不考慮樁端承力的錨樁法新工藝試驗(yàn)研究

陳雪峰 王京杭， 孫立山 趙標(biāo)

1.中鐵橋隧技術(shù)有限公司，南京 210061；2.中鐵大橋勘測設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，武漢 430050

基樁靜載豎向抗壓檢測是基樁承載力的主要檢測方法，根據(jù)反力提供方式不同，分為錨樁法、堆載法、錨樁加配重法［1］三種基樁傳統(tǒng)加載方法。該類方法對小噸位基樁適用性強(qiáng)，但對大噸位基樁而言，其承載能力過高，導(dǎo)致成本過高、工期長、安全隱患大。因此，基于文獻(xiàn)［2］的專利提出了不考慮端承型樁的樁端承力轉(zhuǎn)而測試其樁側(cè)摩阻力這一新工藝，僅以理論值計(jì)入樁端承力，但新工藝受錨樁橫梁反力裝置試驗(yàn)噸位的限制，無法測出極限樁側(cè)摩阻力。

國內(nèi)制作錨樁法試樁時錨樁數(shù)量一般不低于4根，當(dāng)試驗(yàn)荷載較大時需要6根甚至更多數(shù)量的錨樁。宜賓臨港大橋試樁根據(jù)文獻(xiàn)［3］進(jìn)行端承型樁設(shè)計(jì)，屬于大噸位基樁。試驗(yàn)荷載反力由錨樁橫梁反力裝置提供，裝置反力由2根錨樁抗拔力提供，與扁擔(dān)梁原理相似。試驗(yàn)荷載依據(jù)試樁承載能力設(shè)計(jì)，而試樁承載能力由樁端承力與樁側(cè)摩阻力兩部分組成，新工藝不考慮樁端承力，僅測試樁側(cè)摩阻力，大幅降低試樁工程中的試驗(yàn)噸位。本文采用三維連續(xù)介質(zhì)快速拉格朗日法（FLAC3D軟件）對試樁進(jìn)行數(shù)值模擬，將位移模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比分析，驗(yàn)證新工藝在實(shí)際工程中的適用性。

1 試樁工況

臨港大橋?yàn)槠綄庸F兩用斜拉橋，采用半漂浮支撐體系，雙塔雙索面，位于四川省宜賓市境內(nèi)，連接宜賓北岸臨港區(qū)和南岸翠屏區(qū)，為長江宜賓段上的第三座大橋。為了驗(yàn)證地勘資料中各項(xiàng)物理力學(xué)指標(biāo)的真實(shí)性與可靠性，指導(dǎo)工程樁施工，分別在北岸和南岸各做一組試樁。每組試樁共有5根鉆孔灌注樁，包括3根錨樁與2根試樁，其中1根樁為共用錨樁［4］。兩岸試樁、錨樁信息見表1，平面位置見圖1。

表1 兩岸試樁、錨樁參數(shù)

圖1 兩岸試樁、錨樁平面位置（單位：mm）

為了防止試樁樁頭發(fā)生破壞，每根試樁都設(shè)置了承臺，以抵抗較強(qiáng)的試驗(yàn)荷載。每個承臺采用高強(qiáng)度的C45混凝土澆筑，尺寸為1 800 mm（長）×1 800 mm（寬）×1 800 mm（高），承臺中心與試樁截面中心共線。為了將作用荷載轉(zhuǎn)換成均布荷載，在承臺頂面放置調(diào)平鋼板，尺寸為1 500 mm（長）×1 500 mm（寬）×24 mm（厚）。因鄰近同一個地質(zhì)鉆探孔號的兩根試樁樁周土地層巖性較為接近，挑選北岸的試樁1建立三維模型，驗(yàn)證新工藝的可行性。承臺、試樁1與樁周各土層物理力學(xué)參數(shù)見表2。

表2 承臺、試樁1與樁周各土層物理力學(xué)參數(shù)

2 新工藝

每根試樁配置2根錨樁，試樁樁頂截面中心點(diǎn)應(yīng)與錨樁樁頂截面主筋中心點(diǎn)的平面投影位于一條直線上。試樁千斤頂加載時，千斤頂合力中心點(diǎn)應(yīng)與試樁樁頂截面中心重合。試樁和錨樁中任何一個樁中心點(diǎn)與其他兩個樁中心點(diǎn)所在鉛垂面的容許平面偏差不得大于3.0 cm。共用錨樁的兩組試樁中心連線的夾角偏差應(yīng)不大于0.9°［4］，新工藝采用的錨樁橫梁反力裝置立面見圖2，可在南北兩岸的4根試樁之間重復(fù)使用，不受氣候條件、現(xiàn)場條件、人員等的影響，工作效率高，方便快捷。

