樁承載力反向自平衡試樁法數(shù)值模擬分析

劉永莉,劉志杰,巴軍濤,肖衡林,郭 斌

(1.湖北工業(yè)大學(xué)土木建筑與環(huán)境學(xué)院,湖北 武漢 430068; 2.中交二航局建筑工程有限公司,湖北 武漢 430056)

樁基礎(chǔ)因其承載力高、沉降小、適應(yīng)性強(qiáng)、抗震性能好等優(yōu)點(diǎn),在各種高層建筑、橋梁和港口碼頭等工程領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛[1]。目前,基樁承載力確定方法主要包括傳統(tǒng)靜載試樁法和自平衡試樁法[2]。傳統(tǒng)靜載試驗(yàn)法是檢測(cè)基樁承載力最可靠的方法,但因受到施工場(chǎng)地和試樁噸位等因素限制,難以滿(mǎn)足特殊場(chǎng)地和大噸位基樁承載力的測(cè)試[3-4]。自平衡試樁法利用樁的自重和側(cè)摩阻力作為樁端阻力的反力,不需要在樁周設(shè)置反力架或進(jìn)行重物堆載,突破了試樁噸位的限制,特別適用于施工場(chǎng)地受限的大噸位基樁試驗(yàn)[5-6]。自平衡試樁法因具有省時(shí)省力、試驗(yàn)方便、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),已在許多實(shí)際工程中得到應(yīng)用[7-8],也相繼出臺(tái)了行業(yè)和部分省份的技術(shù)規(guī)程[9-11]。由于自平衡試樁法的荷載作用位置及傳遞方向不同于傳統(tǒng)靜載試樁法,在根據(jù)測(cè)試結(jié)果確定基樁承載力時(shí)需將負(fù)摩阻力轉(zhuǎn)換為正摩阻力,最常用的方法是通過(guò)選取合適的轉(zhuǎn)換系數(shù)進(jìn)行換算[12],相關(guān)研究也給出了不同土層中的正、負(fù)摩阻力的轉(zhuǎn)換系數(shù)建議值[13-16],但由于各土層的不均勻分布和樁土相互作用機(jī)制的復(fù)雜性,難以精確給出實(shí)際工況下的轉(zhuǎn)換系數(shù)。

為克服自平衡試樁法正、負(fù)摩阻力轉(zhuǎn)換導(dǎo)致基樁承載力測(cè)試結(jié)果不直觀的問(wèn)題,劉永莉等[17-19]提出了一種單樁豎向承載力反向自平衡試樁法,該方法在自平衡試驗(yàn)的基礎(chǔ)上增加了一套樁頂豎向加載裝置,與自平衡試樁法組合使用,可克服自平衡試樁法上段樁負(fù)摩阻力換算成正摩阻力時(shí)轉(zhuǎn)換系數(shù)難以準(zhǔn)確確定的問(wèn)題,同時(shí)也可用于測(cè)試基樁的抗拉承載力。

目前,反向自平衡試樁法僅處于理論研究階段,要將該方法應(yīng)用到工程實(shí)踐中還有很多問(wèn)題亟待解決?，F(xiàn)場(chǎng)原位試驗(yàn)是基樁研究中最可靠的方法,但需要耗費(fèi)大量的人力、物力、財(cái)力和時(shí)間等;室內(nèi)模型試驗(yàn)相對(duì)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)雖然可以降低試驗(yàn)費(fèi)用,但模型試驗(yàn)由于是縮尺試驗(yàn),如果試驗(yàn)參數(shù)設(shè)計(jì)不合理,試驗(yàn)結(jié)果往往與工程實(shí)際結(jié)果差別較大,且直接采用室內(nèi)模型試驗(yàn)研究反向自平衡試樁法有一定的盲目性[20-21]。為此,本文采用ABAQUS有限元分析方法,通過(guò)建立反向自平衡試樁法數(shù)值模型,分別采用位移控制法和荷載控制法進(jìn)行樁身和樁頂加載模擬,以探究反向自平衡試樁法的可行性,進(jìn)而推動(dòng)反向自平衡試樁法在實(shí)際工程中的應(yīng)用。

1 反向自平衡試樁法測(cè)試步驟

圖1 反向自平衡試樁法加載受力情況

從測(cè)試技術(shù)上分析,反向自平衡試樁法充分繼承了自平衡試樁法的優(yōu)點(diǎn),不需要額外的錨樁或堆載材料就可實(shí)現(xiàn)樁基承載力的檢測(cè);同時(shí),相較于自平衡試樁法又避免了負(fù)摩阻力的轉(zhuǎn)換問(wèn)題,可直接通過(guò)荷載-位移曲線獲取基樁抗壓極限承載力,還可以得到對(duì)應(yīng)樁的豎向極限抗拔力。

