砂土地區(qū)超長(zhǎng)鉆孔樁承載性狀研究

陳維超，楊偉軍

(1.湖南建工集團(tuán)有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410004；2.長(zhǎng)沙理工大學(xué))

超長(zhǎng)鉆孔樁具有較大的承載能力及較高的穩(wěn)定性，已廣泛應(yīng)用于工民建工程、高速鐵路與公路、市政橋梁、港口碼頭以及大型構(gòu)筑物等工程中。超長(zhǎng)鉆孔樁的承載性能與樁的幾何特征、材料性能、土體特性以及受荷形式等因素有關(guān)，受力機(jī)理復(fù)雜。許多學(xué)者采用理論分析、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及模型試驗(yàn)研究了超長(zhǎng)樁的承載特性。馮世進(jìn)等進(jìn)行了黃土地基中超長(zhǎng)鉆孔樁承載性狀試驗(yàn)，認(rèn)為超長(zhǎng)樁的荷載-位移曲線為緩變型，樁周土層性質(zhì)、樁長(zhǎng)以及成孔工藝直接影響樁身軸力的傳遞以及樁側(cè)阻力的發(fā)揮，盡管超長(zhǎng)鉆孔樁具有較高的承載能力，但樁端阻力和樁側(cè)阻力為異步發(fā)揮；譚曉琦等通過試驗(yàn)深入研究了軟土地基超長(zhǎng)樁的承載特性，認(rèn)為超長(zhǎng)樁的豎向承載力主要是由樁側(cè)摩阻力來提供，其承載力隨樁周軟弱土層的埋深、厚度的增大均呈線性減小，隨軟弱下臥層埋深的增大而增大；胡念等研究了超長(zhǎng)嵌巖鉆孔灌注群樁承載特征與受力機(jī)理，認(rèn)為超長(zhǎng)嵌巖鉆孔灌注群樁的沉降在加載和卸載階段均與荷載近似成線性增加關(guān)系，在加載階段樁側(cè)摩阻力從上往下逐漸發(fā)揮且極限摩擦阻力沿深度增加，在卸載階段樁側(cè)摩阻力局部存在殘余摩擦而整體上呈現(xiàn)疲勞現(xiàn)象；金明等進(jìn)行了砂土中超長(zhǎng)樁的室內(nèi)模型試驗(yàn)，研究了單樁荷載-沉降關(guān)系、軸力以及樁側(cè)摩阻力的荷載傳遞機(jī)理；黃挺等運(yùn)用模型試驗(yàn)研究了砂土中雙樁負(fù)摩阻力。

綜上，對(duì)砂土地區(qū)超長(zhǎng)鉆孔樁承載特性還有待進(jìn)一步的研究。加蓬共和國(guó)Ogooué特大橋位于Ogooué入?？?，橋梁全長(zhǎng)4 700 m，橋位處于深厚砂土層，基樁均采用鉆孔灌注樁。該文以O(shè)gooué特大橋?yàn)楣こ瘫尘埃捎脭?shù)值方法研究樁長(zhǎng)、樁徑、樁土彈模比、樁端土與樁側(cè)土彈模比對(duì)超長(zhǎng)鉆孔樁承載性狀的影響規(guī)律，為砂土地區(qū)超長(zhǎng)鉆孔樁的設(shè)計(jì)與施工提供一定的理論參考依據(jù)。

1 分析模型

采用巖土工程FLAC3D軟件數(shù)值分析方法進(jìn)行砂土地基鉆孔灌注樁承載性狀研究，計(jì)算過程中，綜合運(yùn)用混合離散法及動(dòng)態(tài)松弛法，利用顯示差分法計(jì)算大變形問題，并采用小變形本構(gòu)關(guān)系對(duì)各時(shí)步進(jìn)行疊加，得到大變形解。

分析模型如圖1所示，其中樁側(cè)土的范圍取大于樁徑的35倍，樁端下土層的厚度取大于樁長(zhǎng)的L/2，此時(shí)邊界對(duì)樁基的受力影響較小。砂土地區(qū)中鉆孔灌注樁的接觸面具有較好的摩擦特性，其接觸面摩擦系數(shù)取相鄰?fù)翆拥?.8倍；同時(shí)假設(shè)樁周砂土為均質(zhì)砂土層，砂土本構(gòu)模型采用莫爾-庫(kù)侖模型，樁土接觸面采用無厚度莫爾-庫(kù)侖接觸面模型，砂土的黏聚力c為零，泊松比υ為0.3，密度為1 840 kg/m3，內(nèi)摩擦角為32°，砂土的彈性模量E為69 MPa;基樁混凝土的泊松比υ為0.2，混凝土密度為2 500 kg/m3，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C35,其樁身的彈性模量Ec為3×104MPa。

