軟土地區(qū)靜態(tài)鉆孔結(jié)節(jié)樁承載力

摘要：靜壓鉆孔結(jié)節(jié)樁是一種新型的樁基，由預(yù)制結(jié)節(jié)樁和周圍的水泥土組成。該復(fù)合樁具有相對較高的承載能力，并且在施工過程中通過使用這種類型的樁將大大減少泥漿污染。為了研究該樁的承載力，進行了一組試驗，以對這種新樁與鉆孔樁進行對比。通過安裝在樁上的應(yīng)變儀測量預(yù)制結(jié)節(jié)樁的軸向力，分析結(jié)節(jié)樁的軸力分布和周圍土壤支撐的表面摩擦力，然后利用ABAQUS建立三維模型。

Abstract： Static pressure drilled knot pile is a new type of pile foundation， which consists of prefabricated knot piles and surrounding cement soil. The composite pile has relatively high bearing capacity and is used during construction. The pile will greatly reduce mud pollution. In order to study the bearing capacity of the pile， a set of tests was carried out to compare the new pile with the bored pile. The axis of the precast knot pile was measured by a strain gauge mounted on the pile. To analyze the axial force distribution of the nodule pile and the surface friction of the surrounding soil support， and then use ABAQUS to establish a three-dimensional model.

關(guān)鍵詞：靜壓鉆根樁;承載力;ABAQUS;雙應(yīng)力分散系統(tǒng);三維造型

Key words： static pressure drill pile;bearing capacity;ABAQUS;double stress dispersion system;three-dimensional modeling

中圖分類號：TU471.8? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2019）17-0164-04

1? 介紹

目前，預(yù)制鋼筋混凝土樁和鉆孔灌注樁廣泛應(yīng)用于我國深厚軟土地區(qū)的高層建筑工程中。預(yù)制鋼筋混凝土樁具有以下優(yōu)點堆垛速度快，成本相對較低，而鉆孔灌注樁的優(yōu)越性是承載力相對較高，容易控制施工深度，噪音小。但是，這兩種樁在實際中也存在明顯的不足應(yīng)用。在軟土地基中使用時，預(yù)制鋼筋混凝土樁的表面摩擦總是很小，經(jīng)常會發(fā)生皮膚摩擦達到最終狀態(tài)，沉降變得很大，以至于樁的強度不能繼續(xù)承受。因此，希望能夠形成一種新型樁來代替上述兩樁。靜態(tài)鉆根結(jié)節(jié)樁已被確定為可用于深層軟土地區(qū)的樁。它首先在日本使用，然后引入中國[1-2]。靜電鉆根結(jié)節(jié)樁由預(yù)制結(jié)節(jié)樁和水泥土組成。首先，使用螺旋鉆來攪拌和灌漿形成水泥土，然后預(yù)制結(jié)節(jié)樁放入水泥土中。這種施工方法不僅避免了預(yù)制樁施工過程中產(chǎn)生的壓實效果，而且避免了泥漿效應(yīng)和樁尖。主要應(yīng)用表明，與鉆孔樁相比，使用這種結(jié)節(jié)樁方法可以將成本降低10%[3-4]。因此，這種復(fù)合樁不僅可以避免土壤壓實效應(yīng)泥漿污染，但也具有經(jīng)濟優(yōu)勢，因此將該樁引入我國廣闊的軟土地區(qū)具有重要意義。

在這項研究中，進行了靜態(tài)鉆根模塊樁和鉆孔樁的全尺寸破壞性現(xiàn)場試驗，以比較這兩個樁之間的承載能力，還對帶有應(yīng)變儀的靜態(tài)鉆根樁進行了全尺寸現(xiàn)場試驗。最后，使用有限元程序圖ABAQUS模擬現(xiàn)場試驗中的樁，以深入分析靜態(tài)鉆孔樁。

2? 結(jié)節(jié)樁的承載力

2.1 靜態(tài)鉆根法

靜電鉆根法是一種環(huán)境友好的施工方法，可以大大減少泥漿排放，對周圍設(shè)施的影響很小。施工過程可以通過以下五個步驟結(jié)束：

①鉆孔：將鉆孔機定位在正確的位置，然后根據(jù)地質(zhì)條件確定鉆孔速度。另外，在鉆井過程中，根據(jù)地質(zhì)條件注入水或膨潤土混合液以修復(fù)孔。

②擴展：這里使用的鉆孔機是特別的，有一個可以擴展的翼。當鉆機達到設(shè)定的深度時，機翼將按設(shè)定的尺寸擴展，并使鉆孔的直徑達到設(shè)定的大小擴展底部，整個過程由管理設(shè)備監(jiān)控。

