樁長徑比對建筑單樁承載性能影響分析

蔡雪霽，顏玲月，黃凌君，沈永炎

（1.三明學(xué)院 建筑工程學(xué)院，福建 三明 365004；2.三明學(xué)院 后勤處，福建 三明 365004）

樁長徑比對工程結(jié)構(gòu)樁基承載性能影響較明顯。一些學(xué)者針對不同長徑比下樁基的承載力展開研究。馬文杰等［1］基于在黃土中不同樁長徑比對樁基承載性能的影響進行了室內(nèi)模型試驗研究，經(jīng)過對比分析探究了樁基的沉降特性、樁側(cè)摩阻力和端阻力隨豎向荷載以及沿深度變化的特點；王學(xué)知等［2］結(jié)合常州高架道路一期工程中靜載荷試驗與樁身應(yīng)力測試結(jié)果，對長徑比相近樁徑不同鉆孔灌注樁的載荷傳遞規(guī)律與承載性狀進行分析探討；史日磊等［3］利用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，模擬分析不同長徑比時，在豎向荷載作用下，樁身軸力、側(cè)摩阻力、端阻力及側(cè)摩阻力與端阻力的荷載分擔(dān)關(guān)系，并總結(jié)相應(yīng)規(guī)律。李文萍等［4］結(jié)合工程實例對樁基進行ANSYS有限元模擬分析，對不同長度的大直徑嵌巖灌注樁分別通過計算得出了樁土位移云圖和荷載-沉降關(guān)系曲線。郭彥超等［5］采用室內(nèi)模型試驗對砂土中不同長徑比單樁水平非線性振動特性進行了研究，分析了不同荷載幅值和長徑比對單樁水平非線性振動特性的影響。近年來，關(guān)于實際工程中建筑樁基在不同長徑比的承載性能研究還較少。以三明學(xué)院新建工科實訓(xùn)大樓樁基為例，通過對現(xiàn)場不同長徑比的單樁進行豎向抗壓靜載實驗分析，理論上根據(jù)土體力學(xué)以及樁土接觸狀態(tài)，采用有限元軟件進行GTS模擬建模分析，得到基樁荷載沉降曲線、樁身軸力曲線和樁側(cè)摩阻力曲線，并對樁側(cè)摩阻力和樁端阻力進行探討，其結(jié)果可為其余相關(guān)實踐工程應(yīng)用提供參考。

1 樁土接觸有限元計算理論

MIDAS/GTS應(yīng)用軟件可用于樁基承載力模擬。鑒于Mohr-Coulomb模型計算參數(shù)易獲取，應(yīng)用簡便，且能夠在較低應(yīng)力水平下與實測值近似[6]，因此本文采用該彈塑性模型，土體采用實體三維單元模擬，同時設(shè)置同一土層土體均質(zhì)、各向同性。

為方便計算，樁基利用梁單元線彈性體模擬，而樁土界面則采用GTS軟件中特有的摩擦接觸單元來模擬。樁底采用彈簧單元模擬支撐。

2 工程實例與模擬模型

2.1 工程概況

三明學(xué)院新建工科實訓(xùn)大樓，總建筑面積29 978.587 m2，其中地上建筑面積為26 179.015 m2，地下建筑面積為3 799.572 m2。本工程共有沖孔灌注樁177根，樁長為13～50m，樁徑為800 mm、900 mm、1 000 mm。樁基穿越地層主要有雜填土、含粘性土卵礫石、強風(fēng)化花崗巖三種。取4根不同長徑比的樁進行試驗分析，分別為6#樁，樁長32.54 m，樁徑900 mm，長徑比36.16；9#樁，樁長32.50 m，樁徑1 000 mm，長徑比32.50；87#樁，樁長16 m，樁徑800 mm，長徑比20；156#樁，樁長32.58 m，樁徑800 mm，長徑比40.73。

2.2 模擬模型

2.2.1 建模及邊界條件

模型根據(jù)樁長最大值32.54 m，樁徑最大值1 000 mm，經(jīng)試算，土層水平范圍X、Y方向各取16倍樁徑即16 m，土層總厚度取50 m，考慮樁端和樁周土層的影響范圍，樁基頂端和土層表面齊平，模型采用自由網(wǎng)格劃分，邊界考慮所有網(wǎng)格組自動約束，并設(shè)置Rz約束樁梁單元。網(wǎng)格劃分和邊界約束見圖1（以樁徑1 000 mm的9#樁為例）。

