鉆孔灌注樁單樁豎向極限承載力敏感性分析

劉烜

摘要：為研究在軟土地區(qū)鉆孔灌注樁單樁的豎向極限承載力及其對各種環(huán)境干擾因子的敏感性，采用有限元法，對尼日利亞拉各斯阿利莫修 1.57km路橋樁基結(jié)構(gòu)進行研究。分析不同地層、不同樁長樁頂荷載下的樁沉降情況，以及不同樁長時所對應(yīng)的單樁極限強度、樁極限沉降能力和單樁側(cè)摩壓力等主要技術(shù)指標(biāo)。計算結(jié)果表明：樁頂荷載較小時，樁處于彈性階段，隨著樁頂荷載的不斷增大，樁沉降也會不斷增大。樁頂附近的土層對單樁極限承載力的影響十分微小，但單樁承載塑性性能會隨土層性質(zhì)變化而改變，且沉降塑性性能隨著土層彈性模量、硬度的增大而變差。不同樁長樁頂荷載與樁沉降變化趨勢呈倒L型。單樁極限承載力變化隨樁長變化基本保持穩(wěn)定變化，單樁極限沉降與樁長變化趨勢呈S型。單樁長度小于40m，樁端承載力發(fā)揮主要作用，單樁長度在60～80m時為樁側(cè)摩阻力發(fā)揮主要作用。

關(guān)鍵詞：鉆孔灌注樁；單樁；豎向極限承載力；敏感性

0? ?引言

沿海地區(qū)的土質(zhì)較為松散，地基承載能力較弱，由此高層建筑對基礎(chǔ)的承載力要求越來越高。對地質(zhì)條件不好的區(qū)域如軟土地區(qū)，為了有效提高高層建筑基礎(chǔ)的承載力，常采用鉆孔灌注樁。鉆孔灌注樁具有承載力高、地層條件適應(yīng)性強等諸多優(yōu)勢，因此成為眾多工程建設(shè)重要的基礎(chǔ)形式[1-2]。

近年來，有批學(xué)者開展了鉆孔灌注樁極限承載力研究。孫軍偉[3]基于賈魯河上斜拉景觀橋作為研究對象，開展了超長大直徑鉆孔灌注樁的承載力的研究，對大橋樁基礎(chǔ)的承載極限給出了對應(yīng)的值。王名川、郭世博[4]對超長大直徑鉆孔灌注樁的承載性能進行了數(shù)值分析，并研究了不同的因素對其的影響。孫其超[5]則是基于常州高架橋道路為背景，利用大量現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，分析了常州地區(qū)大直徑深長鉆孔灌注樁在豎向荷載作用下，樁土體系荷載傳遞的過程和規(guī)律。學(xué)者馬雪濤[6]利用基于有限差分的大型巖土工程數(shù)值分析軟件FLAC3D，對大直徑超長柱承載性能的各向指標(biāo)，以及通過何種方式可以大幅度提升樁基的承載能力進行了分析。從分析結(jié)果中可知，單樁的彈性模量會隨著組成單樁的混凝土強度的提升顯著增大。在實際工程中，應(yīng)綜合考慮造價、材料性質(zhì)和加工容易程度等指標(biāo)。提升樁基的承載能力不能一味的增大某個參數(shù)，也需要根據(jù)實際工程綜合考慮，選擇在實際工程中最為合適的參數(shù)。

為了探究軟土地區(qū)鉆孔灌注樁單樁的豎向極限承載力對不同影響因素的敏感度，本文以尼日利亞拉各斯阿利莫修1.57km路橋為研究依托，采用有限元法，對尼日利亞拉各斯阿利莫修1.57km路橋樁基結(jié)構(gòu)進行研究，分析不同地層、不同樁長樁頂荷載下的樁沉降情況，以及不同樁長時所對應(yīng)的單樁極限強度、樁極限沉降能力和單樁側(cè)摩壓力等主要技術(shù)指標(biāo)。

1? ?工程概況

1.1? 工程基本情況

該路橋項目位于拉各斯中西部，是沿LASU IBA主路（通往奧貢、機場方向）的一條支路，項目現(xiàn)場距巴達(dá)格瑞高速公路 TRADE FAIR 營地20km（坐車約需30～40min）。該項目包含一座樁板橋（跨過一條小溪）以及部分道路，連接LASU IBA和Candos的道路長度約1.58km，其中木橋為270m，公路長度1.31km，道路主要是紅土路面，路況較差，橋兩端是一個大坡。