③樁尖灌漿：樁端灌漿，在灌漿過程中反復(fù)上下鉆機，確保水泥漿注入井底，水泥土均勻。

④灌漿和拔出鉆孔機：沿著孔灌漿并在拔出鉆孔機的同時反復(fù)攪拌。

⑤將樁放入孔中：放入預(yù)制件鉆孔機拔出后，球洞堆入孔內(nèi)。

監(jiān)控過程以確保樁垂直并達到正確的深度。

2.2 結(jié)節(jié)樁元件的荷載傳遞機制

靜壓鉆頭結(jié)節(jié)樁是一種復(fù)合樁基，由預(yù)制結(jié)節(jié)樁和周圍的膠結(jié)土組成。因此，它與傳統(tǒng)的樁不同，導(dǎo)致其載荷傳遞機制不同。垂直荷載主要由預(yù)制結(jié)節(jié)樁承擔，然后預(yù)制樁將部分荷載傳遞給水泥土，水泥土將荷載傳遞給周圍土壤。水泥土做成了在加載過程中有很大差異，從實際工程樣品來看，膠合漿的抗壓強度為10MPa到20MPa。

在當前的工程工程中，水泥土為4MPa至7MPa。結(jié)構(gòu)樁的示意圖和樁元件的載荷傳遞路徑如圖1所示。在該圖中，預(yù)制結(jié)節(jié)樁被水泥土包圍，并且結(jié)節(jié)樁的尖端類型被打開。Q1是預(yù)制結(jié)節(jié)樁上的軸向力，Q 和Q 是外部的軸向力水泥土和內(nèi)部膠結(jié)土。qs1是球墨鑄鐵樁與內(nèi)部膠結(jié)土之間的側(cè)摩擦力，qs2是球墨鑄鐵樁與外部膠結(jié)土之間的側(cè)摩擦力，qs3是外部膠結(jié)土之間的側(cè)摩阻力。和周圍的土壤。這些參數(shù)之間的關(guān)系可歸納如下：

其中u1和u2是球狀樁的內(nèi)外周長，u3是水泥土的周長，L是樁元的長度。

2.3 場地條件和樁況

為了研究靜態(tài)鉆根結(jié)節(jié)樁的承載力，并比較結(jié)核樁和鉆孔灌注樁的承載力，四個靜態(tài)鉆根結(jié)節(jié)樁的破壞性現(xiàn)場試驗和進行了兩次鉆孔。

在該現(xiàn)場試驗中選擇了兩種類型的球墨鑄鐵樁，即一種在節(jié)點中直徑為650mm，在其他部分中為500mm（稱為650（500）mm型），另一種直徑為800mm。在節(jié)點和600毫米的其他部分（稱為800（600）毫米類型）。兩者的直徑鉆孔樁分別為800毫米和1000毫米，所有六個樁長64米。在該試驗中，將球墨鑄鐵樁和普通預(yù)制管樁焊接在一起。結(jié)節(jié)樁上的節(jié)點是為了增強樁與膠結(jié)之間的內(nèi)聚力土壤，在淺層土壤中，用于凝聚力水泥土與土壤之間的粘結(jié)力相對較小，因此樁與水泥土之間的粘結(jié)力不需要很高，選擇管樁為淺層土壤層。650（500）mm型結(jié)節(jié)樁是連接三個600毫米管樁，每個管樁長12米，12米和10米，兩個650（500）毫米的15米球團樁焊接在管樁下面，所以總長度為64米，的直徑鉆孔為700毫米。兩個800（600）毫米每根長15米的球狀樁與3根800毫米管樁相連，每根管樁長4米，15米，15米，總長64米，鉆孔直徑850毫米。試驗樁的示意圖和該試驗中六個樁的布局如圖2所示1號和2號試樁為850毫米，3號和4號試樁為700毫米。5號試樁的直徑為1000毫米，6號樁的直徑為800毫米。詳細的土壤剖面和屬性在表1中給出了其中？酌sat是飽和單位重量;Ip和Il是可塑性指數(shù)和流動性指數(shù);Es是每個土層的壓縮模量;c和？漬是內(nèi)聚力和內(nèi)聚力每個土層的摩擦角都是通過合并不排水（CU）三軸試驗測量;qsa和qpa分別是最終單位側(cè)摩擦力和尖端阻力的推薦值，這是根據(jù)CPTs估算的。

2.4 單樁現(xiàn)場試驗

根據(jù)中國行業(yè)標準（JGJ106-2003）進行單樁現(xiàn)場試驗?，F(xiàn)場試驗采用緩慢加載的方法，逐步施加載荷。價值將步長設(shè)定為估計的最大測試負荷的1/8-1/12，并且第一步的值是其他步驟的兩倍。在樁頂?shù)亩ň狱c在每個加載步驟之后以5分鐘，15分鐘，30分鐘，45分鐘，60分鐘，90分鐘的間隔測量，直到達到一定的沉降速率（例如，沉降不大于0.1mm/小時）。卸載值是裝載值的兩倍，樁頂沉降物以15分鐘，30分鐘，60分鐘等的間隔進行測量。卸載后需要等待3小時才能達到零。圖3和圖4顯示了靜態(tài)鉆根結(jié)節(jié)樁和鉆孔樁的荷載-位移曲線。