2 反向自平衡試樁的有限元模型

2.1 模型假設(shè)條件

為簡(jiǎn)化計(jì)算,在建立有限元模型時(shí)做如下假設(shè):①樁體為均質(zhì)理想彈性體,不考慮樁自身的彎曲變形;土體考慮為均質(zhì)彈塑性材料,不考慮土的剪脹性;樁側(cè)土體在樁長(zhǎng)范圍內(nèi)為同一均質(zhì)巖土層。②不考慮管樁土塞效應(yīng)對(duì)承載力的影響。③樁與巖土之間的摩擦系數(shù)保持不變。④土體采用總應(yīng)力分析方法分析,不考慮孔隙水壓力影響和巖層傾斜。⑤不考慮加載順序?qū)y(cè)試結(jié)果的影響。

2.2 模型構(gòu)建

在研究土與結(jié)構(gòu)物相互作用時(shí),由于三維有限元模型單元設(shè)置數(shù)量多,計(jì)算時(shí)間長(zhǎng),而平面二維應(yīng)變土體模型因其簡(jiǎn)單實(shí)用的優(yōu)點(diǎn)得到廣泛運(yùn)用,且其簡(jiǎn)化模型基本可以滿(mǎn)足工程應(yīng)用的精度要求[22]。本文考慮到樁-土結(jié)構(gòu)及施加荷載均具有軸對(duì)稱(chēng)特點(diǎn),采用以樁中心線為對(duì)稱(chēng)軸建立平面二維應(yīng)變土體模型進(jìn)行數(shù)值模擬分析。

數(shù)值模型的幾何結(jié)構(gòu)如圖2所示,其中,上段樁樁長(zhǎng)取8m,下段樁樁長(zhǎng)取4m,樁徑為1.6m,壁厚為10cm?？紤]樁周土和樁端巖層的影響范圍,土體寬度取20倍樁徑,深度取2倍樁長(zhǎng)[23-24],即模型計(jì)算土體寬度取32m,計(jì)算深度取24m。其中土體模型頂部為自由邊無(wú)約束,底部采用固定約束,外側(cè)為徑向的位移約束;樁頂部自由無(wú)約束。在單元網(wǎng)格的劃分上,靠近樁體的地方網(wǎng)格密、遠(yuǎn)離樁體的地方網(wǎng)格稀疏。樁和土體均采用節(jié)點(diǎn)四邊形線性平面應(yīng)變減縮積分單元,此單元類(lèi)型對(duì)位移的求解結(jié)果較精確。

圖2 數(shù)值模型的幾何結(jié)構(gòu)

樁體采用線彈性管樁模型,其彈性模量為40GPa,泊松比為0.16;樁端基巖采用Mohr-Coulomb本構(gòu)模型,其彈性模量為1100MPa,泊松比為0.25,黏聚力為800kPa,內(nèi)摩擦角為36°;填土為飽和黏性土,其不排水強(qiáng)度cu為24kPa,為了模擬不排水加載條件,采用總應(yīng)力分析方法進(jìn)行分析,不排水強(qiáng)度可以采用Mohr-Coulomb模型或者小應(yīng)變剛度硬化土體模型(HSS)模擬[25],則其土體彈性模量為500cu,即12MPa,泊松比為0.495,黏聚力為24kPa,內(nèi)摩擦角為0°。具體樁土參數(shù)如表1所示。

表1 樁土參數(shù)

2.3 樁土相互作用

樁土接觸問(wèn)題通過(guò)設(shè)置接觸對(duì)和定義接觸性質(zhì)來(lái)模擬,本文從樁生效的分析步開(kāi)始,采用面面接觸對(duì)類(lèi)型來(lái)模擬樁與外側(cè)巖土、樁與樁底基巖之間的接觸面,由于樁相對(duì)巖土的剛度大,取樁為主控面,巖土為從屬面,樁與土體接觸跟蹤均采用有限滑移方法。樁與巖土接觸面的接觸性質(zhì)包括兩個(gè)方面,一是法向采用“硬接觸”且允許分離,二是切向采用庫(kù)倫罰剛度算法來(lái)確定摩擦系數(shù)[26]。

