可控剛度樁筏基礎(chǔ)負(fù)摩阻力數(shù)值分析

郭天祥

(廈門上城建筑設(shè)計(jì)有限公司 福建廈門 361012)

0 引言

可控剛度樁筏基礎(chǔ)，通過在端承型樁的樁頂設(shè)置剛度調(diào)節(jié)器，形成樁土共同作用機(jī)制承擔(dān)上部荷載[1]。該機(jī)制下，“刺入”變形發(fā)生在樁頂?shù)恼{(diào)節(jié)器部分，筏板底部地基土產(chǎn)生沉降變形，而樁自身由于端承性質(zhì)其豎向變形很小，樁身上部一定范圍內(nèi)樁周土層產(chǎn)生的沉降大于樁自身的沉降，即對(duì)端承型樁產(chǎn)生負(fù)摩阻力。該負(fù)摩阻力的影響因素有哪些？該負(fù)摩阻力轉(zhuǎn)化為作用在樁身的下拉荷載，如何定量分析計(jì)算，是可控剛度樁筏基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的要點(diǎn)和難點(diǎn)。

成建陽、周峰等在《可控剛度樁基礎(chǔ)負(fù)摩阻力計(jì)算與分析》中提出基于荷載傳遞法，即：采用理想彈塑性荷載傳遞模型，對(duì)樁間距較大、群樁效應(yīng)不明顯的可控剛度樁筏基礎(chǔ)，將樁筏基礎(chǔ)中的基樁簡(jiǎn)化為單樁模型，對(duì)其負(fù)摩阻力進(jìn)行了計(jì)算分析[2]。

但現(xiàn)實(shí)中，目前的可控剛度樁筏基礎(chǔ)應(yīng)用實(shí)踐，多個(gè)項(xiàng)目的樁間距為4～6d(d為樁身直徑)。如：當(dāng)代天境B棟樓樁間距是4d，新景七星公館2#樓為4～5d，創(chuàng)冠國(guó)際中心是5～6d。

顯然，對(duì)于樁間距在4～6d范圍的樁筏基礎(chǔ)，樁與樁、樁與土之間荷載傳遞和變形協(xié)調(diào)機(jī)制非常復(fù)雜，群樁效應(yīng)不可忽略[3]，采用單樁模型模擬分析樁筏基礎(chǔ)之基樁的負(fù)摩阻力不符合其實(shí)際受力情況。為此，有必要采用數(shù)值分析方法，建立群樁模型分析可控剛度樁筏基礎(chǔ)的負(fù)摩阻力。

本文采用ABAQUS有限元軟件建立三維數(shù)值模型，模擬土的非線性應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系[4]和樁土接觸條件。對(duì)比分析了常規(guī)樁基和可控剛度樁筏基礎(chǔ)的負(fù)摩阻力特性，通過模擬不同變剛度時(shí)間、樁間距以及樁徑等工況，著重分析可控剛度樁筏基礎(chǔ)負(fù)摩阻力的影響因素，力求定性或定量給出該負(fù)摩阻力對(duì)基樁承載力的影響程度。

1 常規(guī)樁基和可控剛度樁筏基礎(chǔ)的負(fù)摩阻力對(duì)比分析

為了考察可控剛度樁筏基礎(chǔ)與常規(guī)樁基的工作性狀及其差異，本文分別建立模型，模擬兩種基礎(chǔ)的受力機(jī)理。通過模型結(jié)果對(duì)比分析，研究可控剛度樁筏基礎(chǔ)的負(fù)摩阻力特性。

建立2個(gè)模型，筏板底上層主要為殘積砂質(zhì)粘性土，厚9m，下層主要是強(qiáng)風(fēng)化花崗巖，厚11 m。土體尺寸均為48 m×48 m×20 m，如圖1所示。模型土體四周邊界條件x=0，y=0，土體底部邊界條件x=0，y=0，z=0。

筏板尺寸為15 m×15 m×2 m。樁頂剛度調(diào)節(jié)器厚度0.15 m，半徑為0.5 m。根據(jù)試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果，軸向剛度值約為16 000 kN/m，因此剛度調(diào)節(jié)器彈性模量E=KL/A=3.057 MPa。樁軸向剛度為K=EA/L=2 355 000 kN/m。

結(jié)合勘察報(bào)告中土層的物理參數(shù)，以及上述計(jì)算結(jié)果和經(jīng)驗(yàn)取值，數(shù)值模型各部件的材料參數(shù)如表1所示。

