擴縮徑對灌注樁承載性能影響數(shù)值模擬分析

黎 輝，鄭偉文，朱啟銀，官大庶，3，況聯(lián)飛

（1、中煤江南建設發(fā)展有限公司 廣州 510170；2、中國礦業(yè)大學深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室江蘇徐州 221116；3、廣東水利電力職業(yè)技術學院 廣州 510610）

0 引言

樁基礎作為一種重要的深基礎形式，具有整體性好、承載力高、沉降小和有效改善基礎強度等優(yōu)點，在國家基礎建設中得到廣泛使用。在實際工程中，由于施工技術水平不穩(wěn)定、混凝土和易性差、泥漿密度設計不合理、地層存在未知土層及地下水等不利因素的影響，樁在施工過程中易產(chǎn)生各種各樣的缺陷，而擴徑或縮徑是樁基礎常見缺陷［1-2］。灌注樁出現(xiàn)擴徑或縮徑缺陷，是指在樁長范圍內，部分樁體直徑大于或小于設計直徑［3-5］。擴徑、縮徑缺陷樁的形成多是由于施工失誤、混凝土和易性差、泥漿密度設計不合理或地層存在未知土層及地下水等情況。鉆孔灌注樁鉆進大多采用正循環(huán)或反循環(huán)泥漿護壁，如果泥漿密度過大，孔壁會產(chǎn)生較厚泥皮而縮徑。泥漿密度過小，由于地層強度較低或泥漿護壁失敗，容易因塌孔而擴徑。對于沉管灌注樁，當樁施打完成，澆注混凝土后，如果拔管過快，拔管過程中錘擊次數(shù)不夠，混凝土和易性差，在軟硬交界的土層中，也容易形成縮徑缺陷甚至斷裂［6-8］。

目前，對于缺陷樁基礎承載性狀的研究已引起越來越多的重視。研究發(fā)現(xiàn)，擴徑對樁體承載力影響較小，或在一定程度上增大豎向承載力；縮徑卻相反，隨著縮徑程度加大，樁基豎向承載力急劇減小，如果縮徑出現(xiàn)在樁體淺部，樁體橫向承載力也會減?。?-11］。針對擴徑和縮徑缺陷樁基礎，國內外學術界的研究，無論是實驗觀測還是數(shù)值模擬，均不成熟。此外，對于樁周土體為成層土時含有缺陷樁的樁基礎承載性狀的研究仍然匱乏，樁基工作過程中樁-土相互作用機理的理論尚不成熟，這些問題均有待探討和研究［10］。

粵港澳大灣區(qū)深厚軟土分布廣泛，鉆孔灌注樁施工極易引起樁體缺陷。鑒于此，本文基于珠海橫琴某工程實際樁基設計工況，采用PLAXIS 有限元計算軟件，通過參數(shù)分析研究正常樁、擴徑樁、縮徑樁的豎向承載性狀特點，以及擴縮徑部位所處地層位置對樁體承載性狀的影響規(guī)律。

1 工程概況

某項目位于廣東省珠海市橫琴保稅區(qū)內，總用地面積約4萬m2。項目一期擬建建（構）筑物共6棟超高層（20～42層，100～200 m），主要為辦公樓、酒店及商業(yè)樓，擬采用框架結構、剪力墻結構及框筒結構。

1.1 場地巖土層分布特征

根據(jù)巖土工程勘察報告和詳勘資料，場地鉆孔表明，地面以下依次為人工填土層、20～28 m厚的淤泥和淤泥質土層、約20 m厚的粉質粘土層、砂質粘土層、全風化石英二長閃長巖、強風化石英二長閃長巖、中風化石英二長閃長巖層。其中淤泥層呈流塑狀，為高壓縮性土，是場地內主要軟土層；粉質粘土層由粘土及少量粉砂組成，呈可塑～硬塑狀。各土層厚度差異較大，其物理力學性質差別也較大，場地地基綜合判定為不均勻地基。

1.2 場地工程地質評價與樁基設計情況

場地工程地質條件評價為一般～較差，需采用適當?shù)幕A型式或地基處理后方可作建筑場地。綜合地層條件與擬建建（構）筑物荷載特點、經(jīng)濟性及當?shù)毓こ探?jīng)驗，本工程基礎類型最終選用旋挖灌注樁，為摩擦端承樁，樁端持力層為中風化石英二長閃長巖層號。

鉆孔灌注樁設計樁徑1.2 m，樁長48～95 m，樁身混凝土強度為C40。但實際施工中由于工程地質復雜，深厚淤泥分布廣且厚度變化幅度大，實際施工樁長最大接近100 m，部分樓棟平均樁長90 m，施工難度極大，極易產(chǎn)生樁基礎缺陷問題。

2 數(shù)值建模

2.1 正常樁模型概況

基于實際地層條件，采用PLAXIS 2D 軟件對正常直徑無缺陷單樁進行建模，鉆孔灌注樁樁長84.6 m，樁體直徑1.2 m，嵌入中風化巖層0.6 m。樁體和土層單元情況如圖1?所示，幾何模型為軸對稱，對稱軸沿著樁土中軸，樁土和土體均采用15 節(jié)點單元模擬，模型總單元數(shù)為1 429，節(jié)點數(shù)為12 099。

樁體周圍設置界面單元，模擬樁和土體的相互作用。每個界面單元有一個“虛擬厚度”，用來定義界面材料性質的假想尺寸，虛擬厚度等于虛擬厚度因子乘以平均單元尺寸，平均單元尺寸取決于二維網(wǎng)格生成的整體粗疏度設置，虛擬厚度因子默認值為0.1，樁體和土體的相互作用，通過給界面選取合適的界面強度折減因子的值來模擬，該因子把界面強度和土體強度聯(lián)系在一起。整個模型選用標準固定邊界。

