全取代再生混凝土人工挖孔樁豎向承載特性數(shù)值模擬研究

石振慶 李孝雄 傅林森

（滁州學院土木與建筑工程學院 安徽滁州 239000）

混凝土的抗壓強度是混凝土力學性質(zhì)中最基本的指標，國內(nèi)外學者對再生混凝土抗壓強度方面開展了較多研究。在相同配比下再生混凝土的抗壓強度比普通混凝土的抗壓強度提高了2%～20%[1]，但抗壓強度的提高受水灰比影響，當水灰比較低時，再生混凝土強度低于普通混凝土，水灰比高時，得出了相反的結(jié)論[2]。當粗骨料的取代率為50%時，再生混凝土構(gòu)件的抗疲勞性能高于普通混凝土[3]，且GAndreu利用取代率為100%再生骨料配置了強度超過60MPa的再生混凝土[4]。再生混凝土的抗壓強度結(jié)論差異性較大，對于再生混凝土的抗壓強度是否大于普通混凝土褒貶不一，其主要原因是由于再生混凝土中粗骨料離散性較大，不同的廢棄混凝土原強度不一致。

隨著超高層建筑的大規(guī)模建設(shè)，對基礎(chǔ)的承載特性的要求也不斷提升，由于樁基礎(chǔ)可達到較高的承載力，沉降小，此外還含有良好的穩(wěn)定性，故而在工程領(lǐng)域獲得較為廣泛的多方位應(yīng)用[5-7]。學者邢皓楓[8]曾經(jīng)借助于某特定數(shù)值模擬軟件，針對存在于復(fù)雜地質(zhì)條件下的人工挖孔樁所表現(xiàn)的受力特征，展開一系列深入分析，由此得知樁附近土層提供的摩阻力，往往與荷載值等參數(shù)息息相關(guān)，而若某樁長度較大，則此時需要對其上覆土含有的側(cè)摩阻力進行綜合考量。學者Vesic[9]曾經(jīng)提出：若樁身和土體彼此間呈現(xiàn)的相對位移量保持恒定，則必將有助于樁身產(chǎn)生較高的摩擦力，并承擔源自上部的荷載。學者Rowe[10]等基于彈性理論，研究出適合在無沉渣條件下計算嵌巖樁所含承載力的科學方法，能獲得完全滿足設(shè)計標準的沉降量值，然而，此類方法可能會受到來源于實際因素的種種局限。學者Williams[11]等針對樁身與樁端摩擦力彼此間呈現(xiàn)的關(guān)系曲線進行研究，并由此提出創(chuàng)新性的荷載設(shè)計方案。數(shù)值模擬計算全取代混凝土樁基礎(chǔ)的豎向承載特性，能更加全面的考慮各因素對樁基礎(chǔ)承載力的影響程度。本文借助試驗手段研究全取代再生混凝土的力學性能，并結(jié)合混凝土人工挖孔樁現(xiàn)場靜載試驗修正數(shù)值模擬的結(jié)果，基于上述研究成果，通過數(shù)值模擬系統(tǒng)探索全取代再生混凝土人工挖孔樁的豎向承載特性。

一、全取代混凝土抗壓強度試驗

試驗中采用的粗骨料來自于城市改造中的廢棄混凝土，經(jīng)過破碎、剔分和去除雜質(zhì)等工序，最后使骨料粒徑小于40mm，并設(shè)置一組對比試驗，具體配比見表1所示。

表1 試驗配合比

經(jīng)過攪拌、澆筑、標準養(yǎng)護等一系列操作后，依據(jù)《普通混凝土力學性能試驗方法》（GB/T50081-2016）及《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》（GB/T50082-2009）開展立方體抗壓強度試驗與彈性模量試驗。試驗結(jié)果見表2所示。

表2 混凝土抗壓強度及彈性模量

由表2可知，當混凝土中石子全部由再生混凝土替代時，混凝土強度及彈性模量均有所下降，但變化較小。其主要原因是再生骨料孔隙率較高，在承受軸向應(yīng)力時容易形成應(yīng)力集中現(xiàn)象，且再生骨料與新舊砂漿之間的過渡區(qū)結(jié)合力較小。

