基于PLAXIS 3D望天獅排澇站變截面樁基承載力分析

黃偉斌 清遠(yuǎn)市水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司

樁基礎(chǔ)是一種常用的深基礎(chǔ)形式,由基樁和連接于樁頂?shù)某信_(tái)共同組成，用于將結(jié)構(gòu)荷載傳遞到地下一定深度的土壤中[1-3]，此外樁基礎(chǔ)還能提高土壤承載力，避免橫向荷載和防止土體不均勻沉降等作用，因此廣泛應(yīng)用于巖土工程中[4-5]。

本文為研究不同樁截面類(lèi)型對(duì)樁基軸向承載力的影響，以望天獅排澇站為例，使用PLAXIS 3D對(duì)傳統(tǒng)圓形、方形和變截面錐形樁段進(jìn)行建模分析，研究了截面幾何形狀對(duì)實(shí)心樁和空心管樁性能的影響。研究結(jié)果可為相關(guān)工程提供參考。

1.工程概況

清新區(qū)望天獅排澇站地處清遠(yuǎn)市清新區(qū)濱江河飛水大橋西北面，區(qū)域?qū)儆谥槿潜本?，山區(qū)與平原接觸部位。工程區(qū)地形較平坦，高差變化不大，交通方便，自然地面高程10.0～18.0m左右，河床高程約10.00m左右。地層分布主要為堤身填土，第四系沖積層粉質(zhì)粘土、淤泥質(zhì)土、粗砂和卵石等，下伏基巖為泥盆系砂巖。本區(qū)地處嶺南山系南緣，屬亞熱帶氣候，雨量充沛，水系發(fā)育，河流切割密度大，呈樹(shù)枝狀分布。因此北江為區(qū)內(nèi)最低排泄基準(zhǔn)面，地表大小溪、溝、湖水均流入北江。望天獅排澇站屬一級(jí)沖積階地，地形較平坦，地面高程一般在10～18m，沿河流中間多發(fā)育河漫灘，兩岸多為岸坡。一級(jí)階地主要由第四系沖積層粉質(zhì)粘土、淤泥質(zhì)土、中粗砂和卵石等，下伏基巖為泥盆系砂巖。

2.變截面樁尺寸

本文主要研究變截面樁尺寸參數(shù)對(duì)地基土中樁的軸向承載力的影響，參數(shù)包括樁的橫截面、截面類(lèi)型（空心和實(shí)心）。分析時(shí)選擇典型的圓形截面作為對(duì)比截面，同時(shí)對(duì)正方形和不同（錐形）截面進(jìn)行了研究。圖1中給出了不同截面樁的尺寸，其中D代表圓形截面樁的直徑，B代表樁基上部正方形截面邊長(zhǎng)，而b代表樁基下部正方形截面邊長(zhǎng)。變截面樁和圓形樁尺寸的選擇取決于前人進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)研究。

圖1 不同截面樁的尺寸

3.數(shù)值模型及計(jì)算參數(shù)

本研究采用三維有限元程序PLAXIS對(duì)樁基進(jìn)行建模，如圖2所示，土的變形采用摩爾庫(kù)倫硬化土模型，網(wǎng)格劃分為三角形劃分技術(shù)。地表和地下水位之間的距離為1.5m，模型寬25m，長(zhǎng)25m，高22.4m，但為了數(shù)值穩(wěn)定性，建模時(shí)尺寸縮小一倍。模型場(chǎng)區(qū)內(nèi)覆蓋層自上而下依次為：（1）人工填土，層厚2.80m，呈土黃色、灰色，土質(zhì)粘性稍好，由粉質(zhì)粘土及砂礫等堆填而成，局部夾石塊和混凝土塊，稍濕，結(jié)構(gòu)松散；（2）粉質(zhì)粘土，層厚5.30m，為灰黃、褐黃、淺紅色等，可塑，呈花斑狀，切面光滑，粘性一般～較好，含少量粉細(xì)砂；（3）淤泥質(zhì)土：層厚8.60m，為深灰、灰黑色，飽和，流塑，含少量有機(jī)質(zhì)及粉細(xì)砂，局部含腐木質(zhì)；（4）粗砂：層厚0.90m，為淺灰色、灰白色，含泥質(zhì)約3%，砂質(zhì)為石英，分選性較好，下段0.2m為含淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土，飽和，呈稍密狀；（5）卵石，4.80m，為雜色，含泥質(zhì)約3%，局部夾粉質(zhì)粘土，含砂礫約20%～30%，碎石質(zhì)以砂巖質(zhì)為主，粒徑一般為2～10cm，飽和，呈中密狀。

圖2 樁基數(shù)值建模

地基土的破壞模型采用硬化土模型，該模型使用塑性而非彈性原理使用土壤剪脹性，并引入屈服極限。樁帽采用板單元建模，由三角形單元組成，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有6個(gè)節(jié)點(diǎn)和3個(gè)平移自由度（ux、uy和uz）。邊界條件為地基和左右兩側(cè)水平約束，底部邊界水平和豎向全約束，地基表面為自由面。此外，混凝土樁與地基結(jié)構(gòu)之間采用接觸單元，切向摩擦系數(shù)為0.9，法向采用硬接觸，計(jì)算用對(duì)稱分析方法?；炷翗稙榫€彈性樁材料，因此采用線彈性模型。荷載施加為在樁帽中心施加了0.5噸（5kN）的垂直點(diǎn)荷載。荷載值是在反復(fù)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上選擇的，以確保所有樁都能達(dá)到其承載力。表1為本次計(jì)算參數(shù)。

表1 數(shù)值計(jì)算參數(shù)

