劉麗萍 ，王建政 ，王勝利

(1.西安工業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院，西安 710021；2.陜西省電力設(shè)計(jì)院，西安 710054)

棄渣場(chǎng)是一種特殊的人工地質(zhì)體，一般由松散的土體和碎石等工程廢棄物構(gòu)成，孔隙率大，顆粒均勻性差，從幾厘米到幾米都有存在，在該地質(zhì)條件下進(jìn)行樁基施工有很多不確定因素，軸力分布與側(cè)摩阻力分布有別于一般地基條件.文獻(xiàn)[1]以夯實(shí)擴(kuò)底灌注樁為例，對(duì)樁基施工承載機(jī)理進(jìn)行分析，探討了單樁承載力的分布規(guī)律.文獻(xiàn)[2]通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)對(duì)夯擴(kuò)碎石樁單樁載荷進(jìn)行了分析，模擬了地基條件對(duì)單樁載荷分布的影響.文獻(xiàn)[3]通過數(shù)值模擬方法探討了多層地基條件下單樁負(fù)摩阻力的分布規(guī)律.針對(duì)棄渣場(chǎng)樁基工程，現(xiàn)行樁基施工規(guī)范缺乏針對(duì)性的指導(dǎo)，相關(guān)的研究較少.為此，文中以棄渣場(chǎng)樁基工程為依托，研究了夯擴(kuò)樁在棄渣場(chǎng)地質(zhì)條件下的工作性狀，以期為類似的工程實(shí)踐提供參考.

1 工程概況

佛坪330 kV開關(guān)站站址位于漢中市佛坪縣東南方向5 km處的東岳殿村東側(cè)，站址北側(cè)為鄉(xiāng)村路，鄉(xiāng)村路向西1.5 km直通G108國道，站址南側(cè)為河道.站址處于西成高鐵的棄渣場(chǎng).根據(jù)勘察結(jié)果及巖土工程資料，擬建站址內(nèi)分布的主要地層巖性為人工新近堆積的雜填土、碎石(堆體)、第四系全新統(tǒng)沖洪積形成的粉質(zhì)黏土、礫砂和卵石等，下部為震旦系花崗片麻巖.各巖層土的特征及分布具體描述見表1.

表1 各巖層土的特征及分布

2 棄渣場(chǎng)夯擴(kuò)樁三維模型建立

文中樁體定義為彈性模型，土體定義為摩爾-庫倫模型.土體的參數(shù)及各模型材料參數(shù)見表2.

樁徑樁長(zhǎng)均按現(xiàn)場(chǎng)試樁尺寸取值，樁長(zhǎng)L=12 m，樁徑d=0.35 m,擴(kuò)大頭直徑D=0.6 m.土體所取計(jì)算范圍：X方向取10 m，Y方向取10 m，Z方向取25 m.樁身的建立采用柱體網(wǎng)格單元體沿n1r1，n2r2，n3r3三個(gè)方向劃分的網(wǎng)格個(gè)數(shù)依次為3,30,6，比率為1；樁端擴(kuò)大頭的建立仍采用柱體網(wǎng)格，單元體沿n1r1，n2r2，n3r3三個(gè)方向劃分的網(wǎng)格個(gè)數(shù)依次為3,3,6，比率為1；擴(kuò)大頭模樁樁周土體采用柱形隧道外圍漸變放射網(wǎng)格單元分層建立，沿n1r1，n2r2，n3r3，n4r4四個(gè)方向劃分的網(wǎng)格數(shù)依次為3,30,6,15，比率為1；樁端以下土體仍用柱形隧道外圍漸變放射網(wǎng)格單元建立，并用Fill命令對(duì)中間圓柱體進(jìn)行填充，網(wǎng)格劃分個(gè)數(shù)分別為3,30,6,10，比率同上.接觸面的建立采用移來移去法[2]，通過模型計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比，確定接觸面黏聚力和內(nèi)摩擦角的取值為相應(yīng)土層的黏聚力和內(nèi)摩擦角的0.75倍.模型網(wǎng)格劃分及接觸面如圖1～2所示.

表2 材料參數(shù)取值

注：碎石層為西成高鐵的隧道棄渣，該層土在場(chǎng)地內(nèi)均有分布，顆粒粒徑雜亂，大小不一，均勻性差.

圖1 模型土層網(wǎng)格劃分(透明度為70%)Fig.1 Grid partition of model soil layer (transparency 70%)

圖2 樁土接觸面

3 模型的加載計(jì)算及結(jié)果分析

建好模型，對(duì)邊界施加約束，并進(jìn)行初始應(yīng)力平衡及位移清零，然后在樁頂分級(jí)施加荷載，荷載值與現(xiàn)場(chǎng)靜載試驗(yàn)各級(jí)荷載值完全相同，文中荷載值以樁頂應(yīng)力的方式分級(jí)加載計(jì)算[4-11].應(yīng)力分級(jí)見表3.

表3 樁頂應(yīng)力分級(jí)

單樁靜荷載試驗(yàn)?zāi)M[12-15]計(jì)算結(jié)束后，對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行處理和分析，并得出荷載-沉降(Q-S)曲線，樁身軸力曲線，樁側(cè)摩阻力分布曲線等.

1)Q-S曲線

在應(yīng)力加載過程中，提取每一級(jí)荷載下的樁頂位移，并與現(xiàn)場(chǎng)試樁實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比，見表4.