圖3顯示了載荷-位移曲線700毫米結(jié)節(jié)樁（如上所述，預(yù)制結(jié)節(jié)樁被水泥土包圍，650（500）毫米結(jié)節(jié)樁的鉆頭直徑為700毫米，所以這里稱為700毫米結(jié)核樁）和800毫米鉆孔樁。三個載荷-位移曲線看起來相似，并且都具有明顯的轉(zhuǎn)折點，這表明所有三個樁都可能發(fā)生沖壓失效。失敗標準三堆的總結(jié)如下。當3號試樁的施加載荷達到8000kN時，樁頂?shù)某两盗考眲≡黾?，從而很可能發(fā)生沖孔失效;因此，3號試樁的極限承載力為7200kN。當4號試樁時當載荷達到8600kN時，樁頂?shù)某两笛杆僭黾?，很可能發(fā)生沖孔失效，4號試樁的極限承載力為8100kN。當6號試樁的施加載荷達到8800kN時，樁頂?shù)某两盗考眲≡黾?，從而很可能發(fā)生沖孔失效，6號試樁的極限承載力為8000kN。在實際工程中，球團樁中使用的混凝土為C100（JGJ94-2008），C100混凝土的阻力為100MPa，減速系數(shù)為0.80。對于650（500）mm球墨鑄鐵樁，球墨鑄鐵樁的厚度為100mm，表面截面約為100mm0.126m2，樁頂最大施力為8600kN，垂直應(yīng)力為68.2MPa，小于80MPa，結(jié)節(jié)樁上的載荷必須小于8600kN，因此這里使用的材料是認為可靠。

從現(xiàn)場試驗后的挖掘樁中，不會發(fā)生材料破壞。3號和4號試樁是700毫米靜態(tài)鉆根結(jié)節(jié)樁，6號試樁是800毫米鉆孔樁，而這三個樁的荷載-位移曲線和極限承載力似乎是類似的，從現(xiàn)場試驗中可以看出，700毫米靜態(tài)鉆頭承載結(jié)節(jié)樁的承載能力和800毫米鉆孔樁類似。

850mm的載荷-位移曲線結(jié)節(jié)樁（800（600）球狀樁由直徑為850mm的水泥土包圍，因此這里稱為850mm結(jié)節(jié)樁），圖4所示為1000mm鉆孔樁。從圖中可以看出，三個試樁的荷載-位移曲線相似。三個樁的破壞標準總結(jié)如下，當1號試樁的施加載荷達到9600kN時，樁頂?shù)某两盗考眲≡黾?，因此很可能發(fā)生沖孔失效，1號試樁的極限承載力為8800kN。當2號試樁裝入時10000kN，堆頂部的沉降迅速增加，因此很可能發(fā)生沖壓失效，2號試樁的極限承載力為9500kN。當5號試樁的施加載荷達到10400kN時，樁頂?shù)某两盗考眲≡黾?，從而很可能發(fā)生沖孔失效，6號試樁的極限承載力為9600kN。結(jié)節(jié)中使用的混凝土是C100，即C100混凝土的阻力為100MPa。適用于800（600）mm結(jié)節(jié)樁，樁厚110毫米，表面截面約0.238平方米，最大施力11000千牛，垂直應(yīng)力46.2兆帕，小于80兆帕，則結(jié)節(jié)載荷必須小于11000kN。就這樣這里使用的材料被認為是可靠的1號和2號試樁是850毫米靜態(tài)鉆根結(jié)節(jié)樁和5號試樁是1000mm鉆孔樁。三個試樁的荷載-位移曲線和極限承載力也是相似的，因此也可以認為850mm靜態(tài)的承載能力鉆根結(jié)節(jié)樁和1000毫米鉆孔樁是相似的。根據(jù)上述兩組現(xiàn)場試驗，可以看出靜態(tài)鉆根結(jié)節(jié)樁和鉆孔灌注樁的荷載-位移曲線的形式是相似的。施加在樁頂上的載荷首先由表面摩擦提供，并且在皮膚抵抗之前不會出現(xiàn)絨頭尖端阻力充分動員;最后，沖壓失敗終于發(fā)生了。兩組現(xiàn)場試驗表明，承載能力為700毫米靜態(tài)鉆頭根節(jié)樁和800毫米鉆孔樁類似，而850毫米靜態(tài)鉆根結(jié)節(jié)樁的承載能力類似于1000毫米鉆孔樁。因此，可以得出結(jié)論靜壓鉆根瘤樁的承載力高于鉆孔灌注樁。