表1 數(shù)值模型各部件的材料參數(shù)

模擬施工加載分6級(jí)，從Load-1加載至Load-6，分別為100 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa、500 kPa、600 kPa。

圖1 模型平面及剖面圖

模型Ⅰ模擬常規(guī)端承型樁基礎(chǔ)(簡(jiǎn)稱“常規(guī)樁基”)工況，如圖2所示。筏板底均勻布置9根樁，樁徑d=1m，樁間距5m，邊樁中心到筏板邊距離2.5m，有效樁長(zhǎng)10 m，樁端進(jìn)入強(qiáng)風(fēng)化花崗巖持力層1m。

圖2 常規(guī)樁基 圖3 可控剛度樁筏基礎(chǔ)

模型Ⅱ模擬可控剛度樁筏基礎(chǔ)工況，如圖3所示。在筏板底均勻布置9根樁，樁徑d=1m，樁間距5m，邊樁中心到筏板邊距離2.5m，有效樁長(zhǎng)9.85m，樁端進(jìn)入強(qiáng)風(fēng)化花崗巖持力層1m。樁與筏板之間設(shè)有剛度調(diào)節(jié)器，剛度調(diào)節(jié)器直徑d=1m，厚0.15m。筏板面荷載從0加載至Load-3末，此為第一階段，剛度調(diào)節(jié)器彈性模量為3.057MPa；當(dāng)加載至Load-3末，將剛度調(diào)節(jié)器的空腔采用高強(qiáng)材料填充密實(shí)(簡(jiǎn)稱“注漿”)，彈性模量增大為3×104MPa，筏板面荷載繼續(xù)從Load-4加載至Load-6，此為第二階段。

圖4為可控剛度樁筏基礎(chǔ)和常規(guī)樁基樁側(cè)摩阻應(yīng)力沿樁身變化，從圖4中可以看出，常規(guī)樁基樁側(cè)均受到正摩阻應(yīng)力作用，沿樁身向下逐漸增大；可控剛度樁筏基礎(chǔ)的作用機(jī)理是土體首先承擔(dān)上部荷載被壓縮，土體相對(duì)于樁有向下的位移，因此對(duì)樁身的上部產(chǎn)生向下負(fù)摩阻應(yīng)力，中性點(diǎn)位于樁頂以下約0.8倍樁長(zhǎng)位置，中性點(diǎn)以下正摩阻應(yīng)力不斷增大。

圖4 不同模型樁側(cè)摩阻應(yīng)力

圖5 樁側(cè)摩阻合力

圖5為常規(guī)樁基和可控剛度樁筏基礎(chǔ)樁側(cè)摩阻合力。常規(guī)樁基側(cè)摩阻力隨著荷載增加不斷增大，而可控剛度樁筏基礎(chǔ)在第一階段側(cè)的樁側(cè)摩阻力主要為負(fù)摩阻力，隨荷載增大而增加，最大值-6326kN；第二階段，樁側(cè)摩阻合力隨加載線性減小，由負(fù)值轉(zhuǎn)為正值，最終達(dá)到2318 kN，究其因，第二階段“注漿”后，土體基本不再被壓縮，樁基逐步承擔(dān)上部荷載，樁側(cè)正摩阻力不斷增大，樁側(cè)阻合力由負(fù)值轉(zhuǎn)為正值。從圖5可以看出，可控剛度樁筏基礎(chǔ)在加載過程中，大部分處于負(fù)摩阻力狀態(tài)，呈現(xiàn)V字型變化，在“注漿”時(shí)負(fù)摩阻力達(dá)到最大值。

2 變剛度時(shí)間對(duì)可控剛度樁筏基礎(chǔ)負(fù)摩阻力的影響

為了研究變剛度時(shí)間對(duì)可控剛度樁筏基礎(chǔ)樁側(cè)負(fù)摩阻力的影響，分別在6個(gè)分析步中進(jìn)行變剛度，即在基礎(chǔ)筏板面荷載分別達(dá)到Load=0kPa、100kPa、200kPa、300kPa、400kPa、500kPa、600kPa時(shí)，對(duì)剛度調(diào)節(jié)器進(jìn)行“注漿”。

