地基預(yù)壓對(duì)樁基承載性狀影響分析

蔡晨雨，蘇俊劍

（中交上海航道勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200120）

引言

當(dāng)天然地基上的淺基礎(chǔ)所提供的承載力不能滿足設(shè)計(jì)要求或沉降過(guò)大時(shí)，往往采用樁基礎(chǔ)。樁基礎(chǔ)的應(yīng)用歷史悠久，我國(guó)古代許多著名建筑如秦代的渭橋、隋朝的鄭州超化寺、五代的杭州灣海堤以及上海的龍華寺等都是應(yīng)用樁基的典范[1]。在近現(xiàn)代，隨著科學(xué)技術(shù)和經(jīng)濟(jì)建設(shè)的飛速發(fā)展，高層、超高層建筑和大跨度橋梁以及大型的水利水運(yùn)工程迅速增多，樁基礎(chǔ)更是得到了廣泛的應(yīng)用。

樁基在施工和使用階段，往往會(huì)承受各種各樣不同的工況。比如許多港口、碼頭、道路堆場(chǎng)施工前期都會(huì)對(duì)地基進(jìn)行預(yù)壓處理，若地基處理后再進(jìn)行樁基布置，勢(shì)必會(huì)對(duì)樁基礎(chǔ)的承載力造成較大的影響。針對(duì)此問(wèn)題，本文基于有限元軟件ABAQUS對(duì)單樁及群樁在地基預(yù)壓工況下的豎向受力進(jìn)行模擬分析。通過(guò)堆載預(yù)壓地基的范圍和堆載大小來(lái)研究超長(zhǎng)樁在豎向荷載作用下承載力、樁頂Q-S 曲線、樁側(cè)摩阻力的變化。

1 模型的建立

本文基礎(chǔ)模型為樁長(zhǎng) L 為 70 m，樁徑 d 為 850 mm 的有限元模型，模型的尺寸、材料數(shù)據(jù)及模型驗(yàn)證數(shù)據(jù)分別參考上海地區(qū)的實(shí)際工程試樁的尺寸、材料及試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)[2-4]。具體樁、土參數(shù)、模型建立方法、模型正確性驗(yàn)證結(jié)果和單樁模型圖見(jiàn)文獻(xiàn)[5-8]。群樁模型網(wǎng)格圖見(jiàn)圖1。

圖1 群樁有限元模型網(wǎng)格圖Fig.1 Mesh of the soil and piles

本文進(jìn)行預(yù)壓地基時(shí)不考慮土體的固結(jié)。對(duì)單樁直接在樁周土體表面施加不同大小的壓強(qiáng)模擬堆載，堆載范圍為邊長(zhǎng)D 的取值分別為10 m、20 m、30 m，堆載q 的取值分別為50 kPa、100 kPa、150 kPa、200 kPa，示意圖如圖2 所示。

圖2 單樁預(yù)壓地基模型圖示Fig.2 Preloaded subgrade model of single pile

對(duì)群樁堆載范圍邊長(zhǎng)D 的取值分布為20 m、40 m、60 m 堆載q 的取值分布為50 kPa、100 kPa、150 kPa、200 kPa，示意圖如圖3 所示。

圖3 群樁預(yù)壓地基模型圖示Fig.3 Preloaded subgrade model of group piles

堆載的施加在地應(yīng)力步完成后進(jìn)行，堆載預(yù)壓完成后再進(jìn)行樁頂荷載的施加。由于土體在進(jìn)行堆載預(yù)壓后樁基承載力有所提高，計(jì)算時(shí)將樁頂最大荷載施加至22 000 kN。

2 計(jì)算結(jié)果分析

2.1 單樁模型計(jì)算結(jié)果

1）樁頂荷載沉降Q-S 曲線分析

圖4 為推載q=100 kPa 時(shí)，不同堆載范圍邊長(zhǎng)情況下預(yù)壓地基中樁基的樁頂Q-S 曲線對(duì)比圖。樁頂荷載較小時(shí)，堆載預(yù)壓對(duì)樁頂沉降影響較小，當(dāng)樁頂荷載逐漸增加時(shí)，可以看出預(yù)壓明顯減少了樁頂沉降，且在預(yù)壓堆載大小相同時(shí)，堆載范圍越大，樁頂沉降減少量越多。

圖4 不同堆載范圍邊長(zhǎng)情況下樁的Q-S 曲線對(duì)比圖Fig.4 Comparison of Q-S curve under the condition of different preload side

