高承臺(tái)樁基豎向沉降及荷載傳遞研究

鄭 巧 魚

(山西省陽泉公路分局盂縣公路管理段，山西 陽泉 045100)

0 引言

樁基具有承載力高、沉降小及抗震等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于橋梁、建筑物基礎(chǔ)、基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)和邊坡防護(hù)工程中，樁基可以將上部荷載傳遞到周圍巖土體和樁端持力層中，可以有效地提高樁基上部結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性[1]。尤其是在群樁基礎(chǔ)中，群樁和單樁基礎(chǔ)的承載力是否是簡單的疊加關(guān)系，群樁樁基的豎向承載力和沉降也是目前工程中廣泛關(guān)注的一個(gè)重要問題[2,3]。

針對(duì)軟土地區(qū)公路鐵路橋梁樁基承載問題，Ilamparuthi等[4]利用數(shù)值模擬與現(xiàn)場試驗(yàn)相結(jié)合的研究方法對(duì)樁基荷載的傳遞機(jī)理、單樁與群樁的沉降量進(jìn)行了深入的研究。楊明輝等[5]基于荷載傳遞法分析了超長樁的荷載傳遞規(guī)律，同時(shí)建立了軟土地區(qū)群樁有效樁長的計(jì)算方法。Tomlinson等[6]根據(jù)樁基周圍土體強(qiáng)度，結(jié)合成層軟土地基在樁基加載過程中排水固結(jié)的影響，提出軟土地基預(yù)處理后樁基的承載力提高值的計(jì)算方法。錢建固等[7]通過離心模型試驗(yàn)對(duì)樁周注漿接觸面的樁側(cè)摩阻力進(jìn)行了深入分析，研究表明樁側(cè)注漿可以顯著提高樁的抗拔剛度。

通過模型試驗(yàn)與數(shù)值模擬對(duì)高承臺(tái)群樁樁基的受荷響應(yīng)以及樁體豎向沉降等進(jìn)行研究，得出了樁周土體固結(jié)對(duì)樁體軸力的影響，同時(shí)分析荷載增加對(duì)樁端沉降的影響，可為后續(xù)的樁基沉降計(jì)算、基樁周土體固結(jié)對(duì)于樁基的影響提供參考。

1 高承臺(tái)樁基沉降計(jì)算方法

現(xiàn)場試驗(yàn)可以得到樁基的真實(shí)沉降數(shù)據(jù)，對(duì)于群樁而言，應(yīng)該考慮樁—土—承臺(tái)之間的相互影響所產(chǎn)生的沉降，所以在計(jì)算高承臺(tái)群樁的豎向位移時(shí)應(yīng)該考慮相鄰樁基的影響。對(duì)于高承臺(tái)樁基礎(chǔ)，由于承臺(tái)地面位于地面之上，上部傳遞的荷載將全部由樁土之間的側(cè)摩阻力與樁端的地基反力來承擔(dān)，由此對(duì)高承臺(tái)樁進(jìn)行受力分析，高承臺(tái)樁基的受力如圖1所示。各個(gè)樁體之間對(duì)上部荷載進(jìn)行一定的分配[8，9]，在剛性承臺(tái)下，各個(gè)樁體受到的荷載是相同的，因此樁基的沉降應(yīng)該與承受的荷載有關(guān)，采用單向壓縮分層總和法計(jì)算土層沉降，并計(jì)入樁身壓縮se，樁基最終沉降量按式(1)、式(2)計(jì)算[10]：

(1)

(2)

2 數(shù)值模擬與模型試驗(yàn)

2.1 模型試驗(yàn)

基于理論分析樁基的豎向沉降量，可通過模型試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，其中模型箱凈空尺寸為長1 500 mm，寬度為700 mm，模型箱高度為1 000 mm(見圖2)。模型試驗(yàn)土層參數(shù)如表1所示，模型實(shí)驗(yàn)中通過百分表測量不同深度處樁周土層的豎向沉降量，應(yīng)變片安裝在樁基左右兩側(cè)，兩個(gè)相鄰應(yīng)變片間距為10 mm，用以監(jiān)測樁基的軸力變化。模型實(shí)驗(yàn)樁體直徑為4 cm，樁長為1 m，樁間距為14 cm。在樁端設(shè)置土壓力盒用以分析樁端反力。實(shí)驗(yàn)加載通過上部和砝碼確定，采用逐級(jí)加載的方式進(jìn)行加載，每級(jí)加載100 N，從100 N逐級(jí)加載到900 N。