2.4 初始地應(yīng)力平衡與加載步驟

由于在樁澆筑之前,土體自重產(chǎn)生的變形就已經(jīng)完成,因此對(duì)創(chuàng)建的數(shù)值模型先進(jìn)行地應(yīng)力平衡。在ABAQUS軟件中,常見(jiàn)的地應(yīng)力平衡方法有3種:自動(dòng)地應(yīng)力平衡法、關(guān)鍵字定義初始地應(yīng)力法和開(kāi)源數(shù)據(jù)庫(kù)(open data base)導(dǎo)入法[27]。由于自動(dòng)地應(yīng)力平衡法相對(duì)更容易操作,故本文采用ABAQUS提供的自動(dòng)地應(yīng)力平衡法功能對(duì)土體進(jìn)行初始地應(yīng)力平衡。由于創(chuàng)建的數(shù)值模型是用于樁土相互作用分析的,則在地應(yīng)力分析中土體不能有樁土接觸對(duì)和樁單元。具體加載步驟為:

步驟1采用生死單元法“殺死”樁單元以及樁土接觸對(duì),并約束土體的水平位移,再施加土體重力,進(jìn)行自動(dòng)地應(yīng)力平衡。

步驟2完成地應(yīng)力平衡后,激活樁單元以及樁土接觸對(duì),取消樁孔的水平約束,施加樁重力。

步驟3當(dāng)樁身加載時(shí),鈍化樁頂進(jìn)行加載分析。

步驟4當(dāng)樁頂加載時(shí),鈍化樁身進(jìn)行加載分析。

2.5 加載方法與過(guò)程

ABAQUS軟件可提供兩種荷載施加方法,一是荷載直接作用在樁頂,二是通過(guò)對(duì)樁頂施加位移,達(dá)到對(duì)樁施加荷載的目的。前者通過(guò)記錄各級(jí)荷載下樁身的位移,得到最終的荷載-位移曲線;后者通過(guò)施加位移得到樁所受的對(duì)應(yīng)荷載,進(jìn)而得到荷載-位移曲線。由于反向自平衡試驗(yàn)的平衡點(diǎn)難以精確確定,直接采用荷載控制法較為煩瑣,為了使上、下段樁承載力均能達(dá)到極限狀態(tài),便于與傳統(tǒng)靜載試驗(yàn)進(jìn)行極限承載力比較,本文首先采用位移控制法模擬上、下段樁的加載,得到上、下樁的極限承載力,然后根據(jù)得到的極限承載力,通過(guò)荷載控制法分級(jí)施加荷載,以模擬上、下段樁同時(shí)等量加載過(guò)程。

加載過(guò)程中,上、下段樁作為兩個(gè)單元分別建模,兩樁之間接觸部位無(wú)相互作用。先在兩樁之間接觸部位分別施加上段樁樁底向上位移荷載和下段樁樁頂向下位移荷載,以模擬樁身加載;然后通過(guò)施加上段樁樁頂向下位移荷載和下段樁樁頂向上位移荷載,以模擬樁頂加載。

3 模擬結(jié)果與分析

3.1 位移控制法的荷載-位移曲線

圖3 位移控制法下樁身加載時(shí)的荷載-位移曲線

圖4 位移控制法下樁頂加載時(shí)的荷載-位移曲線

圖5為傳統(tǒng)靜載試驗(yàn)時(shí),采用位移控制法得到的靜壓樁荷載-位移曲線,樁頂荷載隨著樁頂沉降增大而逐漸增大,整個(gè)曲線未出現(xiàn)明顯突變點(diǎn),為緩變型曲線,其樁體豎向承載力極限值取最終施加位移對(duì)應(yīng)的荷載,即Qua=21235kN。

圖5 靜壓樁的荷載-位移曲線

3.2 荷載控制法的荷載-位移曲線

圖6為反向自平衡試驗(yàn)不同加載方式下,采用荷載控制法得到的上、下段樁荷載-位移曲線。在樁身加載時(shí),上段樁變化曲線與采用位移控制法的變化曲線一致,而下段樁在荷載達(dá)到725kN之前曲線呈現(xiàn)線性增長(zhǎng),說(shuō)明下段樁的承載力還遠(yuǎn)未達(dá)到極限值,可判斷樁身加載時(shí),其加載位置相較于樁體真實(shí)平衡點(diǎn)位置偏上。在樁頂加載時(shí),下段樁變化曲線與采用位移控制法的變化曲線一致,在Q=610kN處,曲線出現(xiàn)明顯陡降點(diǎn),此時(shí)上段樁承載力并未達(dá)到極限,可判斷樁頂加載時(shí),樁頂平衡點(diǎn)相較于真實(shí)平衡點(diǎn)位置偏下。