1.2? 地質(zhì)狀況

該路橋工程地區(qū)的土層由淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土、卵石土、強風(fēng)化礫巖和中風(fēng)化礫巖構(gòu)成。不同材質(zhì)的土層厚度、含水量、強度、壓縮性、產(chǎn)生塑性形變?nèi)菀壮潭榷疾煌?。地基土層厚度及其特點匯總?cè)绫?所示。因不同土層材質(zhì)不同，所以所具有的物理力學(xué)性質(zhì)也不同，其具體力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)見表2。

2? ?數(shù)值計算

本文利用基于有限差分的大型巖土工程數(shù)值分析軟件FLAC3D來進行仿真計算，其設(shè)置條件土層采用莫爾-庫侖模型。該模型能全方位的表征巖石和土層的強度特性，適用場合也較為廣泛，可用于脆性材料及塑性材料。為了計算簡便，使土力學(xué)中使用的材料破壞條件與巖石或者土層材料破壞條件一致，可用庫侖方程式對其進行表征，具體計算公式如下：

τ?=c-σ tanφ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

式中：c代表巖石凝聚力；φ代表巖石內(nèi)摩擦角；σ代表法向應(yīng)力；τ?代表材料剪應(yīng)力極限

樁基采用Embedded樁單元，Embedded樁單元可以模擬桿件與巖土體間的接觸及相互作用，經(jīng)常被用來模擬樁、土釘、巖石錨桿、錨桿注漿體等結(jié)構(gòu)。給定不同材質(zhì)的土層，軟件會計算出相應(yīng)的側(cè)摩阻力。仿真模型采用平面應(yīng)變模型，荷載方式為電荷載。將土層范圍設(shè)為130m×110m（水平×垂直），以保證實際工程情況下樁基的受力情況。

3? ?計算結(jié)果分析

根據(jù)計算結(jié)果，分析單樁的豎向極限承載力對不同影響因素的敏感度。

3.1? ?單樁豎向承載力受樁頂土層影響分析

在實際工程中，淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土土層厚度為9.2m，卵石土土層厚度為2.2m，該土層為極軟土層，此處為樁頂附近的土層。利用軟件仿真，計算樁頂9.2m范圍內(nèi)軟土層（包含淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土和卵石土土層）對單樁豎向承載力的影響，其樁沉降與樁頂荷載關(guān)系見圖1。

從圖1可以看出：當(dāng)樁頂荷載較小時，樁頂荷載和樁沉降關(guān)系接近線性；當(dāng)樁頂?shù)暮奢d力繼續(xù)變大后，樁頂荷載和樁沉降關(guān)系將不再維持線性關(guān)系。當(dāng)樁頂荷載突破一定界限，即使樁頂荷載產(chǎn)生微小變化，也會引起樁沉降的激降。

當(dāng)土層為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，樁頂荷載拐點加載力為11.0MN，此時樁沉降為3mm；當(dāng)土層為卵石土，樁頂荷載拐點加載力為10.9MN，此時樁沉降為2.5mm。

當(dāng)土層為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，當(dāng)樁頂荷載超過11.3MN；微小的樁頂荷載變化會導(dǎo)致樁沉降激增，樁頂荷載為11.3MN時樁沉降為8.6mm。當(dāng)土層為卵石土，當(dāng)樁頂荷載超過11.2MN的樁頂荷載變化會導(dǎo)致樁沉降激增，樁頂荷載為11.2MN時樁沉降為3.3mm。

當(dāng)淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土和卵石土極限荷載力相近時，樁沉降差值較大。不同的土層，單樁承載塑性不同，當(dāng)土層的硬度發(fā)生變化時，單樁沉降塑性性能也會隨之改變。

3.2? ?單樁豎向承載力受單樁樁長影響分析

實際工程中，淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土土層厚度為9.2m，該土層為極軟土層，此處為樁頂附近的土層。經(jīng)計算，得到樁豎向承載力與單樁樁長關(guān)系單樁豎向承載力隨單樁樁長變化如圖2所示，單樁極限沉降與單樁極限承載力隨樁長變化如圖3所示。