圖5 為不同堆載大小情況下，預(yù)壓地基中樁基的樁頂Q-S 曲線對(duì)比圖。其中圖5（a）、圖5（b）、圖5（c）分別對(duì)應(yīng)的堆載范圍邊長(zhǎng)D 為10 m、20 m、30 m。從圖中看出，當(dāng)堆載范圍的邊長(zhǎng)固定時(shí)，對(duì)土體施加的堆載壓力越大，樁頂?shù)腝-S 曲線越平緩，即樁基的承載性能越好。當(dāng)樁頂荷載水平較低時(shí)，預(yù)壓對(duì)樁頂沉降的影響較小，隨著樁頂荷載的增加，可以看出堆載對(duì)樁頂沉降的減少作用也越明顯。對(duì)比普通樁和各等級(jí)堆載大小下樁基極限沉降時(shí)的樁頂荷載：對(duì)于圖5（a），堆載每增加50 kPa，樁頂荷載分別增加為普通樁樁頂荷載的8.98 %、11.47 %、12.83 %、14.26 %；對(duì)圖5（b），相應(yīng)的比例為 10.76 %、13.38 %、15.54 %、17.34 %；對(duì)圖 5（c），該比例為 13.22 %、16.18 %、18.75 %、20.72 %，說(shuō)明堆載范圍邊長(zhǎng)較小時(shí)，堆載大小的增加對(duì)樁頂沉降的減小作用較不明顯，隨著堆載范圍邊長(zhǎng)的增加，堆載大小的增加對(duì)樁頂沉降減小的作用越來(lái)越明顯，即對(duì)土體進(jìn)行預(yù)壓時(shí)要合理的配置堆載的范圍和堆載大小。

圖5 不同堆載大小下樁的荷載沉降曲線對(duì)比圖Fig.5 Comparison of Q-S curve under the condition of different preload

2）樁側(cè)摩阻力曲線分析

堆載對(duì)土體的影響一般隨著深度的加大而減弱，因此預(yù)壓地基對(duì)樁基礎(chǔ)承載力的影響主要體現(xiàn)在對(duì)樁體上段樁側(cè)摩阻力的影響上。圖6 為堆載范圍邊長(zhǎng)D=20 m，堆載大小q=100 kPa 時(shí)各級(jí)樁頂荷載下對(duì)應(yīng)的樁側(cè)摩阻力分布圖。

圖6 各級(jí)荷載下預(yù)壓地基樁側(cè)摩阻力分布圖Fig.6 Distribution of preloaded pile’s skin friction under different axial load

從圖中可以看出，對(duì)土體進(jìn)行預(yù)壓后，在土體表面附近樁側(cè)摩阻力明顯得到提升，在土體深度7 m 到15 m 處，樁側(cè)摩阻力的強(qiáng)化效果明顯減弱，從第三章建模時(shí)采用的土體參數(shù)可知，該深度處的土體性質(zhì)較差，說(shuō)明預(yù)壓效果受土體性質(zhì)影響較大。將上圖中樁頂荷載v=16 200 kN 時(shí)的側(cè)摩阻力曲線和普通樁在同樣樁頂荷載時(shí)的樁側(cè)摩阻力曲線作對(duì)比如圖7 所示。圖7 在該荷載下，普通樁的樁側(cè)摩阻力已達(dá)到極限值，而承受相同荷載時(shí)，預(yù)壓地基后樁基的側(cè)摩阻力在樁身下部還沒(méi)有完全發(fā)揮，雖然樁身上段樁側(cè)摩阻力也達(dá)到了極限值，但明顯經(jīng)過(guò)預(yù)壓處理后樁身上段的極限側(cè)摩阻力得到了提高，這部分高出的側(cè)摩阻力就是樁基沉降減少的原因。

圖7 v=16 200 kN 時(shí)預(yù)壓樁和普通樁側(cè)摩阻力對(duì)比圖Fig.7 Comparison of preloaded and normal pile under load v=16 200 kN

圖8為樁頂荷載v=16 200 kN，預(yù)壓堆載q=100 kPa 時(shí)，堆載范圍邊長(zhǎng)D 不同時(shí)的樁側(cè)摩阻力對(duì)比圖。此時(shí)樁體上部的側(cè)摩阻力都以達(dá)到極限值，從圖中可以看出，在堆載相同時(shí)，堆載范圍越大，對(duì)樁身上段極限樁側(cè)摩阻力的值提高越大，而隨著深度的加深，堆載預(yù)壓對(duì)樁側(cè)摩阻力的強(qiáng)化相應(yīng)逐漸減弱，在樁身中部預(yù)壓地基中的樁和普通樁的樁側(cè)摩阻力力極限值相同。在樁身下部，堆載范圍邊長(zhǎng)D 越大樁側(cè)摩阻力越小，即樁側(cè)摩阻力可以抵抗更高的樁頂荷載。

圖8 不同預(yù)壓范圍下樁側(cè)摩阻力對(duì)比圖Fig.8 Comparison of pile’s skin friction under different preload area