圖1 9#樁網(wǎng)格劃分模型及邊界約束立面圖Fig.1 9#pile meshing model and boundary constraint elevation

2.2.2 相關(guān)參數(shù)確定

地基土分布情況及樁的力學(xué)模型參數(shù)見表1。樁土接觸面法向剛度kn，數(shù)量級為1.0×1013N/m3，取4.0×1013N/m3；剪切剛度取200 MPa，與土體模量同一數(shù)量級[7]；各層土體模量依據(jù)地勘報告數(shù)據(jù)取整獲得，本文雜填土取5 000 KPa，粘土卵礫石取100 MPa，砂土狀強風(fēng)化花崗巖取40 GPa。黏聚力、內(nèi)摩擦角和泊松比采用工程地勘資料數(shù)據(jù)。

依據(jù)現(xiàn)場樁基鉆孔原始資料顯示，土層表面高程50 m，與設(shè)計值相符；同時終孔高程6#樁20.5 m，9#樁33.3 m，87#樁35.2 m，156#樁33.7 m，均與設(shè)計值相差不多。實際土層為雜填土、含粘性土卵礫石和強風(fēng)化花崗巖，持力層為強風(fēng)化花崗巖，且各類土層總厚度和設(shè)計值相差較小，因此可以認為實際土層與地勘資料基本吻合。

表1 土層分布情況和模型力學(xué)參數(shù)Tab.1 Soil layer distribution and model mechanics parameters

3 計算結(jié)果分析

3.1 荷載沉降曲線

檢測單樁豎向抗壓承載力，采用慢速維持荷載法進行加載，根據(jù)規(guī)范每級加載量取最大試驗荷載的1/10，最大試驗荷載為單樁豎向抗壓承載力特征值的2倍，6#樁為8600kN，9#樁為10 400 kN，87#樁為3200 kN，156#樁為7 400 kN，第一級按2倍分級荷載加載，在每一級荷載作用下，樁的沉降量每小時不超過0.1 mm，并連續(xù)出現(xiàn)兩次，可進行下一次加載。由此可得實測樁頂荷載沉降曲線，同時與有限元軟件GTS模擬理論分析得到的樁頂和樁端荷載位移曲線進行對比，結(jié)果見圖2。

圖2 實測和計算Q-S曲線Fig.2 Measured and calculated Q-Scurves

由試樁Q-S曲線可以得出:

（1）實測樁頂位移曲線與計算樁頂位移擬合結(jié)果較好。雖然二者仍存在一定偏差，但基本符合單樁受壓變形規(guī)律，不影響總體結(jié)果。說明本文采用的模擬模型參數(shù)，如土體和樁體材料、接觸面參數(shù)、網(wǎng)格劃分、本構(gòu)關(guān)系等均合理，模型能夠模擬真實的試樁過程，又由于模擬模型不可能完全仿真，以及地勘資料和實際土層情況存在些許誤差，故存在微小偏差，但不影響總體結(jié)果。

（2）如圖2所示，試樁實測曲線均為緩變型曲線，無明顯拐點，說明該工程試樁試驗均尚未達到破壞荷載，具備一定的富余度，樁的承載力性能發(fā)揮良好。

（3）如圖3所示，隨著長徑比的增大，樁端位移Q-S曲線逐漸趨于緩和。其原因為樁底與土的接觸面積越大，樁端土被壓密的范圍也越多，因而樁端土承受的面積更大，曲線也就相對較緩。由于6#樁和9#樁長徑比相差不大，故二者相差不明顯，但均較87#樁緩和，不影響結(jié)果。

