基于原位測試的樁基水平承載力分析

曹慷峰

摘 要：針對傳統(tǒng)樁基水平承載力分析方法對土體參數(shù)的要求，提出采用巖土工程原位測試中的p-y曲線法對樁基水平承載力進行分析。在軟土地基上對兩根鉆孔灌注樁進行有限元模擬，同時采用p-y曲線對鉆孔灌注樁的水平承載力進行分析，結(jié)果表明：在水平荷載下，p-y曲線法能有效計算樁身水平位移、截面彎矩和土體抗力;p-y曲線計算結(jié)果與有限元數(shù)值模擬結(jié)果具有很高的擬合度，可有效反應不同土質(zhì)下樁基的水平承載力變化。

關(guān)鍵詞：p-y曲線法;原位測試;樁基礎;水平承載力;截面彎矩

中圖分類號：TU473?????? 文獻標識碼：A 文章編號：1001-5922（2022）03-0096-05

Analysis of horizontal bearing capacity of pile

foundation based on in-situ test

CAO Kangfeng

（Shanxi Huaye Survey Engineering Technology Co.， Ltd.， Taiyuan 030002， China）

Abstract：

In view of the high requirements of soil parameters and high cost of traditional pile foundation horizontal bearing capacity analysis method， the p-y curve method based on geotechnical engineering in-situ testing technology is proposed to analyze the horizontal bearing capacity of pile foundation. Through the finite element simulation of two bored piles of a building on soft soil foundation， the results are compared with the results of p-y curve method based on geotechnical engineering in-situ testing technology proposed in this paper. It is proved that the p-y curve method based on in-situ test of geotechnical engineering proposed in this paper can effectively calculate the horizontal displacement of pile body， section bending moment and soil resistance under horizontal load; the calculation results have a high degree of fit with the finite element numerical simulation results， and can effectively reflect the changes of horizontal bearing capacity of pile foundation under different soil conditions.

Key words：

p-y curve method; in-situ test; pile foundation; horizontal bearing capacity; section bending moment

樁基礎是我國較為常見的一種地基形式，因為其穩(wěn)定性好、適應性強和承載力高等優(yōu)點，常用于橋梁、碼頭以及抗震的建設。樁基水平承載力決定了樁基建筑物結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和安全服役性，所以對樁基水平承載力進行有效分析是提升其性能的重要方式。通過建立任意樁身橫截面豎向側(cè)摩阻力產(chǎn)生的附加彎矩計算公式及其影響下的樁身單元受力微分表達式，結(jié)合推導的樁端水平阻力本構(gòu)模型和給定的迭代求解方法，證明了樁側(cè)豎向側(cè)摩阻力所產(chǎn)生的附加彎矩對樁基水平承載力的影響[1];則提出了一種基于改進應變楔模型的大直徑樁基水平承載力的分析方法，證實樁側(cè)摩阻，樁端彎矩和樁端剪力有利于大直徑樁基水平承載能力的發(fā)揮，除樁身抗彎剛度外，樁基尺寸效應是樁側(cè)摩阻，樁端彎矩和樁端剪力3個因素共同作用的結(jié)果[2]。為簡化計算，尋找一種更簡單直觀的樁基水平承載力分析方法，本文嘗試以原位測試技術(shù)出發(fā)，用p-y曲線法分析樁基水平承載力的變化。

1 樁基水平受荷機理

1.1 樁-土相互作用

受水平荷載影響，樁-土相互作用主要分為3個階段。彈性變形階段主要在水平荷載比較低的時候發(fā)生，樁基受循環(huán)荷載，樁基周圍土體變形慢慢穩(wěn)定。將荷載卸除后，土體變形會慢慢恢復到原來的狀態(tài)。在該狀態(tài)下，樁基上部土體提供樁基承受的水平抗力;當荷載持續(xù)增加，樁-土作用逐漸轉(zhuǎn)換至塑性變形階段。此時樁-土水平位移隨著荷載循環(huán)次數(shù)的增加而變大，但每次增加量減小。在該狀態(tài)下，樁基表面的土層出現(xiàn)塑性屈服變形，受水平荷載影響的區(qū)域也逐漸加深;當水平荷載超過表面土層塑性變形極限，出現(xiàn)失穩(wěn)破壞現(xiàn)象，此時樁-土作用徹底轉(zhuǎn)換為失穩(wěn)破壞階段。在該狀態(tài)下，樁基水平位移出現(xiàn)繞曲變形和驟增現(xiàn)象，不能滿足設計要求。

1.2 樁基水平承載特性影響因素

對樁基水平承載力主要影響因素有樁自身強度和土側(cè)強度、埋地深度等。在水平荷載的作用下，樁側(cè)土響應受樁基抗彎剛度影響明顯，因此樁體剛度對水平承載力的影響可用樁-土相對剛度描述。

