載體樁設(shè)計過程中參數(shù)敏感性的模擬分析

邢 鋒 （南通天一置業(yè)有限公司，江蘇 南通 226001）

1 研究背景

隨著近年來我國城市更新與開發(fā)的速度越來越快，各種大規(guī)模的公建及住宅項目應(yīng)運(yùn)而生，特別是各個城市在城市地標(biāo)建筑打造上不遺余力，建筑造型凸顯城市特色。工程規(guī)模不斷擴(kuò)大，樓面荷載不斷增加，傳統(tǒng)的天然地基方案顯然無法滿足該類型項目的需求，且地基變形及承載力達(dá)不到工程設(shè)計的要求。為了減小地基變形并增加承載性能，提出新的樁基或地基處理方案勢在必行。樁基礎(chǔ)即通過樁身將上部荷載傳遞至深層土體中，通過樁身與樁周土的摩擦力、樁端的端阻力形成抗力來承擔(dān)上部荷載。一般情況下，當(dāng)上部荷載較大或地質(zhì)條件較差時，樁基方案是首選的基礎(chǔ)方案[1-2]。

工程建設(shè)過程中，應(yīng)用較多的樁基有鉆孔灌注樁及預(yù)制混凝土管樁。鉆孔灌注樁適用于絕大部分的土層，基本不受地質(zhì)條件的影響，在我國是應(yīng)用最為廣泛的樁基型式之一，但鉆孔灌注樁施工成本高、周期長、環(huán)境污染大，導(dǎo)致其往往非基礎(chǔ)工程的首選方案。在南通地區(qū)，地質(zhì)條件以中軟土為主，上部較硬土層主要為中密～密實(shí)的粉砂土，因此本地區(qū)的基礎(chǔ)首選方案為預(yù)制混凝土管樁。預(yù)制混凝土管樁施工成本較灌注樁而言，成本底、施工速度快、可預(yù)制且環(huán)境污染小，在本地區(qū)應(yīng)用比較合適。但對開發(fā)商而言，如何有效較低施工成本成為其關(guān)心的首要問題，上部結(jié)構(gòu)的優(yōu)化已接近極限，基礎(chǔ)方案的優(yōu)化成為當(dāng)前的主要議題，而載體樁的出現(xiàn)有效地解決了這一部分的問題。

載體樁是將樁基礎(chǔ)與地基處理結(jié)合起來形成的一種深層地基處理技術(shù)，由樁身及載體兩部組成，樁身主要用來傳遞荷載，載體用來擴(kuò)散荷載，樁端持力層主要用來承擔(dān)荷載。相同長度的載體樁與預(yù)制管樁，載體樁可提供更高的承載力并減小沉降以滿足規(guī)范及設(shè)計要求。在載體樁的設(shè)計過程中，一般只關(guān)注單樁承載力的大小，對樁徑、樁間距、載體尺寸及樁端持力層的研究較少[3]，本文依托南通市某新建廠房的載體樁設(shè)計，采用PLAXIS 軟件對不同樁徑、樁間距、載體尺寸及樁端持力層進(jìn)行建模計算，分析樁徑、樁間距、載體尺寸、樁端持力層對載體樁沉降的影響。

2 研究概述

2.1 載體樁概述

載體樁由樁身及載體構(gòu)成，載體是經(jīng)重錘夯實(shí)形成的承載體，載體填料由混凝土、填料、壓實(shí)土和影響土體或者單獨(dú)由水泥砂拌合物構(gòu)成。通過重錘夯實(shí)土體，并填充干硬混凝土料，達(dá)到設(shè)計三擊貫入度的要求，使樁端形成加固體，由內(nèi)向外依次為干硬混凝土、填料、壓實(shí)土及影響土體，如圖1 所示。根據(jù)國內(nèi)外學(xué)者的研究成果[4]，在相同條件下，載體樁的承載力特質(zhì)值是同長度、同樁徑灌注樁或管樁承載力的2～5倍[5]。

圖1 載體樁構(gòu)成示例圖

深層土體的夯實(shí)擠密過程是載體樁技術(shù)的主要創(chuàng)新點(diǎn)，當(dāng)上部荷載通過樁身傳遞至被加固載體時，由于載體主要由混凝土、夯實(shí)料及擠密土層組成，壓縮模量由內(nèi)向外依次遞減，應(yīng)力逐漸擴(kuò)散并減少。當(dāng)傳遞至持力層時，應(yīng)力小于持力層地基承載力，從而滿足地基承載力的要求，應(yīng)力擴(kuò)散原理是載體樁的受力機(jī)理。