圖2 錨樁橫梁反力裝置立面布置（單位：mm）

樁身鋼筋籠底部構(gòu)造見圖3。不考慮樁端承力的影響，為保證樁側(cè)摩阻力的測試效果，試樁的孔底高程應(yīng)比設(shè)計(jì)值低50 cm。當(dāng)試樁成孔后，將沉渣厚度控制在25 cm。為了消除樁身混凝土首次灌注時對EPS板（直徑115 cm，厚200 mm）的沖擊荷載或后期澆筑完成后混凝土自重的影響，以免EPS板變形損壞喪失保護(hù)效果，在樁身鋼筋籠底部設(shè)置鋼墊板（直徑115 cm，厚度50 mm）。當(dāng)樁身鋼筋籠整體下放到位后通過懸吊裝置固定住，在懸吊狀態(tài)下澆筑樁身混凝土。樁身混凝土澆筑完成后，需要靜置7 d，且混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的80%后方可卸除懸吊裝置［2］。

圖3 樁身鋼筋籠底部構(gòu)造大樣（單位：mm）

3 單樁FLAC3D數(shù)值模擬

3.1 計(jì)算模型

在實(shí)際工程中，土體強(qiáng)度遠(yuǎn)小于樁體，樁-土體系在荷載作用下土體先破壞，而此時樁體還處在彈性工作階段。承臺不與土體相接觸，完全暴露在空氣中，而基樁與EPS板置身于土體中，以試樁1為對象建立三維模型。假定土體的塑性行為符合理想彈塑性關(guān)系，不產(chǎn)生硬化或軟化現(xiàn)象，土體的屈服準(zhǔn)則采用Mohr-Coulomb模型，承臺、樁體、EPS板為均質(zhì)彈性體。FLAC3D模型軸線平行于z軸，坐標(biāo)軸原點(diǎn)位于試樁1樁頂截面中心點(diǎn)處。

3.2 網(wǎng)格劃分及接觸面

承臺采用六面塊體網(wǎng)格，試樁1與EPS板采用柱體網(wǎng)格，樁周土采用柱體隧道外圍漸變放射網(wǎng)格，環(huán)繞著樁體與EPS板。對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分時，靠近樁體處密、遠(yuǎn)離樁體處疏［5］。

為模擬樁-土在荷載作用下的實(shí)際變形情況，準(zhǔn)確反映樁-土之間的相互作用，在樁-土之間加入接觸面單元，分別建立Zhuangce與Zhuangduan兩個接觸面單元，模擬樁側(cè)與各土層、樁端與持力層之間的相對位移［6］。接觸面單元需要依附獨(dú)立單元體的表面才會生成。接觸面的生成通常采用移去移回法，即在設(shè)置完接觸面單元后，先將已依附接觸面單元的一側(cè)模型移開，然后將另一側(cè)模型建立好后移回來。

3.3 邊界條件

根據(jù)實(shí)際受力情況，將計(jì)算模型側(cè)面和底部的法向位移固定，承臺頂面法向位移自由。即模型的頂面是一個自由面，模型的底面固定于z軸負(fù)方向，在模型的側(cè)面設(shè)置邊界條件進(jìn)行約束。

3.4 計(jì)算參數(shù)選取

在FLAC3D軟件中主要有6個接觸面單元參數(shù)，分別為法向剛度、切向剛度、黏聚力、內(nèi)摩擦角、剪脹角、抗拉強(qiáng)度。其中法向剛度、切向剛度是必須輸入項(xiàng)，取值可按下式［7］確定。

式中：kn為法向剛度；ks為切向剛度；E和μ分別為接觸面依附單元體的最小彈性模量與泊松比；ΔSmin為接觸面單元法向上相鄰單元體的最小尺寸，無量綱。

對于現(xiàn)場澆注的樁，由于樁-土之間接觸面比較粗糙，摩擦特性好，因此接觸面上的黏聚力和內(nèi)摩擦角均取接觸面相鄰?fù)翆羽ぞ哿蛢?nèi)摩擦角的80%左右［8］。

試樁1樁周各土層層厚見表3。接觸面參數(shù)見表4。

表3 試樁1樁周各土層層厚 m

3.5 監(jiān)測點(diǎn)布置

①監(jiān)測試樁1頂端位移，三維坐標(biāo)點(diǎn)為（0.6，0，0）。②監(jiān)測EPS頂板中心點(diǎn)（近似認(rèn)為在試樁1底端中心）的位移，三維坐標(biāo)點(diǎn)為（0，0，-15.8）。

為了使監(jiān)測的曲線更光滑，每隔1步監(jiān)測1次。

3.6 數(shù)值模擬結(jié)果

不考慮樁端承力后，試樁1的樁側(cè)摩阻力極限值為24.881 MN，錨樁法最大試驗(yàn)值按30 MN考慮，分10級加載，分級荷載為3 MN。利用FLAC3D軟件的切片功能得到試樁1豎向位移云圖，見圖4。可知，試樁1的豎向位移只在樁周2～3 m對各土層造成影響，說明試樁1的樁側(cè)摩阻力逐漸發(fā)揮作用，擴(kuò)大了樁周土的塑性區(qū)范圍，增加了塑性位移，且試樁1頂端附近的土層位移較大，底端最小。