圖9 為樁頂荷載v=16 200 kN，堆載范圍邊長(zhǎng)D=20 m 時(shí)，不同預(yù)壓堆載q 對(duì)應(yīng)的的樁側(cè)摩阻力對(duì)比圖。從圖中可以看出，堆載q 越大，對(duì)樁身上段樁側(cè)摩阻力極限值提高幅度越大，尤其是在較淺土層，堆載對(duì)樁側(cè)摩阻力的提高作用非常明顯。隨著土體深度加深，該增強(qiáng)效應(yīng)逐漸減弱。而且在土體性質(zhì)較差的土層處側(cè)摩阻力加強(qiáng)效應(yīng)明顯減弱。在樁身下段，由于樁體上部平衡了較大的樁頂荷載，所以下側(cè)摩阻力仍有較大發(fā)揮余地。

圖9 不同堆載大小下樁側(cè)摩阻力對(duì)比圖Fig.9 Comparison of pile’s skin friction under different surcharge

2.2 群樁模型計(jì)算結(jié)果

圖10 為D=40 m，q=100 kPa 時(shí)堆載預(yù)壓地基后樁與土體的豎向位移云圖?？梢钥闯鲈诙演d范圍內(nèi)及其外圍一定距離區(qū)域，由于堆載的作用土體的發(fā)生了明顯的下沉，說(shuō)明圖中應(yīng)力較初始狀態(tài)有所增加，從而樁側(cè)摩阻力也會(huì)受到影響。

圖10 堆載預(yù)壓地基的豎向位移云圖Fig.10 The vertical displacement contours of preload subgrade

1）樁頂荷載沉降Q-S 曲線分析

圖11 為樁距w=3 d，q=100 kPa 時(shí)不同堆載范圍邊長(zhǎng)情況下預(yù)壓地基中樁基的樁頂Q-S 曲線對(duì)比圖，圖11（a）、圖11（b）、圖11（c）分別為角樁、邊樁、中樁的樁頂Q-S 曲線。對(duì)角樁和邊樁，在同一預(yù)壓荷載下，堆載范圍的邊長(zhǎng)越大，樁基的Q-S 曲線越平緩，即承載性能越好，當(dāng)樁頂沉降S=60 mm 時(shí)，未進(jìn)行地基預(yù)壓和地基預(yù)壓范圍邊長(zhǎng)D=20 m、40 m、60 m 時(shí)，角樁的樁頂荷載分別為14 850 kN、15 860 kN、16 490 kN、16 925 kN，相應(yīng)增長(zhǎng)率分別為6.8 %、11.04 %、13.97 %；相應(yīng)條件下邊樁的樁頂荷載為14 215 kN、14 865 kN、15 460 kN、15 780 kN，增長(zhǎng)率分別為4.57 %、8.76 %、11.01 %，所以堆載范圍變化對(duì)角樁的影響明顯強(qiáng)于邊樁。從圖11（c）可以看出，預(yù)壓堆載范圍邊長(zhǎng)的變化對(duì)中樁樁頂Q-S 曲線幾乎沒(méi)有影響。

圖11 不同堆載范圍邊長(zhǎng)情況下群樁的Q-S 曲線對(duì)比圖Fig.11 Comparison of Q-S curve under the condition of different preload side

圖12 為樁距w=3 d，堆載范圍邊長(zhǎng)D=40 m 時(shí)，不同堆載大小情況下預(yù)壓地基中群樁的樁頂Q-S 曲線對(duì)比圖。由圖中可以看出，樁頂沉降s=60 mm，堆載大小分別為q=50 kPa、100 kPa、150 kPa、200 kPa 時(shí)，角樁承受荷載分別為15 635 kN、16 080 kN、16 335 kN、16 630 kN，相較未進(jìn)行地基預(yù)壓中的樁頂荷載分別增加5.29 %、8.28 %、10 %、11.99 %；邊樁承受荷載分別為14 800 kN、5 190 kN、15 460 kN、15 835 kN，相較未進(jìn)行地基預(yù)壓中的樁頂荷載分別增加4.15 %、6.9 %、.8 %、11.44 %，所以預(yù)壓堆載的增加對(duì)角樁和邊樁的承載力均有一定程度的增大作用，同時(shí)在相同堆載增加情況下，角樁承載力的提高程度要高于邊樁。由圖(c)可以看出，對(duì)于中樁而言，堆載大小的變化所對(duì)應(yīng)的樁頂Q-S 曲線與未進(jìn)行堆載預(yù)壓的Q-S 曲線基本重合，說(shuō)明堆載大小變化對(duì)中樁的承載力幾乎沒(méi)有影響。