通過圖6可以看出，在Load-1初始時(shí)刻變剛度，則可控剛度樁筏基礎(chǔ)樁側(cè)正摩阻力線性增大，接近常規(guī)樁基。在Load-2～Load-6“注漿”，可控剛度樁筏基礎(chǔ)第一階段樁側(cè)摩阻力主要為負(fù)摩阻力，并隨著荷載增加而增大；當(dāng)剛度調(diào)節(jié)器“注漿”后，可控剛度樁筏基礎(chǔ)進(jìn)入第二階段，樁側(cè)正摩阻力不斷增大。若“注漿”時(shí)間在Load=400之前，由于土體壓縮沉降量相對(duì)不大，樁側(cè)負(fù)摩阻力較小，最終時(shí)刻樁側(cè)摩阻合力由負(fù)值轉(zhuǎn)為正值；若“注漿”時(shí)間在Load=400之后，最終側(cè)摩阻合力為負(fù)值，最大值為-11 859 kN。

圖6 變剛度時(shí)間的樁側(cè)摩阻合力

不同的變剛度時(shí)間，樁側(cè)負(fù)摩阻力的大小也不同，在設(shè)計(jì)中如何考慮“注漿”時(shí)間及其對(duì)負(fù)摩阻力的值影響。

為了定量分析負(fù)摩阻力對(duì)基樁承載力的影響大小，研究了不同“注漿”時(shí)間，樁側(cè)摩阻力在基樁承載力中的占比。從圖7中發(fā)現(xiàn)，第一階段末，注漿時(shí)間從Load=100變到Load=600，樁側(cè)摩阻力與基樁承載力比值基本相同，均為-35.0%左右，以負(fù)摩阻力為主；但在第二階段末，最終樁側(cè)摩阻力占比從12.3%轉(zhuǎn)變?yōu)?35.0%。其因在于，隨著“注漿”時(shí)間推遲，樁側(cè)正摩阻力的發(fā)揮也相對(duì)“滯后”，負(fù)摩阻力的作用不斷增大，導(dǎo)致最終時(shí)刻樁側(cè)阻力占比由正值變?yōu)樨?fù)值，樁側(cè)主要受負(fù)摩阻力作用。

圖7 樁側(cè)摩阻力與基樁承載力比值

在實(shí)際工程應(yīng)用中，為了充分發(fā)揮地基土承載力，往往在地基土承擔(dān)的荷載已經(jīng)接近或達(dá)到設(shè)計(jì)允許值時(shí)進(jìn)行“注漿”。從圖7中可查得最終時(shí)刻樁側(cè)阻力與基樁承載力的比值。例如，主樓在封頂后“注漿”，上部加載已達(dá)80%(也就是模型中Load-5時(shí))，查圖7可得，此時(shí)樁側(cè)合力為負(fù)摩阻力,基樁下拉荷載約占樁承載力的15%，在可控剛度樁筏基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)中，單樁承載力特征值Ra考慮負(fù)摩阻力的影響，可以取0.85Ra值進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3 樁間距對(duì)可控剛度樁筏基礎(chǔ)負(fù)摩阻力的影響

不同樁間距對(duì)可控剛度樁筏基礎(chǔ)負(fù)摩阻力的影響，模型參數(shù)如表2所示。

表2 不同樁間矩模型參數(shù)

圖8為3個(gè)模型的樁側(cè)摩阻應(yīng)力沿樁身的變化。從圖8中可以看出，隨著樁間距從4d增大到6d，負(fù)摩阻力中性點(diǎn)位置不斷上移，樁側(cè)負(fù)摩阻應(yīng)力減小，負(fù)摩阻力合力也相應(yīng)變小。因此，群樁效應(yīng)對(duì)單樁負(fù)摩阻力影響不可忽略。而且，即使樁間距達(dá)到6d，建立僅考慮單樁負(fù)摩阻力效應(yīng)的力學(xué)模型進(jìn)行分析，不計(jì)群樁之間相互作用，計(jì)算結(jié)果也不符合實(shí)際的受力情況。因此，對(duì)群樁承臺(tái)下的單樁負(fù)摩阻力計(jì)算，有必要通過建立有限元模型進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算，結(jié)合數(shù)值分析結(jié)果對(duì)單樁力學(xué)模型進(jìn)行適當(dāng)修正，以得到較為準(zhǔn)確簡(jiǎn)便的負(fù)摩阻力計(jì)算公式，用于指導(dǎo)設(shè)計(jì)。

