心獨(dú)立復(fù)合樁基礎(chǔ)的樁周注漿土、注漿土外側(cè)的水泥攪拌樁，都大大改善了樁周土的工程特性及其樁-土相互作用，但這一作用對(duì)承載力改善的程度如何，還有待深入分析。

目前，超大直徑空心獨(dú)立復(fù)合樁基特性的研究尚處于探索階段，國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究主要集中在空心樁或復(fù)合樁的范疇，如馮忠居、李晉等［7－12］就針對(duì)大直徑鉆埋空心樁的承載特性及相關(guān)參數(shù)對(duì)其的影響做了較為系統(tǒng)的研究，認(rèn)為大直徑空心樁具有更合理的截面形式以及較好的承載性能，克服了傳統(tǒng)鉆孔灌注樁的弊病，具有良好的推廣應(yīng)用價(jià)值；石慶瑤等［13］利用計(jì)算推力樁綜合剛度原理和雙參數(shù)法，比較了不同土質(zhì)、不同截面類型的樁基礎(chǔ)水平向承載力，研究表明砂土和黏土中使用空心樁，風(fēng)化巖使用鋼管混凝土樁都具有較好的承載性能；李晉等［14］利用MARC有限元軟件建立空心樁的三維模型，研究分析了橫軸向荷載作用下的承載特性，得到了樁身水平位移第一零點(diǎn)的變化規(guī)律；張永謀等［15］研究了實(shí)心樁與空心樁在橫軸向動(dòng)載作用下的承載性能，結(jié)果表明空心樁樁頂撓度、轉(zhuǎn)角更小，單位體積承載力更高。馮忠居等［16］對(duì)鋼護(hù)筒與鋼筋混凝土樁形成的鋼管混凝土復(fù)合樁進(jìn)行了離心模型試驗(yàn)研究，結(jié)果表明其橫軸向承載特性與普通鋼筋混凝土樁存在巨大差異。

為了研究超大直徑空心獨(dú)立復(fù)合樁基樁周土體注漿、水泥攪拌樁對(duì)復(fù)合樁橫軸向承載力的提高程度，本文利用MARC有限元軟件，分析在不同空心樁設(shè)計(jì)參數(shù)、不同注漿體參數(shù)、不同水泥攪拌樁設(shè)計(jì)參數(shù)條件下，超大直徑空心獨(dú)立復(fù)合樁的橫軸向極限承載力變化規(guī)律，為超大直徑空心獨(dú)立復(fù)合樁基礎(chǔ)的推廣應(yīng)用提供借鑒。

1 有限元建模

1.1 幾何模型及單元?jiǎng)澐?/h3>

結(jié)合樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)和有限元計(jì)算分析，通過(guò)大量試算，確定在計(jì)算中樁側(cè)和樁底巖土體取10倍的樁徑范圍，樁底到模型底面邊界取40m，土層分樁周土和持力層上、下兩層，樁進(jìn)入持力層深度為4m。模型建立過(guò)程中，將樁側(cè)水泥攪拌樁簡(jiǎn)化為圓環(huán)；將實(shí)體離散成有限元單元時(shí)，加密橋梁樁基及其周圍土體單元，實(shí)現(xiàn)由近到遠(yuǎn)、由密到疏的過(guò)渡。超大直徑空心獨(dú)立復(fù)合樁基礎(chǔ)的幾何示意、有限元計(jì)算模型三維網(wǎng)格劃分如圖1所示。

圖1 超大直徑空心獨(dú)立復(fù)合樁模型

1.2 參數(shù)選取

有限元分析中樁身混凝土材料的彈性模量取3.0×104MPa，泊松比取0.20，地層、加固區(qū)的巖土材料具體參數(shù)見表1。

表1 域巖土材料參數(shù)

1.3 計(jì)算方案

考慮橫軸向荷載作用下超大直徑空心獨(dú)立復(fù)合樁基礎(chǔ)的受力特性，建立空心樁-注漿土-水泥攪拌樁相互作用模型，通過(guò)模擬空心樁的設(shè)計(jì)參數(shù)變化（樁長(zhǎng)、樁徑）、注漿土參數(shù)變化（厚度、模量）和水泥攪拌樁的參數(shù)變化（樁長(zhǎng)、模量），研究不同樁身設(shè)計(jì)參數(shù)下復(fù)合樁基礎(chǔ)的橫軸向承載特性。具體計(jì)算工況如表2、3所示。

