靜載試驗壓重平臺反力裝置對樁承載性能影響研究分析

薛 原

(安徽省地球物理地球化學(xué)勘查技術(shù)院，安徽 合肥 230000)

樁基礎(chǔ)作為一種歷史悠久的基礎(chǔ)形式，具有較高的承載能力和穩(wěn)定性，對樁基礎(chǔ)的承載性能進行監(jiān)測是確保工程質(zhì)量和安全的重要步驟。工程實踐證明，基樁靜載荷試驗操作直接，結(jié)果可靠，是一種接近于基樁實際工作條件的試驗方法。

1 研究背景及意義

當(dāng)前困擾樁基工程進一步發(fā)展的瓶頸是由于巖土工程的不可定性?；鶚兜臉O限承載性能是樁基設(shè)計中的核心，如不進行基樁的相關(guān)承載力試驗，樁基礎(chǔ)的設(shè)計參數(shù)在既難準確確定，又不可直接利用其他工程參數(shù)的情況下將帶來風(fēng)險。目前試樁豎向變形特性及各種靜載試驗加載反力裝置對試樁的影響尚未引起設(shè)計人員的重視，樁身沉降精度誤差也未進行考慮，總體對基樁的設(shè)計趨向保守[1]。因此，對靜載試驗中加載反力裝置對樁承載性能的影響研究具有實際意義。

2 研究主要內(nèi)容

基樁承載性能的具體判斷主要由試驗樁的荷載、樁頂沉降量曲線及時間對數(shù)曲線等確定，然而靜載試驗中各種不同的加載反力裝置均會對基樁的承載性能產(chǎn)生不同程度的影響[2]。例如在采用壓重平臺反力裝置的靜載試驗過程中，因試驗開始前，平臺上部的堆放的荷載已通過平臺支墩傳遞給了試樁周圍的地基土上，故在試驗未開始時上部配重荷載已經(jīng)對堆載平臺覆蓋的地基土區(qū)域產(chǎn)生了很大的位移場，試樁、基準樁及樁周土均產(chǎn)生向下的沉降，配重越重，位移沉降就越大。隨著單樁靜載試驗的進行，千斤頂對試驗樁荷載壓力逐漸增大，堆載平臺的支墩的受力逐漸減小，試驗開始前堆載平臺覆蓋的地基土區(qū)域產(chǎn)生的位移場逐漸恢復(fù)，相當(dāng)于樁周土產(chǎn)生了回彈效應(yīng)，回彈使得基準樁向上回升，因此在此基礎(chǔ)上取得的樁頂沉降數(shù)據(jù)具有較大不確定性。本文結(jié)合工程實例利用水準儀等觀測儀器，對試樁頂部及樁周土一定范圍內(nèi)進行等距離布置觀測點(5、10、15 m)，并隨試驗加卸載程序同步進行沉降監(jiān)測記錄。最后通過ABAQUS有限元軟件建立數(shù)值模型，結(jié)合現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)和水準監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析壓重平臺反力裝置下荷載由平臺支墩轉(zhuǎn)移至試樁樁頂時，一定范圍內(nèi)樁頂淺層地表平面變形和樁身沉降變形情況。

3 現(xiàn)場試驗

試驗選取安徽桐城某小區(qū)試樁進行試驗比對分析，試樁樁號為S1#。試樁樁型為人工挖孔灌注樁，樁徑900 mm，樁長14.50 m，砼強度C30，單樁豎向承載力特征值3 550 kN。試驗采用快速維持荷載法，試驗分級及數(shù)據(jù)匯總?cè)绫?所示：

表1 單樁豎向抗壓靜載試驗數(shù)據(jù)匯總表

4 靜載試驗的數(shù)值模擬分析

在巖土工程領(lǐng)域，ABAQUS具有流體滲透、靜態(tài)應(yīng)力應(yīng)變分析、動態(tài)分析、流固耦合分析等能力。且具有針對飽和及非飽和土的流固耦合進行分析的能力，它可以用生死單元功能，對巖土工程上復(fù)雜的邊界條件、多次加載等問題進行準確模擬[3]。據(jù)上所述，ABAQUS數(shù)值模擬軟件具有很強的適用性、可靠性，因此，本文選擇它進行輔助評價基樁靜載試驗反力裝置對樁基承載力性能影響。

4.1 ABAQUS建模

模型尺寸為25 m × 15 m，考慮到模型的對稱性，取1/2區(qū)域進行模擬，建立有限元模型。有限元模型中水平X方向共15 m，Y方向25 m。模型左邊界采用Symmetry/Antisymmrtry/Encastre約束水平方向上的位移；模型右邊界采用Displacement/Rotation約束水平方向上的位移。有限元模型網(wǎng)格劃分如圖1所示，土體和樁體單元類型鉆用CAPE4，單元形狀選四邊形，網(wǎng)格劃分方式為掃掠，劃分單元約2 812個，單元節(jié)點約2 926個，如圖2所示。

