戴良軍，馮忠居，崔林釗，王 潔，董蕓秀，文軍強(qiáng)，馮 凱

（1.安徽建工集團(tuán)有限公司，安徽 合肥 230000；2.長安大學(xué) 公路學(xué)院，陜西 西安 710064；3.安徽省路橋工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，安徽 合肥 230000）

0 引 言

隨著交通行業(yè)的發(fā)展，公路橋梁的跨徑不斷增長，橋梁樁基礎(chǔ)也向大直徑深長樁方向發(fā)展，而大直徑深長水泥灌注樁基礎(chǔ)存在自重大、水化熱量高、連續(xù)灌注難度大以及剛護(hù)筒下沉、成孔、鋼筋籠下放困難等缺點(diǎn)，無形中增加了施工難度和質(zhì)量風(fēng)險［1－3］，且護(hù)壁泥漿及孔底沉渣難以徹底清除，必然會對樁基承載性能產(chǎn)生影響［4－6］。針對上述問題，一種新型的樁基技術(shù)——超大直徑空心獨(dú)立復(fù)合樁基礎(chǔ)越來越受到關(guān)注。該樁型核心區(qū)域采用截面更合理的鋼筋混凝土空心樁，外圍布設(shè)一圈密封的水泥攪拌樁以穩(wěn)定孔壁、阻隔地下水，并在水泥攪拌樁與鋼筋混凝土空心樁間預(yù)留的土體中進(jìn)行高壓噴射注漿，使空心樁、注漿土、水泥攪拌樁形成整體，共同承載。超大直徑空心獨(dú)立復(fù)合樁基礎(chǔ)的樁周注漿土、注漿土外側(cè)的水泥攪拌樁，都大大改善了樁周土的工程特性及其樁-土相互作用，但這一作用對承載力改善的程度如何，還有待深入分析。

目前，超大直徑空心獨(dú)立復(fù)合樁基特性的研究尚處于探索階段，國內(nèi)外相關(guān)研究主要集中在空心樁或復(fù)合樁的范疇，如馮忠居、李晉等［7－12］就針對大直徑鉆埋空心樁的承載特性及相關(guān)參數(shù)對其的影響做了較為系統(tǒng)的研究，認(rèn)為大直徑空心樁具有更合理的截面形式以及較好的承載性能，克服了傳統(tǒng)鉆孔灌注樁的弊病，具有良好的推廣應(yīng)用價值；石慶瑤等［13］利用計算推力樁綜合剛度原理和雙參數(shù)法，比較了不同土質(zhì)、不同截面類型的樁基礎(chǔ)水平向承載力，研究表明砂土和黏土中使用空心樁，風(fēng)化巖使用鋼管混凝土樁都具有較好的承載性能；李晉等［14］利用MARC有限元軟件建立空心樁的三維模型，研究分析了橫軸向荷載作用下的承載特性，得到了樁身水平位移第一零點(diǎn)的變化規(guī)律；張永謀等［15］研究了實心樁與空心樁在橫軸向動載作用下的承載性能，結(jié)果表明空心樁樁頂撓度、轉(zhuǎn)角更小，單位體積承載力更高。馮忠居等［16］對鋼護(hù)筒與鋼筋混凝土樁形成的鋼管混凝土復(fù)合樁進(jìn)行了離心模型試驗研究，結(jié)果表明其橫軸向承載特性與普通鋼筋混凝土樁存在巨大差異。

為了研究超大直徑空心獨(dú)立復(fù)合樁基樁周土體注漿、水泥攪拌樁對復(fù)合樁橫軸向承載力的提高程度，本文利用MARC有限元軟件，分析在不同空心樁設(shè)計參數(shù)、不同注漿體參數(shù)、不同水泥攪拌樁設(shè)計參數(shù)條件下，超大直徑空心獨(dú)立復(fù)合樁的橫軸向極限承載力變化規(guī)律，為超大直徑空心獨(dú)立復(fù)合樁基礎(chǔ)的推廣應(yīng)用提供借鑒。