表2 幾何參數(shù)變化計(jì)算工況

2 結(jié)果分析

為滿足結(jié)構(gòu)物和樁-土變形條件的安全，取樁基在地表處水平位移不超過(guò)6mm作為單樁橫軸向荷載作用下極限承載力H 的判斷標(biāo)準(zhǔn)，H 為樁基橫軸向極限承載力。定義α為各工況變化絕對(duì)增幅。

式中：H0為樁基礎(chǔ)工況下復(fù)合樁的橫軸向承載力；Hi為各工況變化下樁基的橫軸向承載力。

2.1 樁身尺寸參數(shù)對(duì)橫軸向承載力的影響

2.1.1 樁長(zhǎng)因素

樁長(zhǎng)L變化下樁基礎(chǔ)橫軸向極限承載力與增加幅度變化規(guī)律如圖2所示。

從圖2可以看出，當(dāng)樁徑一定時(shí)，樁長(zhǎng)增長(zhǎng)，樁基的橫軸向極限承載力呈增大趨勢(shì)，但在一定樁長(zhǎng)后逐漸趨緩。以樁徑5m為例，樁長(zhǎng)從10m增加到50m時(shí)，樁基橫軸向極限承載力增加了29.4%～46.8%，樁長(zhǎng)超過(guò)20m后增幅明顯減緩，超過(guò)30m（L／D＝6）后基本不再增長(zhǎng)，說(shuō)明樁徑為5m，樁長(zhǎng)超過(guò)30m后，樁已經(jīng)表現(xiàn)為柔性樁，繼續(xù)增加樁長(zhǎng)對(duì)橫軸向承載力提高有限。

樁徑2.5m時(shí)，樁長(zhǎng)超過(guò)20m（L／D＝8）后橫向承載力基本不再增加；樁徑為3.5m時(shí)樁基承載力隨樁長(zhǎng)變化規(guī)律與樁徑為5m時(shí)類似，在樁長(zhǎng)為20m時(shí)（L／D＝5.7）出現(xiàn)明顯轉(zhuǎn)折增幅減緩，但減小幅度較樁徑為5m時(shí)更大；樁徑為7.5m時(shí)，樁長(zhǎng)超過(guò)40m（L／D＝5.3）后承載力增幅明顯減緩；樁徑為10m時(shí)，樁長(zhǎng)從10m增加到50m（L／D＝5），橫軸向承載力一直近似呈直線增加未出現(xiàn)明顯折點(diǎn)。以上分析說(shuō)明，隨著樁長(zhǎng)增加，長(zhǎng)徑比隨之增加，當(dāng)長(zhǎng)徑比達(dá)到某一值后，樁基從剛性樁過(guò)渡到柔性樁，因此當(dāng)樁徑一定時(shí)，隨著樁長(zhǎng)的增加，當(dāng)長(zhǎng)徑比達(dá)到界限值后，再增加樁長(zhǎng)對(duì)提高橫軸向承載力意義不大，且這一長(zhǎng)徑比分界值在L／D＝6附近。

圖2 樁長(zhǎng)變化對(duì)橫軸向極限承載力的影響

2.1 .2 樁徑因素

樁徑D變化下樁基礎(chǔ)橫軸向極限承載力與增加幅度如圖3所示。

圖3 樁徑變化對(duì)橫軸向極限承載力影響

從圖3可以看出，當(dāng)樁長(zhǎng)一定時(shí)，隨著樁徑的增加，樁基橫軸向極限承載力呈增加趨勢(shì)。以樁長(zhǎng)30 m為例，樁徑從2.5m增加到10m時(shí)，樁基橫軸向極限承載力增加了23.9%～265.5%，且樁徑超過(guò)3.5m后增加速率明顯變大但仍近似呈直線，說(shuō)明樁徑超過(guò)3.5m后，樁基礎(chǔ)開始表現(xiàn)出剛性樁的特性，其受力模式發(fā)生了變化。