圖12 堆載大小不同時(shí)群樁樁頂荷載沉降曲線對(duì)比Fig.12 Comparison of Q-S curve under the condition of different preload

2）樁側(cè)摩阻力曲線分析

圖13 為樁距w=3 d，樁頂荷載v=14 400 kN時(shí)，未進(jìn)行地基預(yù)壓的群樁基礎(chǔ)和地基預(yù)壓范圍邊長(zhǎng)D=40 m，堆載q=100 kPa 的預(yù)壓地基中的群樁的樁側(cè)摩阻力對(duì)比圖。從圖中可以看出，地基預(yù)壓后角樁和邊樁在樁身上段的樁側(cè)摩阻力較未進(jìn)行地基預(yù)壓的角樁和邊樁的樁側(cè)摩阻力明顯增加。而對(duì)于中樁而言，地基預(yù)壓后其樁側(cè)摩阻力的發(fā)揮程度反而有所減小，說(shuō)明地基預(yù)壓對(duì)角樁和邊樁的樁側(cè)摩阻力有增強(qiáng)作用，而對(duì)中樁影響較小。

圖13 未預(yù)壓地基和預(yù)壓地基中的群樁樁側(cè)摩阻力對(duì)比圖Fig.13 Comparison of pile’s skin friction of piles in unpreloaded subgrade and preloaded subgrade

圖14 為樁距w=3 d，樁頂荷載v=14 400 kN，預(yù)壓堆載q=100 kPa 時(shí)，堆載范圍邊長(zhǎng)D 不同時(shí)的群樁角樁樁側(cè)摩阻力對(duì)比圖?？梢钥闯龆演d范圍越大，樁身上段25 m 范圍內(nèi)的樁側(cè)摩阻力極限值越大，而深度繼續(xù)加深時(shí)地基預(yù)壓對(duì)樁側(cè)摩阻力則不再有增強(qiáng)的效果。

圖14 不同預(yù)壓范圍下角樁樁側(cè)摩阻力對(duì)比圖Fig.14 Comparison of corner pile’s skin friction under different preload area

圖15 為樁距w=3 d，樁頂荷載v=14 400 kN，堆載范圍邊長(zhǎng)D=40 m 時(shí)，不同大小堆載q 對(duì)應(yīng)的群樁角樁樁側(cè)摩阻力對(duì)比圖。從圖中可以看出，堆載q 越大，樁身上段樁側(cè)摩阻力極限值太高越大，且在土體淺層樁側(cè)摩阻力提高程度非常明顯。堆載范圍和堆載量的增加無(wú)論為群樁還是單樁都明顯的提高了樁身上段的樁側(cè)摩阻力，但分別對(duì)比圖8與圖14，圖9 與圖15 可發(fā)現(xiàn)，堆載預(yù)壓對(duì)單樁樁側(cè)摩阻力的提高程度要強(qiáng)于群樁，說(shuō)明群樁效應(yīng)的存在減弱了堆載預(yù)壓地基對(duì)樁承載力提高的作用。

圖15 不同堆載大小下角樁樁側(cè)摩阻力對(duì)比圖Fig.15 Comparison of corner pile’s skin friction under different surcharge

3 結(jié)語(yǔ)

本文利用ABAQUS 有限元軟件對(duì)地基預(yù)壓后的樁基承載性狀進(jìn)行研究，得出結(jié)論如下：

1）堆載預(yù)壓地基可以提高樁基承載力，提高程度隨著堆載大小和堆載范圍的增大而增大。堆載范圍邊長(zhǎng)較小時(shí)，堆載大小的增加對(duì)樁頂沉降的減小作用較不明顯，隨著堆載范圍邊長(zhǎng)的增加，堆載大小的增加對(duì)樁頂沉降減小的作用越來(lái)越明顯。

2）堆載預(yù)壓地基后，樁側(cè)摩阻力會(huì)因樁周土體應(yīng)力增加而得到明顯強(qiáng)化，但預(yù)壓對(duì)樁側(cè)摩阻力的增大效果受到土體性質(zhì)的影響，且堆載對(duì)土體的影響一般隨著深度的加大而減弱，因此預(yù)壓地基對(duì)樁基礎(chǔ)承載力的影響主要體現(xiàn)在對(duì)樁體上段樁側(cè)摩阻力的影響上。

3）地基經(jīng)過(guò)預(yù)壓后，群樁的角樁和邊樁的承載性能有所提高，而預(yù)壓地基對(duì)中樁的承載力幾乎沒(méi)有影響；堆載范圍邊長(zhǎng)和預(yù)壓堆載的增加會(huì)明顯提高群樁樁身上段的樁側(cè)摩阻力，但與單樁相比，群樁效應(yīng)的存在減弱了堆載預(yù)壓地基對(duì)樁側(cè)摩阻力的提高作用。