圖1 數(shù)值分析模型

2 計(jì)算結(jié)果及分析

2.1 樁長(zhǎng)對(duì)承載性狀的影響

基樁直徑為1.6 m，樁長(zhǎng)L分別取50、70、90、110 m。

2.1.1 位移-荷載曲線與樁身壓縮特性

位移-荷載曲線與樁身壓縮特性分別見圖2～4。

圖2 樁頂位移-荷載曲線

圖3 樁端位移-荷載曲線

由圖2～4可知：

(1)隨樁長(zhǎng)的增加，樁頂位移-荷載曲線的突變拐點(diǎn)逐漸向右下方下移，基樁承載力隨之增加；各基樁樁頂位移-荷載曲線在拐點(diǎn)出現(xiàn)前，位移-荷載曲線幾乎重合，樁頂位移與荷載呈線性關(guān)系，表現(xiàn)為純摩擦樁特性；當(dāng)樁長(zhǎng)為110 m時(shí)，基樁承載力為84 400 kN，樁頂位移為255 mm，此時(shí)樁頂位移過大早已不能滿足工程的使用要求。盡管增加樁長(zhǎng)可提高基樁承載力，但應(yīng)考慮超長(zhǎng)鉆孔樁在荷載作用下對(duì)樁頂位移的影響。

圖4 樁身壓縮曲線

(2)在同一荷載作用下，樁端位移隨樁長(zhǎng)增加有所減小，而樁身的壓縮則隨樁長(zhǎng)增加而增大。以上結(jié)果表明，超長(zhǎng)鉆孔樁的樁身壓縮所占樁頂沉降位移的比例較大，樁長(zhǎng)為110 m的基樁，達(dá)到極限承載力時(shí)的樁頂位移為255 mm，其中樁身壓縮為120 mm，占樁頂總沉降位移的47.1%。在以樁頂沉降位移為限制條件時(shí)，增加基樁長(zhǎng)度，所需的荷載反而有所減小。

2.1.2 樁身軸力傳遞特性

樁身軸力傳遞特性見圖5。

由圖5可知：在荷載較小時(shí)，樁身軸力隨深度增加呈線性衰減，表現(xiàn)為純摩擦樁特性?；鶚对谶_(dá)到極限承載力前，上部20%樁段的樁身軸力傳遞較快，衰減??；在樁側(cè)摩阻力作用下，下部樁段的樁身軸力隨深度增加大致呈線性衰減。當(dāng)荷載大于極限承載力時(shí)，上部0～20 m樁段的樁身軸力快速傳遞，樁身軸力基本無衰減，至4/5樁截面處，樁身軸力以弧形的方式緩慢衰減；距樁端1/5的樁段，樁身軸力衰減很快。究其原因:當(dāng)荷載大于極限承載力時(shí)，樁頂已發(fā)生大的沉降位移，樁土體之間接觸面已發(fā)生剪切破壞，樁身軸力不能通過樁土之間的剪應(yīng)力有效傳遞到土體中，上部樁段的樁身軸力傳遞表現(xiàn)為軸力衰減很小的現(xiàn)象，不同樁長(zhǎng)的基樁樁身軸力傳遞特性基本一致。

圖5 樁身軸力傳遞曲線

2.1.3 樁側(cè)摩阻力分布特性

樁側(cè)摩阻力受樁土界面粗糙度、成樁形式、樁周土體性質(zhì)以及樁身側(cè)向應(yīng)力等因素的影響，樁基所受豎向荷載通過樁側(cè)摩阻力以剪應(yīng)力的方式將荷載轉(zhuǎn)遞到樁周土中。圖6為樁長(zhǎng)50、70、90、110 m的樁側(cè)摩阻力分布圖。從樁身軸力傳遞曲線，可以反映出樁側(cè)摩阻力發(fā)揮的特性，樁側(cè)摩阻力采用式(1)計(jì)算，以每10 m計(jì)算各樁段樁側(cè)摩阻力。