樁長(zhǎng)為20、40、50m時(shí)，樁基橫向承載力隨樁徑的變化規(guī)律與樁長(zhǎng)30m時(shí)基本一致，且樁長(zhǎng)越長(zhǎng)橫向承載力越大，相應(yīng)的增幅也就越大；樁長(zhǎng)為10m時(shí)，橫向承載力隨樁徑的變化規(guī)律與其他樁長(zhǎng)下的規(guī)律明顯不同，隨著樁徑的增加橫向承載力增加速度越來(lái)越快，呈二次函數(shù)增長(zhǎng)，其增幅曲線與其他樁長(zhǎng)下的曲線相交，原因可能是樁徑從2.5m增大至10m時(shí)，樁的長(zhǎng)徑比從4減小到1，樁基礎(chǔ)從樁逐漸向擴(kuò)大基礎(chǔ)的形式變化，其橫向承載力由側(cè)向土和樁底的抗傾覆能力共同提供。

2.2 注漿體參數(shù)對(duì)橫軸向承載力的影響

2.2.1 注漿體厚度

樁徑5m，樁長(zhǎng)分別為10、30、50m時(shí)注漿體厚度b變化下，復(fù)合樁基礎(chǔ)橫軸向極限承載力與增加幅度如圖4所示。

圖4 注漿體厚度變化對(duì)橫軸向承載力的影響

從圖4可以看出，樁橫軸向承載力隨注漿體厚度增加呈增大趨勢(shì)，樁長(zhǎng)越長(zhǎng)增幅越小，注漿厚度0.5m后增幅明顯減緩。注漿體厚度對(duì)不同樁長(zhǎng)的橫軸向承載力的影響差異較大：隨注漿體厚度增加，樁長(zhǎng)30m（L／D＝6）、50m（L／D＝10）的承載力的增幅大致相同且都較小，注漿體厚度增加到1.0m時(shí)最大增幅分別為7.2%、6.9%；樁長(zhǎng)10m（L／D＝2）時(shí)，注漿體厚度增加到1.0m，承載力的增幅較大為10.3%。

上述分析表明，注漿體厚度的增加對(duì)剛性短樁橫軸向承載力的增強(qiáng)作用更明顯，對(duì)偏柔性的長(zhǎng)樁作用較弱。原因可能是柔性長(zhǎng)樁在橫軸向荷載作用下發(fā)生撓曲變形，樁身下部認(rèn)為已經(jīng)錨固，此時(shí)樁自身的橫截面剛度起重要作用，而注漿土體厚度增加對(duì)復(fù)合樁整體橫截面剛度的增強(qiáng)作用不大；在橫軸向荷載作用下，剛性短樁在土中發(fā)生剛性轉(zhuǎn)動(dòng)，土的抗力是其橫向承載力的決定因素，因此增大注漿區(qū)范圍對(duì)其承載力提高更顯著［17－19］。

2.2.2 注漿體彈性模量

隨著注漿體彈性模量E2變化，樁基礎(chǔ)橫軸向極限承載力與增加幅度見圖5。

圖5 注漿體彈性模量變化下橫軸向承載力增幅

從圖5可以看出，橫軸向承載力隨注漿體彈性模量增加呈增大趨勢(shì)，樁長(zhǎng)越大增幅越小，注漿體模量超過(guò)35MPa后增幅明顯放緩。樁長(zhǎng)30m（L／D＝6）、50m（L／D＝10）的增幅基本一致且明顯小于樁長(zhǎng)10m時(shí)的增幅；注漿體模量增大到65 MPa，樁 長(zhǎng) 為10、30、50m 的 最 大 增 幅 分 別 為14.9%、8.1%、7.6%。

以上分析表明，注漿體彈性模量的增加對(duì)復(fù)合樁基礎(chǔ)橫軸向承載力的提高有明顯作用，且剛性短樁的橫軸向承載力增幅明顯大于柔性長(zhǎng)樁的橫軸向承載力增幅。相較于注漿體厚度變化工況，整體上規(guī)律一致但增幅普遍更大［20－21］。這說(shuō)明在本文所列工況范圍內(nèi)，相較于注漿體厚度變化，增大注漿體模量對(duì)橫軸向承載力的提高更明顯。