二、試驗樁

為了分析數(shù)值計算模型與計算參數(shù)的合理性，選取滁州市某地區(qū)人工挖孔樁的靜載試驗成果對上述數(shù)值計算模型與計算參數(shù)進行對比驗證。

（一）工程及地質(zhì)概況。工程樁樁長20m，樁徑1.0m，樁身材料為C35混凝土。其工程地質(zhì)情況見表3。

表3 工程地質(zhì)情況

粘土粘土含砂粘土強風化砂巖22.7 27.7 22.1/19.7 19.1 19.8/0.681 0.801 0.660/116.2 67.1 100.5/21.9 17.2 25.1/10.8 7.8 11.6 5.26 7.96 7.07 9.02

（二）模型建立與計算參數(shù)。建立模型樁長20m，樁徑1.0m的樁基，與實際工程吻合。土層共分5層，土層參數(shù)及厚度與實際情況一致。

（三）p-s曲線計算結(jié)果對比。數(shù)值模型計算出的P-S曲線與樁基靜載試驗P-S曲線對比如圖1所示。

圖1 數(shù)值模擬與靜載試驗P-S曲線對比

從圖1可以看出：采用上述數(shù)值計算模型對滁州地區(qū)全取代混凝土人工挖孔樁進行模擬，得到的樁基P-S曲線與樁基靜載試驗得到的P-S曲線形態(tài)相似，吻合度好，能夠反映樁基礎(chǔ)在豎向荷載作用下的承載特性，因此，采用有限元軟件對樁基礎(chǔ)承載特性進行研究是可行的。

三、有限元分析

（一）幾何模型建立。在挖孔樁工程設(shè)計研究中，運用邁達斯軟件，采取位移法的有限元程序，建立三維模型。樁四周及其底端與土體都發(fā)生作用，為半無限空間體，采用三維空間模型對樁底的豎向承載特性分析，并對樁側(cè)土體通過線形梯度進行單元劃分，巖土體采用摩爾-庫倫本構(gòu)模型，樁體采用彈性本構(gòu)模型。模型剖面圖如圖2所示，假定計算模型為無限半空間體，并在模型四周土體及其底部施加X、Y、Z方向上的邊界約束，對樁頂施加分級荷載，如圖3。加載過程中的軸力及側(cè)摩阻力云圖如圖4、圖5所示。

圖2 樁基有限元模型

圖3 模型邊界條件

圖4 軸力云圖

圖5 側(cè)摩阻力云圖

（二）方案分析。為研究在不同樁長、不同樁徑下樁基承載力的變化規(guī)律以及樁側(cè)阻力與樁端阻力的變化規(guī)律，本數(shù)值模擬中分析方案如下：1.設(shè)定樁徑為1m，同時將樁長逐一設(shè)定為16m、17m和18m，并在樁頂施加強制位移0.04m，分級加載10次。2.設(shè)定樁長為16m，同時將樁徑設(shè)定為1m、1.2m、1.5m，在樁頂施加強制位移0.04m，分級加載10次。

（三）結(jié)果分析。

1.樁長對樁基豎向承載特性的影響分析。數(shù)值模擬中，隨著施工推進，樁長改變時的樁基P-S曲線變化如圖6所示（軸力負值表示方向向下，下同）。

圖6 樁長改變的樁基P-S曲線

（1）P-S曲線規(guī)律分析（見圖6）。

由圖6可見：隨著荷載增加，樁基P-S曲線趨于平緩，無顯著破壞特征點。在同一位移時，樁長越長豎向荷載越大。此外P-S曲線平緩的位置不同。

（2）樁豎向承載力變化規(guī)律分析。根據(jù)《建筑樁基檢測技術(shù)規(guī)范》判定基礎(chǔ)極限承載力。結(jié)合樁基P-S曲線圖分析得出樁徑1m樁長16m、17m、18m分別對應(yīng)的承載力，如表4。因此，樁長對全取代再生混凝土人工挖孔樁的承載特性影響較大，樁長越長樁的承載能力越大。