圖6 樁側(cè)摩阻力分布

(1)

當(dāng)荷載較小時(shí)，各區(qū)段樁側(cè)摩阻力大小相當(dāng)，均未達(dá)到極限值，在達(dá)到極限值前，樁側(cè)提供的摩阻力隨荷載的增加而增大，且各區(qū)段樁側(cè)摩阻力從上至下逐步達(dá)到極限值，當(dāng)荷載進(jìn)一步增大，已達(dá)到極限值的樁側(cè)摩阻力有所減少，表現(xiàn)為樁側(cè)軟化現(xiàn)象。從圖6可以看出：樁側(cè)摩阻力極限值隨深度增加而增加，這是在樁側(cè)摩阻力作用下壓密了土層，提高了土體的力學(xué)性能；超長(zhǎng)鉆孔樁的樁土相對(duì)位移和樁身壓縮較大，樁土相對(duì)位移上部分比下部分大，樁側(cè)摩阻力的發(fā)揮上部分也比下部更為充分。

2.2 樁徑對(duì)承載性狀的影響

樁長(zhǎng)為90 m，樁基直徑分別取1.2、1.6、2.0、2.5 m的基樁承載性狀如圖7～9所示。

圖7 樁頂位移-荷載曲線

從圖7可以看出：樁長(zhǎng)90 m而不同直徑基樁的樁頂位移-荷載曲線突變拐點(diǎn)基本出現(xiàn)在同一沉降位移值處，但樁頂位移-荷載曲線隨樁徑的增加而逐漸變緩，基樁承載力隨樁徑增加而增大，樁徑2.0 m的基樁承載力為65 940 kN,樁徑2.5 m的基樁承載力為88 312 kN；在同一荷載作用下，增加樁徑能有效減少樁頂?shù)某两?，提高樁頂?shù)某两堤匦浴?/p>

從圖8可以看出：樁徑不大于2.0 m時(shí)，各基樁的樁端位移-沉降曲線在突變拐點(diǎn)出現(xiàn)之前基本重合，表明在同一荷載作用下樁端沉降隨樁徑的增大變化較??；當(dāng)樁徑增加到2.5 m時(shí)，同一荷載作用下樁端沉降有所降低。由于增大樁徑增加了基樁的剛度，在同一豎向荷載作用下，樁身的壓縮隨樁徑的增大而減小，如圖9所示。

圖8 樁端位移-荷載曲線

圖9 樁身壓縮曲線

由圖7與圖2可知：增大基樁樁徑比增加樁長(zhǎng)來提高基樁的極限承載力以及控制樁頂?shù)某两敌Ч黠@。對(duì)于超長(zhǎng)鉆孔樁，盡管增大樁徑能夠較明顯地提高基樁承載力，但混凝土用量增大，增加了工程造價(jià)，在大噸位超長(zhǎng)鉆孔樁設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)合理地選擇樁徑和樁長(zhǎng)。基樁的軸力傳遞及樁側(cè)摩阻力分布特性與2.1節(jié)相似，此處不再另行論述。

2.3 樁土彈模比對(duì)承載性狀的影響

樁身混凝土強(qiáng)度等級(jí)分別為C30、C50、C60、C80時(shí)，混凝土彈性模量分別為3.0×104、3.45×104、3.60×104、3.80×104MPa，樁徑為1.6 m，樁長(zhǎng)為90 m，樁周土的彈性模量為E=69 MPa，樁土彈模比對(duì)基樁的承載性狀影響如圖10～12所示。

圖10 樁頂位移-荷載曲線

從圖10～12可以看出：在同一樁土環(huán)境、相同荷載作用下，樁頂沉降隨混凝土強(qiáng)度增加而有所減少，即采用高強(qiáng)度混凝土，其混凝土彈性模量也相應(yīng)提高，基樁剛度增大；當(dāng)加載荷載為54 250 kN時(shí)，混凝土強(qiáng)度為C30的樁頂沉降位移為145 mm、樁身壓縮為55 mm，混凝土強(qiáng)度為C80的樁頂沉降位移為135 mm、樁身壓縮44 mm，樁頂位移減小10 mm，樁身壓縮減少11 mm。提高基樁混凝土強(qiáng)度，基樁承載力并沒有顯著提高，這是因?yàn)榛鶚冻休d力取決于樁側(cè)摩阻力及樁端阻力；提高混凝土強(qiáng)度等級(jí)，在一定程度上改善了樁頂?shù)暮奢d沉降特性，但對(duì)樁端沉降的影響很?。辉诨鶚对O(shè)計(jì)中，基樁混凝土強(qiáng)度等級(jí)可選C30～C35。