圖1 有限元模型

圖2 模型網(wǎng)格劃分

本次數(shù)值模擬采用S1#試樁壓重平臺反力式裝置，將單樁承載力極限值分為10級，加載9次。分析步共有10步，其中第一步為地應(yīng)力平衡分析步(Geostatic),其余分析步均為加載分析步。樁土相互作用中接觸面的法向模型選用Normal Behavior模擬；接觸面切向模型選用Tangential Behavior模擬，摩擦形式為Penaly，摩擦系數(shù)為0.466，最大摩擦力為100 kPa。

巖土層共分為5層，分別為雜填土、粉質(zhì)黏土、全風(fēng)化泥質(zhì)砂巖、強風(fēng)化泥質(zhì)砂巖和中風(fēng)化泥質(zhì)砂巖。各巖土層參數(shù)如表2所示：

表2 地基巖土層數(shù)值計算參數(shù)

4.2 數(shù)值模擬沉降分析

為進一步論證現(xiàn)場試驗得到的試樁沉降結(jié)果。本節(jié)對該試樁進行數(shù)值模擬計算分析，所選取的代表性樁所在的地質(zhì)原型皆采用最不利的實際鉆探地質(zhì)剖面，樁結(jié)構(gòu)參數(shù)采用彈性模量為30 GPa，泊松比為0.2，樁身模擬加載沉降云圖如圖3～圖11所示。

圖3 第一次加載沉降云圖

圖4 第二次加載沉降云圖

圖5 第三次加載沉降云圖

圖6 第四次加載沉降云圖

圖7 第五次加載沉降云圖

圖8 第六次加載沉降云圖

圖9 第七次加載沉降云圖

圖10 第八次加載沉降云圖

圖11 第九次加載沉降云圖

圖12 數(shù)值模擬Q-S曲線圖

圖13 數(shù)值模擬樁頂平面曲線圖

5 結(jié)論

在采用壓重平臺加載方式的靜載試驗中，平臺配重所產(chǎn)生的附加應(yīng)力和卸載回彈對樁身沉降量的影響較大，直接在地面架設(shè)基準梁，安裝位移計的測讀方式比樁身實際沉降量大10%。因此，為進一步提高試驗結(jié)果的準確性，基準樁的布置應(yīng)充分考慮試樁樁身應(yīng)力產(chǎn)生的基準樁下沉和壓重平臺卸載時基準樁的回彈二者之間的疊加，使基準樁變形值的最小的目標(biāo)。此外，在試驗開始之前可處理試樁周圍淺層地表的土體強度，盡可能的減小平臺應(yīng)力轉(zhuǎn)移時產(chǎn)生的土體回彈誤差。通過等距離(5、10、15 m)布設(shè)的觀測點監(jiān)測數(shù)據(jù)得知上部荷載附加應(yīng)力的影響范圍基本覆蓋于堆載平臺之內(nèi)。

通過ABAQUS有限元軟件建立壓重平臺-試樁模型，從數(shù)值計算的角度對試樁樁身沉降位移變化和壓重平臺荷載由支墩轉(zhuǎn)移至試樁樁頂方面進行了分析，同時將模擬結(jié)果與實測數(shù)據(jù)進行了對比。通過分析試樁沉降云圖，試樁主要樁頂處受力，隨著上部荷載增加，從樁頂至樁身沉降逐漸增大，樁底受力影響變化較小。數(shù)值模擬計算的樁頂沉降和現(xiàn)場靜載試驗的沉降量相近，且數(shù)值模型計算反應(yīng)出來的荷載-沉降(Q-S)曲線(如圖12)所示趨勢和現(xiàn)場試驗結(jié)果吻合較好，均呈線性分布，證明了所建立的數(shù)值模型是可靠的，可在一定精度范圍內(nèi)對工程設(shè)計與施工提供參考性的建議。

通過對試樁壓重平臺的布設(shè)進行模擬，發(fā)現(xiàn)上部荷載會對平臺范圍內(nèi)樁周土沉降產(chǎn)生較大影響，但隨著加載次數(shù)的增加，樁基承載力的影響較小，壓重反力平臺的鋪設(shè)會對樁身上部周圍樁周土產(chǎn)生部分擠密效果，樁周頂平面處會有小沉降產(chǎn)生(如圖13)。在與現(xiàn)場試驗監(jiān)測數(shù)據(jù)對比后發(fā)現(xiàn)模擬計算值大于監(jiān)測值，這是因為本次模擬采用的二維來計算，缺少三維空間效果。

綜上，靜載試驗壓重平臺反力裝置對樁承載性能的影響是存在的，因此在今后相關(guān)基樁參數(shù)的設(shè)計與使用中，應(yīng)盡可能考慮反力裝置帶來的沉降精度影響。