2.2 模擬方案概述

載體樁是一種較新的樁基技術(shù)，且近些年來開發(fā)出了越來越多的新技術(shù)。載體樁承載力設(shè)計時主要關(guān)注方向分為兩個方面，即經(jīng)深度修正后的持力層承載力特征值和等效計算面積[6]。

深度修正后的持力層特征值主要涉及到載體樁的設(shè)計深度及持力層，而等效計算面積主要受三擊貫入度及持力層土性的影響，總結(jié)起來就是載體深度、三擊貫入度及持力層三個方面為載體樁承載力設(shè)計的主要影響因素，而對設(shè)計樁徑、載體尺寸、樁間距的關(guān)注較少。在承載力滿足設(shè)計要求的同時，沉降量是主要的關(guān)注對象，基于此，研究在相同上部荷載作用下樁基沉降對設(shè)計參數(shù)的敏感性是非常有必要的。筆者采用PLAXIS軟件對設(shè)計參數(shù)進(jìn)行建模分析，模型試驗(yàn)對比方案如表1所示。

表1 模型試驗(yàn)對比方案

3 參數(shù)敏感性的模擬分析

載體樁的樁徑、載體尺寸、樁間距及樁長的影響往往是樁基設(shè)計過程中容易忽略的問題。筆者以南通市某工業(yè)廠房載體樁設(shè)計過程為例，采用PLAXIS軟件進(jìn)行建模，分別模擬各設(shè)計參數(shù)的敏感性，場地內(nèi)的各土層的物理力學(xué)參數(shù)及PLAXIS程序材料參數(shù)見表2。

表2 場地內(nèi)的各土層的物理力學(xué)參數(shù)及PLAXIS程序材料參數(shù)

根據(jù)地質(zhì)勘察報告的推薦，本工程擬采用層6（粉砂）作為載體樁樁端持力層，單樁承載力特征值Ra=1200 kN，主要考慮兩個方面，首先，層6（粉砂）承載力特質(zhì)值大，是較為合適的持力層；其次，深度適中，層6 頂標(biāo)高位于自然底面下11.0～12.0 m，層厚大于3.0 m，機(jī)械施工較方便。為對比不同持力層對載體樁沉降的敏感性，筆者認(rèn)為場地內(nèi)層5（粉砂夾砂質(zhì)粉土）亦為較為合適的載體樁持力層。

3.1 樁徑的影響

其他設(shè)計參數(shù)不變，以層6（粉砂）為樁端持力層，建立載體樁樁徑分別為400 mm 及500 mm 的模型，并在樁頂上部施加點(diǎn)荷載來模擬樁基承載力特征值，Ra=1200 kN。Y 方向的位移云圖及位移等值線如圖2所示。

圖2 樁徑400及500mm時Y方向的位移云圖及位移等值線

根據(jù)PLAXIS 計算結(jié)果可得，樁徑400mm 時樁端處Y 方向最大位移為2.884 mm，而樁徑500 mm 時樁端處Y方向最大位移為2.616 mm。故樁徑對載體樁位移影響較小，基本可以忽略樁徑的影響，但對于單樁承載力較大的載體樁，宜根據(jù)荷載要求采用相應(yīng)的樁徑。

3.2 載體尺寸的影響

根據(jù)施工經(jīng)驗(yàn)，對于樁徑300～500 mm 的載體樁，載體施工填量約為900塊磚，干混凝土填量體積約為1.8 m3。根據(jù)文獻(xiàn)[7]的研究成果，按照規(guī)范計算及理想體積不變原則，載體樁載體的尺寸一般為0.8～1.20 m。載體直徑0.8 m、1.0 m 及1.2 m 的Y 方向位移云圖及位移等值線如圖3所示。

圖3 載體直徑0.8m、1.0m及1.2m的Y方向位移云圖及位移等值線

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果顯示，載體直徑對載體樁的沉降量有一定的影響，直徑為0.8 m、1.0 m 及1.2 m 的載體對應(yīng)的沉降分別為3.025 mm、2.815 mm 及2.773 mm，載體直徑越小，沉降量越大。采用1stOpt 軟件對模擬結(jié)果進(jìn)行線性及非線性擬合，載體直徑（d，單位m）與沉降量（S，單位mm）基本上呈冪指數(shù)關(guān)系，即S=2.86×d-0.22（R2=0.92）。