圖8 不同樁間距樁側(cè)摩阻應(yīng)力

4 樁徑對(duì)可控剛度樁筏基礎(chǔ)負(fù)摩阻力的影響

不同樁徑對(duì)樁側(cè)摩阻力影響的模型參數(shù)如表3所示。

表3 不同樁徑模型參數(shù)

圖9繪制的是3種樁徑中樁樁側(cè)摩阻應(yīng)力沿樁身的分布情況，隨著樁徑的減小，負(fù)摩阻力中性點(diǎn)位置上移。

圖9 不同樁徑中樁樁側(cè)摩阻應(yīng)力

其中，模型[d=1.0 m]和模型[d=1.5 m]側(cè)摩阻應(yīng)力沿樁身分布趨勢(shì)基本一致。中性點(diǎn)以上，負(fù)摩阻力先是由小逐漸增大，大約在樁頂以下1m處達(dá)到負(fù)摩阻應(yīng)力的最大值，然后逐漸減小，中性點(diǎn)位于樁長(zhǎng)0.77～0.81倍位置處。在中性點(diǎn)以下，正摩阻應(yīng)力不斷增大，直至樁底。

模型[d=0.6 m]側(cè)摩阻應(yīng)力沿樁身的分布趨勢(shì)則有所不同。在樁頂處向下至中性點(diǎn)，負(fù)摩阻應(yīng)力不斷減小，中性點(diǎn)位置大約位于樁長(zhǎng)0.40倍位置，相對(duì)模型[d=1.0m] 和[d=1.5m]上移。

圖10 不同樁徑樁側(cè)摩阻合力

樁側(cè)摩阻應(yīng)力的整體作用反應(yīng)為樁側(cè)摩阻合力，如圖10所示，體現(xiàn)的變化趨勢(shì)相同點(diǎn)為：第一階段均樁側(cè)受到的都是負(fù)摩阻力，且隨著加載進(jìn)行逐漸加大；第二階段開始，負(fù)摩阻力逐漸減小，甚至轉(zhuǎn)變?yōu)檎ψ枇Α?/p>

模型[d=0.6 m]、模型[d=1.0 m]、模型[d=1.5 m]第一階段結(jié)束時(shí)，樁側(cè)摩阻力分別為-2719 kN、-6326 kN、-9823 kN；加載結(jié)束時(shí)則分別為6304 kN、2318 kN、-2158 kN?？梢钥吹?，樁徑越大，負(fù)摩阻力也越大。在可控剛度樁筏基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中，常采用大直徑灌注樁，其樁側(cè)負(fù)摩阻力影響更應(yīng)該引起足夠重視。

5 工程實(shí)例

利用有限元軟件ABAQUS建立如圖11～圖12所示的當(dāng)代·天境B棟樓的數(shù)值分析模型。

圖11 數(shù)值計(jì)算整體計(jì)算模型

圖12 基礎(chǔ)模型示意圖

主樓下筏板厚度2 m，樁徑為1 m，剛度調(diào)節(jié)器厚度0.15 m，樁長(zhǎng)9.85 m。

根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告，模型中基礎(chǔ)底板以下3層巖土體，分別為⑥殘積砂質(zhì)粘性土、⑦全風(fēng)化花崗巖、⑧強(qiáng)風(fēng)化花崗巖。樁端進(jìn)入持力層⑦全風(fēng)化花崗巖1m。

依據(jù)當(dāng)代·天境現(xiàn)有的地質(zhì)勘察報(bào)告和上部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)文件，設(shè)置模型參數(shù)如表4所示，樁和筏板材料參數(shù)同表1。

表4 當(dāng)代·天境模型參數(shù)

基樁樁頂?shù)膭偠日{(diào)節(jié)器軸向剛度值約為12 000kN/m[6]。模型中的剛度調(diào)節(jié)器厚度為0.15m，半徑為0.5m，因此其彈性模量E為：E=KL/A=22.9 MPa。

圖13 樁側(cè)摩阻力

圖13為中樁、邊樁和角樁的樁側(cè)摩阻應(yīng)力沿樁身變化。中樁和邊樁的樁側(cè)摩阻應(yīng)力變化規(guī)律相似，隨著樁身向下，負(fù)摩阻力先緩慢增大，而后減小為零，負(fù)摩阻應(yīng)力中性點(diǎn)位于0.4倍樁身長(zhǎng)度，從樁身中性點(diǎn)往下至樁端，負(fù)摩阻應(yīng)力迅速增大為60kPa；角樁樁側(cè)摩阻應(yīng)力由樁頂-18.6 kPa沿樁身向下逐漸減小為零，而后增大至72.1 kPa，中性點(diǎn)相對(duì)于邊樁和角樁偏上，位于0.3倍樁身長(zhǎng)度[5]。