圖11 樁端位移-荷載曲線

圖12 樁身壓縮曲線

2.4 樁端、樁側(cè)土彈模比對(duì)承載性狀的影響

樁周土的彈性模量為E=69 MPa，取樁端土彈性模量分別為樁側(cè)土彈性模量的1、2、4、10倍，計(jì)算樁長(zhǎng)為60 m，研究樁端土、樁側(cè)土彈性模量比對(duì)樁基承載性狀的影響，各基樁的樁頂位移-荷載曲線見圖13。

圖13 不同Eb/Es的位移-荷載曲線

從圖13可以看出：樁頂沉降拐點(diǎn)出現(xiàn)前，提高樁端土的彈性模量，所引起的樁頂位移-荷載曲線的變化很小，基樁的承載力大小基本一致，約為15 MN，表現(xiàn)為純摩擦型樁特性。沉降拐點(diǎn)出現(xiàn)后，隨荷載的進(jìn)一步增加，由于樁側(cè)摩阻力已不能足夠抵抗樁頂所受的豎向荷載，其承力模式轉(zhuǎn)變?yōu)榕c樁端土體共同承擔(dān)荷載，隨著樁端土彈性模量的增大，其拐點(diǎn)后的荷載沉降曲線斜率逐漸變緩，說明彈性模量較小的樁端土，更容易出現(xiàn)樁端刺入破壞的現(xiàn)象，此時(shí)在少量增加荷載時(shí)其樁頂沉降增加較大。對(duì)于樁端土與樁側(cè)土彈性模量比Eb/Es=2、4、10的基樁，當(dāng)荷載達(dá)到一定值后樁頂沉降會(huì)迅速增大，但隨樁端土彈性模量的增加，其樁頂?shù)某两邓俾视兴鶞p緩，這是因?yàn)闃抖送羷偠仍酱笏惺艿臉抖俗枇σ苍酱?，抵抗基樁刺入土體破壞的能力也就越強(qiáng)。綜上可知，增大樁端、樁側(cè)土的彈性模量比，有利于改善基樁的荷載-沉降曲線特性以及基樁承載性能，但對(duì)于提高超長(zhǎng)鉆孔樁的承載能力不是特別明顯。

3 結(jié)論

(1)樁徑一定時(shí)，增加樁長(zhǎng)能有效提高基樁的承載力，但樁頂位移也相應(yīng)增加；基樁越長(zhǎng)，基樁達(dá)到承載力時(shí)的樁身壓縮值所占樁頂位移的比例越大，對(duì)于超長(zhǎng)鉆孔樁，應(yīng)考慮樁身壓縮對(duì)樁頂位移的影響；樁身軸力傳遞從上至下逐漸衰減，樁側(cè)土所提供的側(cè)摩阻力隨深度增加而增加，上部樁段側(cè)摩阻力的發(fā)揮比下部樁段更充分。

(2)樁長(zhǎng)一定時(shí)，增加樁徑能有效提高基樁的承載力及改善樁頂?shù)某两堤匦?，在大噸位超長(zhǎng)鉆孔樁設(shè)計(jì)時(shí)，基樁應(yīng)選擇合理的長(zhǎng)徑比，在保證基樁的承載能力及樁頂沉降特性的前提下，減少工程造價(jià)。

(3)提高樁端土彈性模量有利于改善樁頂荷載-位移特性，在工程實(shí)際中，可通過樁端后注漿改善樁土端的環(huán)境；提高基樁混凝土強(qiáng)度等級(jí)在一定程度上能減小樁頂?shù)某两滴灰?，但?duì)基樁承載力的增加較小，這是因?yàn)樯巴恋貐^(qū)的基樁承載力取決于樁側(cè)摩阻力及樁端阻力，工程實(shí)際中，對(duì)耐久性要求不高的情況下，基樁混凝土強(qiáng)度等級(jí)可采用C30～C35。