圖4 試樁1豎向位移云圖（單位：m）

試樁1頂端應(yīng)力-位移關(guān)系見圖5?？芍O(jiān)測點(diǎn)的應(yīng)力-位移曲線沒有明顯的拐點(diǎn)和陡降段，為緩變型，符合慢速維持荷載法的特征，與試樁1采用慢速維持荷載法的特征一致，說明所建模型合理。

圖5 試樁1頂端應(yīng)力-位移關(guān)系

EPS頂板中心點(diǎn)應(yīng)力-位移關(guān)系見圖6?？芍瑥牡?級分級荷載開始位移增加，出現(xiàn)拐點(diǎn)和陡降段，加載到后期位移仍趨于穩(wěn)定，但EPS頂板中心點(diǎn)的最大位移依舊很小，約為1.41 mm，而EPS板厚度為200 mm，壓縮變形率約為0.71%。此時，EPS板仍處于彈性壓縮階段，絕大部分豎向試驗(yàn)荷載通過樁側(cè)摩阻力以剪應(yīng)力的形式傳遞到樁周土體中，只有極小一部分豎向試驗(yàn)荷載傳遞到EPS板上（近似認(rèn)為是樁底），因而產(chǎn)生的壓縮變形很小，遠(yuǎn)小于極限壓縮量。樁端承力相較于真實(shí)值而言，可以忽略不計(jì)。

圖6 EPS頂板中心點(diǎn)應(yīng)力-位移關(guān)系

4 數(shù)值模擬值與試驗(yàn)值對比分析

在試樁1的頂端兩側(cè)安裝4個位移計(jì)，每側(cè)各2個。2018年11月23日試樁1現(xiàn)場工作準(zhǔn)備完畢進(jìn)行試驗(yàn)加載。加載到最大試驗(yàn)荷載30 MN，試樁1沒有破壞，位移穩(wěn)定則終止加載。采用逐級等量加載方式，分級荷載宜為最大加載量或預(yù)估極限承載力的1/10，其中第一級可取分級荷載的2倍。提取從第2級開始直至第10級分級荷載達(dá)到相對收斂標(biāo)準(zhǔn)時的位移實(shí)測值與數(shù)值模擬值進(jìn)行對比，見圖7。

圖7 位移實(shí)測值與數(shù)值模擬值對比曲線關(guān)系

由圖7可知：位移實(shí)測值與數(shù)值模擬值變化規(guī)律基本一致，沒有發(fā)生突變現(xiàn)象。數(shù)值模擬值比實(shí)測值略高的原因可能是在建模過程中承臺、基樁與樁周土體的模擬采用簡化模型，而實(shí)際工程情況復(fù)雜。試樁1實(shí)測位移點(diǎn)4的最大位移為11.69 mm，根據(jù)文獻(xiàn)［9］進(jìn)行評估，試樁1遠(yuǎn)沒有達(dá)到破壞狀態(tài)。

試樁1加載到最后一級位移穩(wěn)定，實(shí)測樁側(cè)摩阻力并非極限值，樁側(cè)摩阻力實(shí)測值與地勘值對比見圖8?？芍朔圪|(zhì)黏土層的樁側(cè)摩阻力實(shí)測值與地勘值接近以外，其他三個土層差別很大。與地勘值相比，實(shí)測值成倍增加，尤其在試樁1持力層（弱風(fēng)化灰色砂巖），相差超8倍，說明文獻(xiàn)［4］樁側(cè)摩阻力的取值過于保守。

宜賓臨港大橋南北兩岸共有4根試樁，新工藝采用的錨樁橫梁反力裝置，雖然前期一次性投入較大，但可以在4根試樁之間反復(fù)使用，也可在其他錨樁法試樁上重復(fù)利用，不受氣候條件、現(xiàn)場條件、人員等的影響，工作效率高，方便快捷，體現(xiàn)出了一定的經(jīng)濟(jì)性。新工藝不考慮樁端承力，僅測試樁側(cè)摩阻力，受錨樁橫梁反力裝置試驗(yàn)噸位的限制，雖然無法測出極限樁側(cè)摩阻力，但是可以大幅降低試樁工程中的試驗(yàn)噸位，從而降低工程風(fēng)險(xiǎn)和工程成本，提高工程試樁成功率與樁側(cè)摩阻力測試的準(zhǔn)確性，為設(shè)計(jì)單位優(yōu)化樁長提供真實(shí)有效的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

圖8 樁側(cè)摩阻力實(shí)測值與地勘值對比

5 結(jié)語

經(jīng)工程實(shí)踐證明，不考慮樁端承力的錨樁法工藝方便可行，為大噸位基樁靜載試驗(yàn)提供了新的思路，增加了傳統(tǒng)加載方法的應(yīng)用范圍，提高了對大噸位基樁的適用性。