樁端與土的接觸界面向下延伸1 m，如圖1?所示，以免樁體材料剛性過大而在角部引起應力和應變集中，使模型計算結果超出實體單元表示能力范圍而產(chǎn)生應力的非物理震蕩。延長界面并不模擬土體-結構間的相互作用，界面強度折減系數(shù)設置為剛性。

圖1 正常樁網(wǎng)格劃分及樁端角點處理Fig.1 Mesh for Normal Pile

2.2 擴徑和縮徑樁模型

對含有擴徑、縮徑的缺陷樁基礎進行數(shù)值建模，缺陷樁長與正常樁相同，如圖2 所示。缺陷位置為距地面20 m處，所處地層為淤泥質黏土層。缺陷長度為2 m。擴徑處樁徑為2 倍正常樁直徑，縮徑處樁徑為0.5 倍正常樁樁徑。為增加對比，模型對缺陷位置距地面40 m（所處地層為粉質黏土層）的擴縮徑樁進行了模擬，研究擴縮徑所在地層差異對樁基承載特性的影響。擴縮徑樁與土的接觸面設置與前述正常樁模型相同。

圖2 擴徑樁和縮徑樁尺寸示意圖Fig.2 The Size for Expansion and Necking Pile（m）

2.3 模型參數(shù)設置

數(shù)值分析中，土體采用摩爾庫倫強度破壞準則，根據(jù)勘察報告結合工程經(jīng)驗，土層參數(shù)取值如表1所示。樁體參數(shù)采用線彈性模型，彈性模型3.25×107kPa，泊松比為0.2，重度為25 kN/m3。計算分析由2 個計算步完成：第一步生成樁；第二步通過激活樁頂荷載給樁施加豎向應力。采用逐級加載法計算不同樁頂荷載下的樁體位移和應力分布特征。

表1 土層參數(shù)Tab.1 Material Parameters for the Soil Layers

3 結果分析

3.1 Q-s曲線分析

淤泥層擴縮徑樁、正常樁荷載-沉降關系如圖3?所示，可以看出縮徑缺陷樁的極限承載力與正常樁并無太大差異。擴徑樁的承載力稍有增加，說明擴徑段樁體在承載過程中發(fā)揮了一定的端阻作用，提高了樁基承載力，但提高的承載力值較小。擴縮徑樁和正常樁承載力計算值與單樁原位測試值相差不大。

粉質黏土層擴縮徑樁和正常樁荷載-沉降關系如圖3?所示?？梢钥闯?，縮徑樁的極限承載力同樣與正常樁無差異，而擴徑樁的承載力提高較為明顯，可以理解為粉質黏土層土體抗剪強度優(yōu)于淤泥層。

圖3 不同缺陷地層擴縮徑樁和正常樁荷載-沉降關系曲線Fig.3 Load-settlement Relationships for Different Piles at Different Soil Layers

淤泥層和粉質黏土層中擴徑和縮徑樁的荷載-沉降特征如圖4所示，如前所述，粉質黏土層中擴徑樁承載力相對于淤泥地層有顯著的提升。粉質黏土層中縮徑樁承載力增加不大?？赡艿脑驗闃犊s徑部位周圍為強度較低的松散雜土，而雜土切向彈性系數(shù)很低，且法向位移為拉開的趨勢，使該部位樁側摩阻力極低，從而使縮徑部位承擔的荷載減小。

圖4 地層影響擴縮徑樁荷載-沉降關系Fig.4 The Influence of Soil Layers on the Load-settlement Relationship

3.2 樁身軸力分析

正常樁和缺陷樁在不同樁頂荷載作用下的樁身軸力響應如圖5?所示。樁的軸向荷載傳遞為自上而下逐漸減小，呈平滑曲線分布，隨著樁頂荷載的增大，樁身下部軸力減小明顯，說明樁基下部承受更大的樁側阻力，淤泥地層對承載力貢獻較低。擴徑樁在樁頂荷載逐漸增大過程中樁身軸力分布特性如圖5?所示，可以看出，樁的擴徑部位應力減小。

縮徑樁的軸向應力分布曲線如圖5?所示，縮徑部位樁軸向應力急劇增大，當樁頂荷載僅為6 000 kN時，縮徑部位的樁軸應力即達到24 MPa；而當樁頂荷載加載至36 000 kN 時，縮徑部位的樁軸應力達到144 MPa，遠將超過混凝土材料的抗壓強度，從而樁基縮徑部位實際工程經(jīng)常出現(xiàn)的斷裂情況。因此，縮徑樁更應關注其應力集中問題。

圖5 不同加載階段樁身應力Fig.5 Stress Distribution of Pile at Different Loading Stages

4 結語

⑴擴徑樁的擴徑部位受樁身面積增大作用使得軸向應力減小。擴徑能夠提高樁基承載力，但提高的程度受擴徑周圍土體影響，粉質黏土層擴徑樁承載力明顯大于淤泥地層。

⑵ 縮徑樁的極限承載力與正常樁并無太大差異?？s徑樁在縮徑部位受樁身面積減小作用使得軸向應力急劇增大，從而極易引起樁身材料承載力破壞，需重點關注缺陷位置應力集中現(xiàn)象。而本文樁基礎的材料模型為線彈性模型，并不能體現(xiàn)縮徑樁在縮徑部位發(fā)生斷裂的現(xiàn)象。

⑶樁身缺陷部位所處地層差異影響樁基承載力特性。擴徑缺陷位于粉質黏土層時，其承載力優(yōu)于淤泥地層。由于縮徑部位周圍為強度較低的松散雜土，地層特征對縮徑樁的承載力影響較小。