4.數(shù)值結(jié)果分析

4.1 非變截面樁荷載位移變化

圖3給出了實(shí)心和空心圓形和方形非變截面樁的荷載-位移曲線結(jié)果。由圖可知，對(duì)于圓形截面，實(shí)心截面的極限軸向承載力為1622N，空心截面的極限軸向承載力為837N，因此實(shí)心圓形截面的極限承載力明顯高于空心圓形截面。此外，方形實(shí)心截面和空心截面的軸向承載能力分別為2132N和1562N，顯著高于圓形截面。因此與實(shí)心圓形和方形截面相比，空心圓形和方形截面的軸向承載力最低，同時(shí)方形樁基礎(chǔ)的承載力遠(yuǎn)大于圓形樁承載力。這是由于，方形樁外表面積大且成方型或多邊角型，在土層中樁體與土的休止角比圓型的外表大得多，這就意味著方樁比圓形樁在同等地質(zhì)條件下能獲得更大的承載力。

4.2 不同截面尺寸樁基荷載位移變化

圖4和圖5分別給出了所有實(shí)體截面和空心截面樁基荷載-位移曲線。由圖可知，隨著截面尺寸的減小，空心和實(shí)心樁基的承載能力的值會(huì)減小，其中實(shí)心截面和空心截面的錐形樁（3b）的最大軸向承載力分別為2868N和2387N。變截面尺寸為2.5b的樁基承載能力略低，實(shí)心截面為2650 N，空心截面為2181N。變截面尺寸為2b的實(shí)心截面和空心截面的承載力分別為2473N和1924N，而1.5b變截面樁基的承載力值最低，實(shí)心截面為2324N，空心截面為1768 N。因此可以得出，增加變截面樁基的截面面積會(huì)增加實(shí)心截面和空心截面的軸向承載力。此外，錐形樁的位移值遠(yuǎn)比任何方形樁甚至圓形樁的低。就位移值而言，所有實(shí)心錐形樁的位移值都相差不大，從1.5b截面的1.13mm到2.5b截面的130mm。對(duì)于開(kāi)口側(cè)空心截面，位移值也相對(duì)接近，范圍從2b截面的102mm到1.5b截面的113mm。應(yīng)注意的是，由于后期隨著加載階段不斷深入，土壤開(kāi)始發(fā)生破壞，位移隨著軸向樁承載力成比例增加。圖6給出了3b實(shí)心和空心變截面樁的位移云圖。

圖4 所有實(shí)體截面樁基荷載-位移曲線

圖5 所有空心截面樁基荷載-位移曲線

圖6 3b實(shí)心和空心變截面樁的位移云圖

4.3 不同截面尺寸樁基彎矩變化

表2 給出了不同截面類(lèi)型樁基最大彎矩計(jì)算結(jié)果。由圖可知，對(duì)于圓形截面樁，實(shí)心樁的最大彎矩明顯小于空心界面樁基，分別為108.5 kN·m和123.5 kN·m，這一變化趨勢(shì)仍然可以在方形樁和變截面樁中觀察到。其中，對(duì)于方形樁基礎(chǔ)，實(shí)心和空心最大彎矩分別為98.6kN·m和110kN·m；1.5b變截面實(shí)心和空心最大彎矩分別為90.6 kN·m和92.7 kN·m；2b變截面實(shí)心和空心最大彎矩分別為85.7 kN·m和80.3 kN·m；2.5b變截面實(shí)心和空心最大彎矩分別為76.6 kN·m和72.5 kN·m;3b變截面實(shí)心和空心最大彎矩分別為70.7 kN·m和68.5 kN·m。因此還可以得出的是，隨著變截面樁的尺寸增大，樁基所產(chǎn)生的最大樁基彎矩會(huì)逐漸減小，因此具有較好的抗彎性能。此外，方形樁基礎(chǔ)的抗彎性能要優(yōu)于圓形樁基礎(chǔ)，因此本文建議在工程預(yù)算經(jīng)濟(jì)的條件下，應(yīng)盡量選擇方形樁和變截面樁進(jìn)行地基加固，來(lái)控制建筑物沉降。

表2 不同截面下樁基彎矩計(jì)算結(jié)果（kN·m）

5.結(jié)論

本文為研究不同樁截面類(lèi)型對(duì)樁基軸向承載力的影響，以望天獅排澇站為例，使用PLAXIS 3D對(duì)傳統(tǒng)圓形、方形和變截面錐形樁段進(jìn)行建模分析，研究了截面幾何形狀對(duì)實(shí)心樁和空心管樁性能的影響。研究結(jié)果表明：

（1）實(shí)心截面的極限軸向承載力為1622N，空心截面的極限軸向承載力為837N。此外，方形實(shí)心截面和空心截面的軸向承載能力分別為2132N和1562N，顯著高于圓形截面。因此空心圓形和方形截面的軸向承載力最低，同時(shí)方形樁基礎(chǔ)的承載力遠(yuǎn)大于圓形樁承載力。

（2）隨著截面尺寸的減小，空心和實(shí)心樁基的承載能力的值會(huì)減小，其中實(shí)心截面和空心截面的錐形樁（3b）的最大軸向承載力分別為2868N和2387N，而1.5b變截面樁基的承載力值最低，實(shí)心截面為2324 N，空心截面為1768N。

對(duì)于圓形截面樁，實(shí)心樁的最大彎矩明顯小于空心界面樁基，分別為108.5 kN·m和123.5 kN·m，這一變化趨勢(shì)仍然可以在方形樁和變截面樁中觀察到。3b變截面實(shí)心和空心最大彎矩僅分別為70.7 kN·m和68.5 kN·m。