3.3 樁間距的影響

根據(jù)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》（JGJ 94-2008）[8]對沉管夯擴(kuò)或鉆孔擠擴(kuò)樁而言，在飽和非黏性土中，當(dāng)排數(shù)不少于3排且樁數(shù)不少于9 根的摩擦型樁基時，基樁的最小中心距應(yīng)大于2.2D（擴(kuò)大端設(shè)計直徑）和4.0d（圓樁設(shè)計直徑或方樁設(shè)計邊長），其他情況時應(yīng)大于2.0D 和3.5d。對本文內(nèi)樁基設(shè)計而言，承臺下樁基數(shù)量為3～4 根，顯然應(yīng)滿足基樁的最小中心距大于2×1.0=2.0 m 和3.5×0.45=1.575 m。因此，為模擬樁間距對載體樁的影響，分別建立樁間距2.0 m及3.0 m 的計算模型。Y 方向位移云圖及位移等值線如圖4所示。

圖4 樁間距2.0m及3.0m時Y方向位移云圖及位移等值線

根據(jù)圖4 可知，當(dāng)樁間距為2.0 m時，載體底最大位移為3.508 mm；當(dāng)樁間距為3.0 m 時，載體底最大位移為3.188 mm；樁間距越小，載體樁沉降量越大。對比相同情況下（樁徑450 mm、載體直徑1.0 m）單樁沉降量2.815 mm，在周邊樁基的附加應(yīng)力疊加影響下，樁基沉降量增大。因此，確?；鶚蹲钚≈行木酀M足規(guī)范要求是十分必要的。

3.4 持力層（樁長）的影響

對比不同持力層（樁長）情況下載體樁的沉降量，在本工程中選擇層5（粉砂夾砂質(zhì)粉土）作為備選持力層，經(jīng)試算，載體樁單樁承載力特征值為950 kN。Ra=950 kN 時，不同持力層載體樁Y 方向位移云圖及位移等值線如圖5所示。

圖5 不同持力層載體樁Y方向位移云圖及位移等值線

根據(jù)模擬結(jié)果顯示，當(dāng)以層6（粉砂）作為載體樁樁端持力層時，載體底沉降量最大為1.938 mm；當(dāng)以層5（粉砂夾砂質(zhì)粉土）作為載體樁樁端持力層時，載體底沉降量最大為2.235 mm；持力層為粉砂夾砂質(zhì)粉土?xí)r沉降量更大。且從Y方向的位移云圖可以發(fā)現(xiàn)，短樁對周邊土層的擾動較長樁范圍更大。由于層5埋深較淺，且樁端持力層承載力較層6而言較弱，雖然也是較為理想的載體樁樁端持力層，但針對單樁承載力較高的載體樁而言，建議持力層選擇為埋深較深、土層承載力高且厚度大的土層。此時，在相同荷載作用下可有效控制樁底沉降量。其次，考慮到城市中心地下空間的開發(fā)利用，若周邊地塊開挖降水，降水引起的附加應(yīng)力對已完工的載體樁沉降亦有一定的影響，當(dāng)載體埋深較深時，可減小降水引起的附加應(yīng)力對載體樁的影響。

4 結(jié)論

通過對某工業(yè)廠房載體樁的設(shè)計工作，采用PLAXIS軟件建立樁土相互作用的模型，通過改變載體樁設(shè)計過程中的參數(shù)，對樁徑、載體尺寸、樁間距及持力層進(jìn)行了模擬計算，分析各設(shè)計參數(shù)對載體樁沉降的影響，得出如下結(jié)論：

①樁徑對載體樁的沉降影響較小，但對于高單樁承載力特征值的載體樁而言，建議采用相適宜的樁徑；

②載體尺寸對沉降有一定的影響，相同條件下，載體尺寸越小，沉降量越大，載體尺寸與沉降量呈冪指數(shù)關(guān)系；

③在周邊樁基附件應(yīng)力疊加效用的作用下，樁間距越小，載體樁沉降量越大，且在載體樁設(shè)計時，應(yīng)滿足基樁最小中心距的要求；

④樁長越長、載體處持力層承載力越高，對控制載體樁沉降有益，載體樁設(shè)計時應(yīng)選擇深度適中、承載力高的土層作為樁端持力層。