表1 模型試驗(yàn)土層參數(shù)

2.2 數(shù)值模擬

本次計(jì)算使用國際通用有限差分軟件FLAC3D，可專門用于巖土工程的變形及受力分析，數(shù)值模擬相關(guān)的參數(shù)見表2。由于模型試驗(yàn)樁體屬于對(duì)稱樁體，因此在數(shù)值模擬過程中為了提高計(jì)算效率，取模型試驗(yàn)的1/4進(jìn)行數(shù)值模擬研究，圖3為數(shù)值模擬模型。其中數(shù)值模擬土層分布與模型試驗(yàn)保持一致，圖3為數(shù)值模擬模型。

表2 土層及樁體參數(shù)

主要分析樁基試驗(yàn)過程中地層及樁應(yīng)力應(yīng)變情況。做出如下假定：

1)土層材料采用理想彈塑性模型，使用摩爾庫侖屈服準(zhǔn)則，采用大應(yīng)變變形模式結(jié)構(gòu)材料均采用線彈性本構(gòu)模型；2)假定地表面和各土層均呈均質(zhì)水平層狀分布；3)不考慮土體的構(gòu)造應(yīng)力場，只考慮自重應(yīng)力場。

3 高承臺(tái)樁基受荷響應(yīng)

3.1 高承臺(tái)群樁Q—S曲線

圖4為模型試驗(yàn)與數(shù)值模擬樁體的Q—S曲線圖，從圖中可以看出在樁尖荷載逐級(jí)增大的情況下，樁體的豎向沉降量明顯增加，而且模型試驗(yàn)實(shí)測的樁尖沉降量稍大于數(shù)值模擬結(jié)果，分析其中的原因是模型試驗(yàn)干擾較大，對(duì)樁體產(chǎn)生一定的擾動(dòng)，導(dǎo)致模型試驗(yàn)樁體的沉降大于數(shù)值模擬結(jié)果。圖5為承臺(tái)荷載從ph1荷載增加到ph9荷載時(shí)樁側(cè)摩阻力變化曲線，其中ph1對(duì)應(yīng)承臺(tái)加載到100 N，ph9對(duì)應(yīng)承臺(tái)加載到900 N。從圖5中可以看出隨著樁體埋深的增加，樁側(cè)摩阻力逐漸增大，但在樁端位置處的樁側(cè)摩阻力減少，分析其中的原因是樁端發(fā)生了刺入破壞，導(dǎo)致樁端附近的側(cè)摩阻力減小。

3.2 樁周土體固結(jié)

圖6為承臺(tái)加載到600 N情況下樁周土層固結(jié)數(shù)值模擬與模型試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比圖，從圖6中可以看出隨著土體固結(jié)時(shí)間的增加，各個(gè)土層的豎向沉降量明顯增大，在固結(jié)超過200 h后土體的固結(jié)速率變慢，土體固結(jié)逐漸趨于穩(wěn)定。圖6b)為數(shù)值模擬樁周土體固結(jié)曲線，對(duì)比模型試驗(yàn)與數(shù)值模擬土體固結(jié)曲線可以看出，模型試驗(yàn)在0.2 m深度處土層的沉降最終穩(wěn)定在1.5 mm左右，數(shù)值模擬0.2 m深度處土層的固結(jié)沉降量為1.5 mm，在0.8 m埋深位置處模型試驗(yàn)土體的固結(jié)沉降量為4.5 mm，而數(shù)值模擬的結(jié)果為2.8 mm，模型試驗(yàn)沉降值稍大于數(shù)值模擬。

3.3 樁體力學(xué)響應(yīng)