當(dāng)代·天境是較早應(yīng)用可控剛度樁筏基礎(chǔ)新技術(shù)項(xiàng)目。當(dāng)時(shí)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)并不多，且理論研究也處于初步水平，負(fù)摩阻力取值，規(guī)范也沒有相關(guān)計(jì)算公式。在設(shè)計(jì)時(shí)，考慮負(fù)摩阻力的影響，對(duì)基樁承載力特征值Ra適當(dāng)折減，取0.8Ra。在主樓封頂后進(jìn)行“注漿”，當(dāng)時(shí)上部加載約為80%。通過查圖7(樁長(zhǎng)同為10 m)可得，基樁下拉荷載約占樁承載力的15%，可以取0.85Ra進(jìn)行設(shè)計(jì)，驗(yàn)證了當(dāng)時(shí)設(shè)計(jì)的合理性。

該工程在基礎(chǔ)筏板澆筑前埋設(shè)了大量樁頂力傳感器和基底土壓力傳感器，自2010年12月15日開始至2012年7月工程竣工交付使用，共歷時(shí)一年半進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試工作?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)試工作全方位，主要內(nèi)容包括建筑物沉降觀測(cè)、基底土壓力觀測(cè)和樁頂反力監(jiān)測(cè)等，均滿足設(shè)計(jì)要求。目前使用情況良好。

6 結(jié)語

可控剛度樁筏基礎(chǔ)的工作機(jī)理決定其樁側(cè)會(huì)受到負(fù)摩阻力作用。樁身上部一定范圍處于負(fù)摩阻力狀態(tài)，應(yīng)引起注意。

(1) 對(duì)于可控剛度樁筏基礎(chǔ)樁側(cè)負(fù)摩阻力的討論，是基于樁長(zhǎng)為10m的情況，得到中性點(diǎn)位于樁頂以下約0.4～0.8倍樁長(zhǎng)位置，并隨著加載不斷沿樁身往上移，中性點(diǎn)處樁身軸力最大。在加載過程中，可控剛度樁筏基礎(chǔ)大部分處于負(fù)摩阻力狀態(tài)，基樁下拉荷載約占樁承載力的15%，在工程設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮其對(duì)樁身承載力的影響。

同時(shí)應(yīng)當(dāng)注意到，樁長(zhǎng)不同的情況，尤其是樁長(zhǎng)相對(duì)較長(zhǎng)時(shí)，地基土的受荷變形主要體現(xiàn)在表層一定深度內(nèi)，因此其樁側(cè)負(fù)摩阻應(yīng)力的影響范圍相對(duì)有限，對(duì)于不同樁長(zhǎng)的樁側(cè)摩阻力的特性有待進(jìn)一步研究。

(2)變剛度時(shí)間對(duì)最終樁側(cè)摩阻力大小的影響不可忽略，隨著“注漿”時(shí)間的推遲，樁側(cè)正摩阻力的發(fā)揮也相對(duì)“滯后”，負(fù)摩阻力的作用不斷增大。

(3)隨著樁間距的增大，負(fù)摩阻力中性點(diǎn)位置不斷上移，樁側(cè)負(fù)摩阻應(yīng)力減小，負(fù)摩阻力合力也相應(yīng)變小。當(dāng)徑距比較小時(shí)，群樁效應(yīng)對(duì)于單樁負(fù)摩阻力的影響不可忽略。

(4)樁徑越大，負(fù)摩阻力也越大。在可控剛度樁筏基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中，常采用大直徑灌注樁，其樁側(cè)負(fù)摩阻力的影響更應(yīng)該引起足夠重視。

(5)分析表明樁身上部一定樁長(zhǎng)范圍內(nèi)存在較大負(fù)摩阻力，該負(fù)摩阻力大小和范圍與剛度調(diào)節(jié)器的剛度、樁周土的力學(xué)性質(zhì)、樁長(zhǎng)以及樁端持力層的力學(xué)性能等因素有關(guān)，但尚難準(zhǔn)確計(jì)算，該負(fù)摩阻力對(duì)可控剛度樁筏基礎(chǔ)工作機(jī)理的影響程度，尚需要進(jìn)一步深入研究。