樁-土位移相對剛度表達式[3]：

T=（EImb0）15

式中：m為土體水平抗力水平比例常數(shù);E為樁的彈性模量;I為樁界面慣性矩;b0為樁界面計算寬度。

通過對T的分析，可將承受荷載的樁分為彈性樁和剛性樁;彈性樁又包括板剛性樁和柔性樁。樁頂受到荷載約束方式不同，破壞形式也有所差異。圖1～圖3為3種樁在自由和嵌固兩種約束方式下的破壞模式。

由圖1～圖2可知，在水平荷載的作用下，受自由約束時，剛性樁樁體以底部某一點為圓心做剛體轉(zhuǎn)動;柔性樁樁體存在兩個位移零點;受嵌固約束時，剛性樁樁體沿荷載防線做平行移動;柔性樁則存在一個位移零點;柔性樁由于樁體下半段嵌固在土體中，因此兩種約束方式下，樁體皆不發(fā)生轉(zhuǎn)動;半剛性樁與柔性樁破壞模式相近（在此不作敘述）。

2 基于原位測試技術(shù)的水平承載力計算方法

2.1 原位測試方式選擇

原位測試技術(shù)的基本原理是在原位狀態(tài)或應力條件下測試巖土性質(zhì)，常用原位測試方式有載荷試驗、靜力觸探試驗和標準貫入試驗[4]。本文選擇靜力觸探試驗，將FFCPT探頭貫入土體中，得到不同深度的土體參數(shù)，結(jié)合國內(nèi)樁基水平承載力常用p-y曲線法，分析樁基水平承載力變化[5]。FFCPT探頭如圖4所示。

2.2 p-y曲線法

經(jīng)典p-y曲線模型樁側(cè)土體抗力和樁身水平位移間的關(guān)系[6]可表示：

ppu=0.5（yy50）13（2）

式中：pu表示樁側(cè)土體水平極限抗力;p表示樁側(cè)單位土體抗力與u深度的函數(shù)關(guān)系;y表示樁身水平位移，這是深度的函數(shù);y50表示樁側(cè)土體抗力達極限值50%時對應的樁身水平位移。

在式（2）中，pu可用下式表示：

pu=NcD（3）

式中：pu表示不排水剪切強度;Nc表示承載力因子;D為樁直徑;

式（3）證實了不排水剪切強度是影響土體極限抗力的重要因素。本文采用經(jīng)驗系數(shù)法解釋Su值。FFCPT探頭貫入土體中后，可對錐尖阻力、側(cè)壁摩阻力、空隙水壓力進行檢測。經(jīng)驗系數(shù)法用錐尖阻力和空隙水壓力估算Su表達式：

Su=qt-u2Ne（4）

式中：qt表示經(jīng)修正錐尖阻力;u2表示錐尖處檢測的空隙水壓力;Ne表示有效圓系數(shù)。

將式（4）修正后，該表達式為：

qt=qc+u2（1-a）（5）

式中：a為探頭凈面積比;其余字母意義與上述公式相同，取值0.8。

若土層孔隙率過高，則需要利用超靜孔隙水壓力估算Su，其表達式為：

Su=u2-u0NΔu（6）

式中：u0表示對應深度的超靜孔隙水壓力;NΔu表示超靜孔壓圓錐系數(shù)。

將上述公式進行整合，則基于原位測試靜力觸探技術(shù)得到的pu計算公式：

pu=NcNe（qt-u2）D

pu=NcNΔu（u2-u0）D（7）

在p-y曲線基礎公式中，y50可通過三軸壓縮試驗得到的ε50計算，兩者在黏土層的關(guān)系：

y50=2.5ε50D（8）

式中：ε50可通過錐尖阻力和超固結(jié)比進行估算，則有：

ε50=0.85qc+OCR-4.5（9）

整合可得基于靜力觸探測試的樁基水平承載特性p-y曲線[7-8]：

p（z）=0.5NcNe（qt-u2）×

y（z）D22.125qt-2.125（1-a）u2+0.5-11.25

p（z）=0.5NcNΔu（u2-u0）×

y（z）D22.125qt-2.125（1-a）u2+2.5-11.25（10）

3 樁基水平承載特性數(shù)值模擬

3.1 工程概況

本試驗選用的工程原型某高層建筑，該建筑以轉(zhuǎn)孔灌注樁形式立于軟土地基上。在建筑前期，根據(jù)靜力觸探試驗結(jié)果劃分土層基本層。探測結(jié)果表明，該地基對應的土層劃分為5層。

（1）表層素填土層：深度約為1 m;土質(zhì)為粉質(zhì)黏土，局部存在植物根莖，物理力學性能分布不均，受荷載后容易出現(xiàn)壓縮現(xiàn)象，無法成為建筑物持力層;