圖6 荷載控制法下樁體的荷載-位移曲線

因此,反向自平衡試樁法與自平衡試樁法一樣,均存在平衡點(diǎn)難以精確確定的問(wèn)題。對(duì)于反向自平衡試樁法,由于分樁身和樁頂兩次加載,要確定兩次平衡點(diǎn)。若不考慮樁體自重,第一次樁身加載時(shí)上段樁負(fù)摩阻力與下段樁正摩阻力及樁端阻力相平衡,第二次樁頂加載時(shí)上段樁正摩阻力與下段樁負(fù)摩阻力相平衡。若為摩擦樁或樁端阻力占比較小的情況時(shí),平衡點(diǎn)位置的判斷則主要由上、下段樁側(cè)摩阻力所決定。

3.3 軸力分析

圖7為反向自平衡試驗(yàn)不同加載方式下,樁身軸力隨深度變化的曲線。荷載遵循從加載端向遠(yuǎn)離端傳遞的規(guī)律。由圖7(a)可知,樁身加載時(shí),荷載分別作用于上段樁樁底和下段樁樁頂,上段樁受到向上支撐作用,荷載自下而上傳遞,同一荷載下,離平衡點(diǎn)位置越近,軸力越大,并向樁頂方向逐漸衰減,軸力曲線整體向“下”側(cè)凸起,且凸起程度隨著荷載增大而趨于平緩,說(shuō)明上段樁頂部隨荷載增大開(kāi)始逐漸受到側(cè)摩阻力的作用。下段樁受到向下頂壓作用,荷載自上而下傳遞,當(dāng)荷載較小時(shí),樁頂荷載和樁端荷載差別較小,此時(shí)樁所受側(cè)摩阻力很小,隨著荷載增大,樁端阻力增長(zhǎng)顯著,荷載主要由樁端阻力承擔(dān)。由圖7(b)可知,樁頂加載時(shí)上段樁類(lèi)似于純摩擦樁,下段樁為抗拔樁。上、下段樁的軸力傳遞規(guī)律相同,都是自上而下進(jìn)行傳遞,荷載全部由側(cè)摩阻力承擔(dān),隨著荷載的逐漸增大,下段樁樁周土層逐漸激發(fā)側(cè)摩阻力,且下部土層軸力衰減逐漸增大,軸力變化主要集中在樁的上部。

圖7 樁身軸力隨深度變化曲線

3.4 側(cè)摩阻力分析

圖8為反向自平衡試驗(yàn)不同加載方式下,樁身側(cè)摩阻力隨深度變化的曲線。由圖8(a)可知,樁身加載時(shí),上段樁側(cè)摩阻力隨荷載增大而增大,且沿樁向下逐漸遞增,側(cè)摩阻力呈下大上小的分布形式,說(shuō)明樁周的下部土層先于上部土層發(fā)揮側(cè)摩阻力的作用。由圖8(b)可知,樁頂加載時(shí),上段樁側(cè)摩阻力也沿樁向下逐漸遞增,樁的最大側(cè)摩阻力發(fā)生在樁底位置,隨著荷載逐漸增大,樁側(cè)摩阻力增加的幅度也逐漸增大。由圖8(c)可知,樁頂加載時(shí),下段樁側(cè)摩阻力也沿樁向下逐漸遞增,側(cè)摩阻力呈下大上小的分布形式。

圖8 樁側(cè)摩阻力隨深度的變化曲線

4 結(jié) 論

a.反向自平衡試樁法可以克服自平衡試樁法正、負(fù)摩阻力轉(zhuǎn)換的問(wèn)題,相對(duì)于自平衡試樁法,其測(cè)試結(jié)果更為直觀。

b.反向自平衡試驗(yàn)結(jié)果與靜載試驗(yàn)結(jié)果較為一致,反向自平衡試樁法用于測(cè)試基樁承載力具有可行性。

c.反向自平衡試樁法和自平衡試樁法均存在平衡點(diǎn)位置確定的問(wèn)題,對(duì)于反向自平衡試樁法,由于分為樁身和樁頂兩次加載,導(dǎo)致其加載中需要確定兩次平衡點(diǎn)位置。在不考慮樁體自重的情況下,第一次樁身加載時(shí)上段樁負(fù)摩阻力與下段樁正摩阻力及樁端阻力相平衡,第二次樁頂加載時(shí)上段樁正摩阻力與下段樁負(fù)摩阻力相平衡。若為摩擦樁或樁端阻力占比較小的情況時(shí),平衡點(diǎn)位置的判斷主要由上、下段樁側(cè)摩阻力所決定。