表4 樁長改變下樁的極限承載力

（3）樁側(cè)阻力與樁端阻力變化規(guī)律分析。繪制樁側(cè)樁端阻力柱狀圖，可以看出極限條件下，頂端位移控制量為40mm時，樁長越深側(cè)阻力和樁端阻力也會越大。但樁側(cè)阻力占總阻力比樁端阻力多。如圖7所示。

圖7 樁側(cè)樁端阻力柱狀圖

根據(jù)圖7可以得出，當樁長為16m時，樁側(cè)阻力849.68kN約占總阻力65.9%，樁端阻力約占34.1%。樁長17m時，樁側(cè)阻力867.83kN約占總阻力64.2%，樁端阻力約占35.8%，樁長18m時，樁側(cè)阻力1053.23kN約占總阻力63.9%，樁端阻力約占36.1%。

分析得出：當逐步提高樁頂荷載，樁側(cè)阻力將顯著攀升，而樁端阻力無顯著作用，僅緩慢增長。不僅如此，當樁長越長時，其可達到的極限承載力也隨之增長，而如果頂端荷載保持一致，則兩種阻力均會由于嵌入深度的提高而隨之增長。

2.樁徑對樁基豎向承載特性的影響分析。數(shù)值模擬中，隨著施工推進，樁徑改變時的樁基P-S曲線見圖8。

圖8 樁徑改變的樁基P-S曲線

（1）P-S曲線規(guī)律分析。由圖8可見：隨著樁徑增加，樁基P-S曲線趨于平緩，無顯著破壞特征點。在同一位移時，樁徑越大豎向荷載越大。

（2）樁豎向承載力變化規(guī)律分析。根據(jù)《建筑樁基檢測技術(shù)規(guī)范》判定基礎(chǔ)的極限承載力。結(jié)合樁基P-S曲線圖分析得出樁長16m樁徑1.0m、1.2m、1.5m，分別對應(yīng)的承載力為1082.38、1161.6、1289.12kN，如表5。因此，樁徑對全取代再生混凝土人工挖孔樁的承載特性影響較大，樁徑越大樁的承載能力越大。

表5 樁徑改變下樁的極限承載力

（3）樁側(cè)阻力與樁端阻力變化規(guī)律分析。極限條件下，頂端位移控制量為40mm時，樁徑越大樁側(cè)阻力和樁端阻力也會越大。但樁側(cè)阻力占總阻力比樁端阻力多，如圖9。

基于圖9將能得知，當樁徑為1.0m時，樁側(cè)阻力642.94kN，約占總阻力59.4%，樁端阻力約占40.6%。樁徑1.2m時，樁側(cè)阻力662.98kN，約占總阻力57.0%，樁端阻力約占43.0%，樁徑為1.5m時，樁側(cè)阻力722.43kN，約占總阻力56.04%，樁端阻力約占43.06%。

圖9 樁側(cè)樁端阻力柱狀圖

分析得出：當逐步提高樁總荷載，樁側(cè)阻力整體占比較高，但樁端阻力占比較低，并逐步增長。不僅如此，當樁徑越高時，其可達到的極限承載力也隨之增長，而如果頂端荷載保持一致，則兩種阻力均會由于樁徑的提高而隨之增長。

四、結(jié)論

全取代混凝土的抗壓強度及彈性模量均小于常規(guī)混凝土。若樁徑保持恒定，則當樁長值較高時，樁基可達到的承載力也會隨之增長。且樁側(cè)阻力作用顯著，端阻阻力發(fā)揮作用較弱。樁長保持恒定，并伴隨著樁徑的提高，則其可達到的極限承載力也將顯著提高，且樁徑相對于樁端阻力而產(chǎn)生的影響更為顯著。