圖7為數(shù)值模擬與模型實(shí)驗(yàn)樁基在豎向加載后軸力隨深度和固結(jié)時(shí)間的變化曲線，對(duì)模型實(shí)驗(yàn)加載后1 d～10 d的樁基軸力進(jìn)行監(jiān)測，樁體承臺(tái)加載600 N。從圖7a)可以看出模型試驗(yàn)中樁基的軸力隨著埋深是先增大后減小，在樁基埋深為0.5 m時(shí)，樁體的軸力達(dá)到最大值。模型試驗(yàn)槽內(nèi)土體達(dá)到固結(jié)1 d后樁體的最大軸力為210 N，在土體固結(jié)10 d后，樁體的最大軸力增長到260 N，說明隨著固結(jié)天數(shù)的增長，樁體的軸力也出現(xiàn)了顯著的增長，分析其中的原因是隨著固結(jié)天數(shù)的增加，土體中的孔隙水在樁端位置處逐漸排出，樁側(cè)土體出現(xiàn)固結(jié)沉降，從而導(dǎo)致施加在樁側(cè)的負(fù)摩阻力逐漸增長，導(dǎo)致樁體的軸力隨著土體固結(jié)天數(shù)的增加而逐漸增長。數(shù)值模擬樁體軸力的變化規(guī)律與模型試驗(yàn)相同，樁體軸力的最大點(diǎn)出現(xiàn)在埋深0.5 m位置處，這與模型試驗(yàn)軸力變化規(guī)律相同，但是模型試驗(yàn)樁體軸力最大值小于模型試驗(yàn)結(jié)果是因?yàn)槟Ｐ驮囼?yàn)在填土和加載過程中土體的初始地應(yīng)力平衡導(dǎo)致的。

模型試驗(yàn)與數(shù)值模擬軸力均在樁體埋深0.5 m位置處達(dá)到最大值，說明該位置為樁體的中性點(diǎn)，在中性點(diǎn)以上位置處樁側(cè)土體對(duì)樁基產(chǎn)生上下的負(fù)摩阻力，從而引起樁基產(chǎn)生附加沉降，同時(shí)隨著土體的排水固結(jié)，導(dǎo)致中性點(diǎn)以上的負(fù)摩阻力逐漸增大，引起樁體軸力逐漸增大。在中性點(diǎn)以下樁周土體對(duì)樁體產(chǎn)生向上的正摩阻力，從而降低了樁體自身的軸力。

圖8a)為ph1為100 N荷載下土體與樁基的豎向位移云圖，從圖8a)中可以看到在100 N加載下樁體與周圍土體的豎向沉降接近，僅在樁端位置處樁體與周圍土體的豎向沉降存在差異，可以看到樁端位置處的沉降量大于周圍土體的沉降，說明在樁端位置處樁體產(chǎn)生了刺入破壞。在荷載增加到ph9為900 N后(見圖8b))，樁端的沉降量顯著大于樁端周圍土體，可以看到兩個(gè)樁體之間的土體出現(xiàn)明顯的豎向位移分層。圖9為樁在不同荷載下樁體的豎向位移曲線，從圖9中可以看出，在ph1加載下樁基的豎向沉降量約-0.1 mm，在樁端位置處樁體的沉降量迅速增加在樁端位置處，樁體的豎向沉降增大到-0.2 mm，說明隨著荷載的增大，樁端刺入到砂土層，在砂土逐漸排水固結(jié)情況下產(chǎn)生的下拽力引起樁端出現(xiàn)大于樁體的豎向沉降。

4 結(jié)論

1)樁基試驗(yàn)是與實(shí)際工作條件最為接近的試驗(yàn)方法，通過模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬對(duì)高承臺(tái)群樁的沉降與受荷響應(yīng)進(jìn)行分析。

2)增加樁周土體的摩阻力也隨之增大，隨著荷載增加樁端土體發(fā)生刺入破壞，樁端土體提供的側(cè)摩阻力逐漸減小。

3)隨著土體固結(jié)時(shí)間的增加，樁基的軸力也逐漸增大，是因?yàn)橥林锌紫端饾u排出引起的。