表4 分級(jí)荷載沉降量

通過圖3所示單樁數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果的Q-S曲線對(duì)比，可以看出模擬結(jié)果曲線與現(xiàn)場(chǎng)試樁的Q-S曲線總體趨勢(shì)基本一致且當(dāng)荷載較小時(shí)，荷載Q與沉降S為線性關(guān)系，隨著荷載的增大，沉降增速也逐漸增大，Q-S曲線變?yōu)榉蔷€性，呈典型的端承樁特征.模擬的單樁最終沉降量和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的單樁最終沉降量分別為17.65 mm，17.86 mm，可以看出模擬值與實(shí)測(cè)值較為接近，說明利用FLAC3D軟件建立的模型能較好地模擬單樁在豎向分級(jí)荷載作用下的樁頂沉降關(guān)系，建模過程中的網(wǎng)格劃分，土層及接觸面參數(shù)的確定是合理的，為樁身軸力和樁側(cè)摩阻力的數(shù)值分析奠定基礎(chǔ).

圖3 模擬與實(shí)測(cè)Q-S曲線對(duì)比

2) 樁身軸力分析

各級(jí)荷載下軸力模擬曲線如圖4所示.由圖4可以看出,當(dāng)荷載等級(jí)為160 kN，樁身下端軸力為零，隨著荷載等級(jí)的增大，樁身下部逐漸產(chǎn)生了軸力，樁端阻力也開始逐漸顯現(xiàn)出來.在每級(jí)荷載作用下，樁身軸力都呈現(xiàn)隨深度先上升后下降的趨勢(shì)，在樁身的中部軸力線呈凸起狀，樁身軸力最大值不在樁頂處，而在樁身中部.結(jié)合棄渣場(chǎng)的地質(zhì)條件，由于棄渣場(chǎng)孔隙率較大，粒徑分布不均勻?qū)е聵渡砩喜客翆拥某两抵荡笥跇侗旧沓两担瑢?duì)樁身產(chǎn)生下拽力，使樁身軸力增加.不同等級(jí)荷載作用下相同深度處樁身軸力分布曲線的斜率存在差異，這反映出樁側(cè)摩阻力的發(fā)揮水平存在差異，軸力分布曲線的斜率越小，軸力差越小，即側(cè)摩阻力越小，斜率越大，軸力差越大，側(cè)摩阻力發(fā)揮值越大.隨著荷載等級(jí)的增加樁端軸力值也逐漸增大，當(dāng)荷載等級(jí)大于320 kN時(shí)，樁端軸力值約占樁頂荷載的70%以上，進(jìn)一步說明本次試驗(yàn)的各試樁均為端承摩擦樁.

圖4 各級(jí)荷載下軸力模擬曲線

3) 樁側(cè)摩阻力

樁側(cè)摩阻力分布曲線如圖5所示.由圖5可以看出不同樁頂荷載下單樁樁側(cè)摩阻力分布曲線[16]變化趨勢(shì)大致相同并可得出,樁側(cè)摩阻力的分布以中性點(diǎn)(距樁頂5 m左右)為界，該點(diǎn)上部摩阻力為負(fù)值，該點(diǎn)下部摩阻力為正值.隨著荷載等級(jí)的增大，樁身上部負(fù)摩阻力區(qū)域不斷減小，樁身下部的正摩阻力區(qū)域逐漸增大，中性點(diǎn)的位置向上移動(dòng).這是由于隨著樁頂荷載的增大，樁身壓縮量增大，樁端也發(fā)生刺入下沉，樁身上部樁土相對(duì)位移減小，所以樁側(cè)負(fù)摩阻力減小.

圖5 樁側(cè)摩阻力分布曲線

4 結(jié) 論

采用FLAC3D軟件建立夯擴(kuò)樁單樁三維模型，得出了棄渣場(chǎng)地質(zhì)條件下樁體在不同樁頂荷載下的工作性狀，并與現(xiàn)場(chǎng)靜載試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比得到結(jié)論為

1) 在棄渣場(chǎng)地質(zhì)條件下，隨著樁頂荷載的逐漸增大，單樁的Q-S曲線呈現(xiàn)緩變形，無明顯拐點(diǎn)，說明棄渣場(chǎng)夯擴(kuò)樁為端承樁，樁頂荷載主要由樁端阻力承受，這與設(shè)計(jì)吻合.

2) 在棄渣場(chǎng)地質(zhì)條件下，樁頂在同級(jí)荷載作用時(shí)，樁身軸力的最大值不在樁頂，而在樁身中上部，這是因?yàn)闂壴镣临|(zhì)疏松，孔隙率大，粒徑分布不均勻?qū)е庐a(chǎn)生一定大小的下拽力，使樁身軸力增大.

3) 在棄渣場(chǎng)地質(zhì)條件下，樁側(cè)摩阻力不是一直為正，而是出現(xiàn)了一定區(qū)域的負(fù)摩阻力，并隨著樁頂荷載等級(jí)的增大，負(fù)摩阻力區(qū)域逐漸減小.說明棄渣場(chǎng)由于存在大量新近堆積的棄渣土自重固結(jié)和夯擴(kuò)施工的共同作用，使樁周土體的沉降量大于樁體本身，從而產(chǎn)生樁側(cè)負(fù)摩阻力，因此，在工程設(shè)計(jì)施工中應(yīng)充分考慮負(fù)摩阻力對(duì)樁基的影響.