2.3 水泥攪拌樁參數(shù)對(duì)橫軸向承載力的影響

2.3.1 水泥攪拌樁樁長(zhǎng)

隨水泥攪拌樁樁長(zhǎng)變化，樁基礎(chǔ)橫軸向極限承載力與增加幅度如圖6所示。

從圖6可以看出，復(fù)合樁橫軸向承載力隨水泥攪拌樁樁長(zhǎng)的增加呈線性增長(zhǎng)，且樁長(zhǎng)越大增幅越小。其中樁長(zhǎng)30（L／D＝6）、50m（L／D＝10）的增幅基本一致且明顯小于樁長(zhǎng)10m時(shí)的增幅。水泥攪拌樁相對(duì)樁長(zhǎng)從0.5L增大到L時(shí)，樁長(zhǎng)10、30、50m的橫軸向承載力最大增幅分別為2.2%、0.3%、0.2%。

圖6 水泥攪拌樁樁長(zhǎng)變化下橫軸向極限承載力增幅

以上分析表明，水泥攪拌樁樁長(zhǎng)的增加對(duì)復(fù)合樁橫向承載力的提高有限，最大增幅為2.2%，因此若施工無(wú)其他功能需求時(shí)，可適當(dāng)減小水泥攪拌樁長(zhǎng)度。

2.3.2 水泥攪拌樁彈性模量

水泥攪拌樁彈性模量E3變化對(duì)樁基礎(chǔ)橫軸向極限承載力與增加幅度的影響見圖7。

由圖7可以看出，復(fù)合樁的橫軸向承載力隨水泥攪拌樁彈性模量的增加呈折線增長(zhǎng)，攪拌樁模量大于30MPa以后增幅有所放緩，且樁長(zhǎng)越長(zhǎng)增幅越小。其中樁長(zhǎng)30（L／D＝6）、50m（L／D＝10）的增幅基本一致且明顯小于樁長(zhǎng)10m時(shí)的增幅。與無(wú)水泥攪拌樁比較，水泥攪拌樁模量增至60MPa，樁長(zhǎng)為10、30、50m時(shí)承載力的最大增幅分別為8.8%、5.1%、4.8%。上述分析表明，水泥攪拌樁模量增大對(duì)復(fù)合樁橫軸向承載力有明顯提高，且剛性短樁的橫軸向承載力增幅明顯大于柔性長(zhǎng)樁的橫軸向承載力增幅。

3 結(jié) 語(yǔ)

圖7 水泥攪拌樁彈性模量變化對(duì)橫軸向極限承載力影響

（1）隨著樁長(zhǎng)從10m增長(zhǎng)至50m，復(fù)合樁橫軸向承載力明顯增加，最大增幅為47.0%，但樁長(zhǎng)超出一定范圍后，增幅有所減小并趨于平緩。這一范圍隨樁徑變化有所不同，但與長(zhǎng)徑比有明顯相關(guān)性。當(dāng)L／D≥6時(shí)，超大直徑空心獨(dú)立復(fù)合樁已表現(xiàn)為柔性樁特性，繼續(xù)增加樁長(zhǎng)對(duì)橫軸向承載力的提高意義不大。

（2）隨著樁徑從2.5m增長(zhǎng)至10m，超大直徑空心獨(dú)立復(fù)合樁橫軸向承載力顯著增加，最大增幅為307.6%，且增加速率無(wú)明顯減弱趨勢(shì)，說(shuō)明增大樁徑是提高復(fù)合樁橫軸承載力的直接有效措施。

（3）注漿體參數(shù)變化對(duì)復(fù)合樁的橫軸向承載力有一定影響。注漿體模量增大相比注漿體厚度增加，對(duì)復(fù)合樁橫向承載力的提高作用更明顯，但兩者對(duì)剛性短樁的極限承載力增強(qiáng)作用均大于柔性長(zhǎng)樁。

（4）水泥攪拌樁樁長(zhǎng)的增加對(duì)復(fù)合樁橫軸向承載力提高有限，而水泥攪拌樁彈性模量的增加對(duì)復(fù)合樁橫軸向承載力的提高作用明顯，兩者對(duì)剛性短樁的極限承載力增強(qiáng)作用均大于柔性長(zhǎng)樁。