圖3 樁端位移計算Q-S曲線Fig.3 Q-S curve of pile end displacement calculation

（4）隨著長徑比的增大，樁身壓縮量占總沉降比例也增大，壓縮比例短樁約為50%，長樁約為70%。本工程試樁計算結(jié)果如表2。

表2 樁身壓縮參數(shù)Tab.2 Pile compression parameters

3.2 樁身計算軸力曲線分析

樁身軸力分析是研究樁荷載傳遞的重要方法，本文采用GTS有限元軟件計算的軸力曲線見圖4，選擇87#、156#樁，樁徑均為800 mm，樁長差距較大，具有代表性。

圖4 計算樁身軸力曲線Fig.4 Computing axis force curve of pile body

根據(jù)樁身軸力曲線可知：（1）軸力最大位置在樁頂，樁身計算軸力隨深度增加而減小，隨荷載增大而增大，符合樁的荷載傳遞規(guī)律。（2）長徑比較小的87#短樁中下部衰減明顯，長徑比較大的156#長樁中上部衰減明顯，這是因為長樁相較于短樁，端部摩阻力發(fā)揮較晚且比例較少，主要由側(cè)摩阻力承當(dāng)。（3）隨著長徑比的增大，樁端軸力所占比重減少，87#樁端軸力在荷載3 200 kN時為1 750 kN，所占比例為0.55，而156#樁端軸力在荷載7 400 kN時為2 400 kN，所占比例為0.33，說明長樁主要靠摩阻力承載。（4）由文獻［8］可知，軸力變化曲線隨深度衰減的程度與樁周土體模量密切相關(guān)，土體模量越大，曲線斜率變化越大，反之則收斂越慢。樁基持力層處于強風(fēng)化花崗巖層中，計算軸力曲線衰減過程成非線性變化，該層土體模量最大，故斜率變化最明顯。

3.3 樁側(cè)摩阻力分析

圖5是本工程典型短樁和長樁樁側(cè)摩阻力隨深度分布曲線?？梢钥闯觯海?）荷載越大，同一深度的樁基側(cè)摩阻力也越大。（2）根據(jù)土層分布，側(cè)摩阻力隨土層的改變呈現(xiàn)明顯的轉(zhuǎn)折現(xiàn)象，側(cè)摩阻力均未超過規(guī)范規(guī)定的樁側(cè)土摩阻力標(biāo)準值(其中雜填土標(biāo)準值為22 kPa，粘土卵礫石標(biāo)準值為100 kPa，強風(fēng)化花崗巖標(biāo)準值為120 kPa)，說明實際極限值比規(guī)范規(guī)定值更小。因此進行側(cè)摩阻力計算分析時，樁土接觸面最終剪力(即能達到的最大計算側(cè)摩阻力)均適當(dāng)減小，因此雜填土標(biāo)準值為20 kPa，粘土卵礫石標(biāo)準值為90 kPa，強風(fēng)化花崗巖標(biāo)準值為100 kPa。（3）不同長徑比的樁，對于長徑比較大的156#長樁施加荷載過程中，中上部側(cè)摩阻力充分發(fā)揮，下部發(fā)揮相對不完全；長徑比較小的87#短樁，側(cè)摩阻力總體發(fā)揮較充分；由于樁端底部增強效應(yīng)，不論短樁長樁底部均有側(cè)摩阻力增大的現(xiàn)象。（4）隨樁頂荷載增加，樁身中上部摩阻力總體呈緩慢增加趨勢，而中下部摩阻力呈加快增加趨勢。

圖5 樁側(cè)摩阻力深度分布曲線Fig.5 Distribution curve of pile side friction depth

4 結(jié)論

（1）三明學(xué)院新建工科實訓(xùn)大樓項目在靜載下實測樁頂位移曲線與GTS有限元模型計算樁頂位移曲線擬合較好，能夠滿足實際工程仿真要求，同時本工程基樁具有足夠承載力。

（2）長徑比越大，單樁Q-S曲線越趨于緩和，樁身壓縮量占總沉降比例也越大。

（3）短樁中下部軸力衰減明顯，長樁中上部軸力衰減明顯，隨長徑比增大，樁端軸力所占比重減小。

（4）不同長徑比的樁，長徑比較大時，中上部側(cè)摩阻力充分發(fā)揮，下部發(fā)揮相對不完全；長徑較小時，側(cè)摩阻力總體發(fā)揮較充分；由于樁端底部增強效應(yīng)，不論短樁長樁底部均有側(cè)摩阻力增大的現(xiàn)象。

（5）隨樁頂荷載增加，樁身中上部摩阻力總體呈緩慢增加趨勢，而中下部摩阻力呈加快增加趨勢。