從圖2可以看出，不樁長樁頂荷載與樁沉降變化趨勢大致都呈倒L型。對于相同的樁沉降，單樁樁長越長所需要的樁頂荷載越大，單樁樁長越長，樁頂荷載F拐點值越大。

從圖3可得，當(dāng)單樁長度等間隔變化時，單樁的極限承載力的變化大概保持線性。而其極限沉降在樁長為40m和60m時極限沉降變化量會增大。

3.3? ?沿樁長傳力受樁長變化影響分析

實際工程中，淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土土層厚度為9.2m，該土層為極軟土層，此處為樁頂附近的土層。單樁樁長為40.0m、60.0m和80.0m時，施加樁頂荷載為6000kN，經(jīng)計算分析，得到樁頂附近土層樁身各點軸力隨著不同樁長變化如圖4所示，樁身側(cè)摩阻力隨不同樁長變化如圖5所示。

從圖4可得，單樁長度為60.0m和80.0m時，軟土層中的樁身各點所受到的軸力幾乎相同。在土層中同樣的樁身位置，單樁長度40.0m的樁身軸力，相比于單樁長度為60.0m和80.0m樁身軸力小。當(dāng)單樁長度大于60.0m時，樁底反力的影響可以忽略。樁長為40.0m的單樁樁底反力，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于樁長為60.0m和80.0m的單樁。

從圖5可以觀察到，對于單樁長度為40.0m、60.0m和80.0m的單樁來說，在樁身相同位置側(cè)摩阻力幾乎一致。樁長為40.0m的單樁在40.0m處的側(cè)摩阻力，由于樁底反力的存在，樁身側(cè)摩阻力出現(xiàn)了明顯下降。

4? ?結(jié)束語

本文探究軟土地區(qū)鉆孔灌注樁單樁的豎向極限承載力對不同影響因素的敏感度，分析了不同土層、不同樁長樁頂荷載時的樁沉降以及不同樁長時對應(yīng)的單樁極限承載力、樁極限沉降和樁側(cè)摩阻力等指標(biāo)。主要結(jié)論如下：

當(dāng)樁頂荷載較小時，樁頂荷載和樁沉降關(guān)系接近線性。當(dāng)樁頂?shù)暮奢d力繼續(xù)變大，樁頂荷載和樁沉降關(guān)系將不再維持線性關(guān)系。當(dāng)樁頂荷載突破一定界限，即使樁頂荷載產(chǎn)生微小變化，也會引起樁沉降的激降。不同的土層單樁承載塑性不同，當(dāng)土層的硬度發(fā)生變化時，單樁沉降塑性性能也會隨之改變。

樁長樁頂荷載與樁沉降變化趨勢大致都呈倒L型，對于相同的樁沉降，單樁樁長越長所需要的樁頂荷載越大，單樁樁長越長，樁頂荷載的拐點值越大。

單樁極限承載力變化隨樁長變化基本保持穩(wěn)定變化，單樁極限沉降與樁長變化趨勢呈S型，在樁長為40m和60m時極限沉降變化量會增大。單樁長度為60m和80m樁身的各點軸向力基本相等，在同一樁身情況下。單樁豎向抗壓承載力長度為40m的樁身軸向力量，比單樁豎向抗壓承載力長度為60m和80m樁身軸向力小。當(dāng)單樁長度超過60m后，樁底反力的影響便可忽略不計。

參考文獻

[1] 馬文龍，牛兵，張曉波，等.鉆孔灌注樁單樁靜載荷試驗研

究[J].安徽建筑，2021，28（11）：172-173+178.

[2] 周旭榮，朱江江，尚旭陽，張紅，張吉明.一種新的鉆孔灌

注樁單樁豎向極限承載力公式[J].內(nèi)蒙古石油化工，2008，

34（21）：76-77.

[3] 孫軍偉.超長大直徑鉆孔灌注樁的承載力檢測與分析[J].中

國水運，2015（8）：348-351.

[4] 王名川.超長大直徑鉆孔灌注樁群樁承載性能分析[D].合

肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2014.

[5] 孫其超.大直徑深長鉆孔灌注樁單樁豎向承載性能研究[D].

上海同濟大學(xué)，2008.

[6] 馬雪濤.超長大直徑鉆孔灌注樁承載性能分析[D].合肥：

安徽建筑大學(xué)，2021..