（2）淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層：深度約為2.2 m;土質(zhì)主要為流塑態(tài)淤泥，土層特點為壓縮高強度低;

（3）粉細砂層：深度約為5 m;該層粉細砂級配不良且沙土狀況表現(xiàn)出中密狀態(tài)，壓縮性和強度都表現(xiàn)為中等狀態(tài);無法成為建筑物持力層;

（4）緩沖層：該層主要為上3種土質(zhì)的結(jié)合，深度約為11.8 m;該層受土質(zhì)影響，具備以上3層的特點，剪切強度較低，也不能做為持力層使用;

（5）粉質(zhì)黏土層：深度約為23.9 m;該層土質(zhì)主要以細砂為主，該層細砂飽和且密實，級配不良，局部含有淤泥質(zhì)粉土;強度較高，壓縮性較低，可作為建筑物持力層使用。

3.2 模型的建立

選擇兩根鉆孔灌注樁A和B，兩根樁樁長和直徑分別為35 m和1.2 m;樁身混凝土采用的是C35強度，在內(nèi)部嵌有螺紋鋼筋。為簡化模型，設灌注樁僅嵌入主筋，外部沒有箍筋，樁側(cè)土體為6層，樁身為彈性模型，鋼筋為理想彈塑性模型。輸出截面彎矩是以樁身20 m為分界線，20 m以上，每1 m都設置截面;20 m以下，每5 m設置截面。以樁徑方向10倍的樁徑長度作為樁側(cè)土體，深度為樁側(cè)部分35 m，樁底部分5 m;土體材料本構(gòu)模型為線彈性模型和Mohr-Coulomb模型，具體模型參數(shù)如表1所示[9-10]。

該模型中，采用硬接觸和默認值為接觸模型，罰函數(shù)為切向模型。通過土體內(nèi)摩擦角計算樁-土界面摩擦角，摩擦系數(shù)取0.3。將初始的應力增加在樁和土體上，多層土和本構(gòu)模型參數(shù)不同，對土層上下邊界進行設置。根據(jù)上下邊界土層插值內(nèi)部深度，分別對A、B兩樁模擬增量41 kN和30 kN情況。為避免剛性位移導致結(jié)果不收斂的情況，用固定支座約束底面各方向平移和轉(zhuǎn)動;對水平面上的運動進行約束進而約束土體側(cè)面;該約束接近實際工程情況，因此用該模型計算器承載力結(jié)果較為穩(wěn)定可靠。

3.3 數(shù)值模擬計算結(jié)果對比分析

圖5～圖7分別表示灌注樁A，B在各級水平荷載下樁身水平位移、截面彎矩、土體抗力隨深度變化曲線。由圖5～圖7可知，隨深度的增加，樁身水平變形逐漸減小;截面彎矩表現(xiàn)出先增加后減小的趨勢;土體抗力變化規(guī)律與截面彎矩相同。樁身水平變形在14.5 m上部分較為顯著，在7.5 m左右出現(xiàn)反彎點;A、B兩柱在水平荷載分別為285、180 kN時樁身水平變形增長明顯。樁身截面彎矩隨深度的增加，有反彎點產(chǎn)生;繼續(xù)增加水平荷載，截面彎矩也繼續(xù)增加，此時最大彎矩點朝土體深度發(fā)展。這就說明了主要在上部土體中發(fā)生樁-土相互作用，只增加樁長度無法提高水平承載力。

圖5～圖7數(shù)據(jù)模擬計算結(jié)果為樁側(cè)土體抗力隨樁身水平位移變化趨勢;以地下2、3、5和8 m處結(jié)果與基于原位測試p-y曲線法計算結(jié)果對比，對比結(jié)果如圖8所示。

由圖8可知，兩者具有較高的相似度，且與實際情況相符;這就說明了本文提出的基于原位測試p-y曲線法能對樁基水平承載力進行較為有效的分析。

4 結(jié)語

本文采用巖土工程原位測試p-y曲線法從樁身水平位移、截面彎矩、土體抗力方面對樁基水平承載力進行分析，通過有限元模擬實驗對該結(jié)果進行驗證，得到的具體結(jié)論。

（1）巖土工程原位測試p-y曲線法能有效對樁-土建相互作用進行描述。同時，可對樁身水平位移、截面彎矩、土體抗力進行有效的計算;

（2）有限元模擬結(jié)果表明，基于原位測試p-y曲線法計算結(jié)果與有限元數(shù)值模擬結(jié)果存在很高的相似度，兩者計算結(jié)果與實際工程情況類似，說明本文提出的基于原位測試p-y曲線法能有效分析樁基水平承載力。

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