3? 有限元法模擬

提供更深入的負載研究通過對該復(fù)合樁的傳遞機理，研究了預(yù)制結(jié)核和水泥土的荷載比，研究了預(yù)制樁與水泥土在加載過程中的相對位移。使用ABAQUS有限元程序建立并計算了三維模型，因為在實際工程中難以在水泥土中設(shè)置測量儀器。

3.1 造型

三維模型用于模擬垂直荷載下靜態(tài)鉆根結(jié)節(jié)樁，因為它是一個軸對稱問題，然后建立了一半的復(fù)合樁模型。預(yù)制結(jié)節(jié)樁定義為線彈性材料，水泥土和土壤定義為Mohr-Coulomb彈塑性材料，樁-水泥土相對位移和水泥土-土相對位移，考慮地應(yīng)力產(chǎn)生的初始應(yīng)力場，并應(yīng)用負荷由位移控制方法控制。選擇72m長的球狀樁進行模擬，并選擇幾何參數(shù)樁的數(shù)量是根據(jù)現(xiàn)場試驗中的試樁。樁周圍土壤半徑為20m，深度為100m，根據(jù)表2選擇土壤參數(shù)?，F(xiàn)場試驗中水泥含量為12%-20%，因此彈性模量水泥土的約為200MPa，泊松比為0.3。打樁過程相對較快，這里采用總應(yīng)力分析和不排水分析。選擇Newton-Raphson迭代方法常用于ABAQUS/STANDARD試驗。土壤層的詳細信息，結(jié)節(jié)樁和水泥土的參數(shù)分別列于表3和表4中。

3.2 接口定義

界面元素的選擇在有限元方法建模中具有重要意義，在該模型中定義了三個界面元素：樁-水泥土界面，水泥土-土界面和樁-土界面。所有三個界面的正常接觸被定義為硬接觸，剪切接觸被定義為庫侖摩擦模型。摩擦系數(shù)的選擇是對于荷載傳遞過程的準確性具有重要意義。樁-水泥土界面的摩擦系數(shù)選擇為0.65?？梢杂嬎銟?土界面的摩擦系數(shù)通過：

水泥土-土界面的表面摩擦力高于鉆孔樁的樁土界面，通過數(shù)百種不同的模型試驗，結(jié)合上述經(jīng)驗和試驗場土壤條件，粘性土中水泥土-土界面摩擦系數(shù)設(shè)定為0.3，在沙質(zhì)土壤中0.39。如上所述，界面的正常觸點定義為硬接觸，彈性滑動允許值應(yīng)設(shè)置在彈性滑動選項中，其中常用單位長度的0.5%，所以這里彈性滑動允許值設(shè)定為單位的0.5%長度。ABAQUS程序建模中的整個模型和結(jié)節(jié)樁的草圖如圖5所示。

3.3 結(jié)果分析

模擬計算在建模過程完成后開始，現(xiàn)場測試的載荷-位移曲線和ABAQUS程序計算的載荷-位移曲線如圖6所示。

如圖6所示，ABAQUS計算的載荷-位移曲線與現(xiàn)場試驗的載荷-位移曲線有一些差異，兩條曲線的趨勢相似，兩條曲線的極限承載力接近，表明所提出的建模方法可靠，使用該模型進行研究是可行的。靜力鉆的荷載傳遞機理扎根結(jié)節(jié)樁。

4? 結(jié)論

本文研究了靜態(tài)鉆根結(jié)節(jié)的承載力和荷載傳遞機理通過一系列現(xiàn)場測試和ABAQUS建模，可以得出一些結(jié)論：①根據(jù)現(xiàn)場試驗和數(shù)值分析，靜壓鉆孔結(jié)節(jié)樁的承載力比軟土地區(qū)的鉆孔灌注樁高8%～10%。來自中國深層軟土層某些地方的主要應(yīng)用統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，與鉆孔灌注樁相比，使用這種結(jié)核堆可以降低10%的成本。②靜態(tài)鉆根結(jié)節(jié)樁結(jié)合了水泥土樁相對較高的表面摩擦力和預(yù)制樁的較高強度的優(yōu)點，形成了雙應(yīng)力分散系統(tǒng)。從現(xiàn)場試驗來看，這種荷載傳遞系統(tǒng)證明比軟土地區(qū)的傳統(tǒng)樁更好。此外，使用這種方法可以大大減少泥漿污染。③靜壓鉆孔結(jié)節(jié)樁的沉降由預(yù)制結(jié)節(jié)樁控制。在數(shù)值分析的四個步驟中，預(yù)制樁和土壤的最大位移差異分別為8.1%，4.3%，3.4%，1.7%，因此球團樁和水泥土可視為變形是可變的。

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作者簡介：杜佼（1986-），女，吉林舒蘭人，講師，本科，學士，研究方向為土木工程。