1 有限元建模

1.1 幾何模型及單元劃分

結(jié)合樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)和有限元計算分析，通過大量試算，確定在計算中樁側(cè)和樁底巖土體取10倍的樁徑范圍，樁底到模型底面邊界取40m，土層分樁周土和持力層上、下兩層，樁進(jìn)入持力層深度為4m。模型建立過程中，將樁側(cè)水泥攪拌樁簡化為圓環(huán)；將實體離散成有限元單元時，加密橋梁樁基及其周圍土體單元，實現(xiàn)由近到遠(yuǎn)、由密到疏的過渡。超大直徑空心獨(dú)立復(fù)合樁基礎(chǔ)的幾何示意、有限元計算模型三維網(wǎng)格劃分如圖1所示。

圖1 超大直徑空心獨(dú)立復(fù)合樁模型

1.2 參數(shù)選取

有限元分析中樁身混凝土材料的彈性模量取3.0×104MPa，泊松比取0.20，地層、加固區(qū)的巖土材料具體參數(shù)見表1。

表1 域巖土材料參數(shù)

1.3 計算方案

考慮橫軸向荷載作用下超大直徑空心獨(dú)立復(fù)合樁基礎(chǔ)的受力特性，建立空心樁-注漿土-水泥攪拌樁相互作用模型，通過模擬空心樁的設(shè)計參數(shù)變化（樁長、樁徑）、注漿土參數(shù)變化（厚度、模量）和水泥攪拌樁的參數(shù)變化（樁長、模量），研究不同樁身設(shè)計參數(shù)下復(fù)合樁基礎(chǔ)的橫軸向承載特性。具體計算工況如表2、3所示。

表2 幾何參數(shù)變化計算工況

2 結(jié)果分析

為滿足結(jié)構(gòu)物和樁-土變形條件的安全，取樁基在地表處水平位移不超過6mm作為單樁橫軸向荷載作用下極限承載力H 的判斷標(biāo)準(zhǔn)，H 為樁基橫軸向極限承載力。定義α為各工況變化絕對增幅。

式中：H0為樁基礎(chǔ)工況下復(fù)合樁的橫軸向承載力；Hi為各工況變化下樁基的橫軸向承載力。

2.1 樁身尺寸參數(shù)對橫軸向承載力的影響

2.1.1 樁長因素

樁長L變化下樁基礎(chǔ)橫軸向極限承載力與增加幅度變化規(guī)律如圖2所示。

從圖2可以看出，當(dāng)樁徑一定時，樁長增長，樁基的橫軸向極限承載力呈增大趨勢，但在一定樁長后逐漸趨緩。以樁徑5m為例，樁長從10m增加到50m時，樁基橫軸向極限承載力增加了29.4%～46.8%，樁長超過20m后增幅明顯減緩，超過30m（L／D＝6）后基本不再增長，說明樁徑為5m，樁長超過30m后，樁已經(jīng)表現(xiàn)為柔性樁，繼續(xù)增加樁長對橫軸向承載力提高有限。

樁徑2.5m時，樁長超過20m（L／D＝8）后橫向承載力基本不再增加；樁徑為3.5m時樁基承載力隨樁長變化規(guī)律與樁徑為5m時類似，在樁長為20m時（L／D＝5.7）出現(xiàn)明顯轉(zhuǎn)折增幅減緩，但減小幅度較樁徑為5m時更大；樁徑為7.5m時，樁長超過40m（L／D＝5.3）后承載力增幅明顯減緩；樁徑為10m時，樁長從10m增加到50m（L／D＝5），橫軸向承載力一直近似呈直線增加未出現(xiàn)明顯折點(diǎn)。以上分析說明，隨著樁長增加，長徑比隨之增加，當(dāng)長徑比達(dá)到某一值后，樁基從剛性樁過渡到柔性樁，因此當(dāng)樁徑一定時，隨著樁長的增加，當(dāng)長徑比達(dá)到界限值后，再增加樁長對提高橫軸向承載力意義不大，且這一長徑比分界值在L／D＝6附近。

圖2 樁長變化對橫軸向極限承載力的影響

2.1 .2 樁徑因素

樁徑D變化下樁基礎(chǔ)橫軸向極限承載力與增加幅度如圖3所示。

圖3 樁徑變化對橫軸向極限承載力影響

從圖3可以看出，當(dāng)樁長一定時，隨著樁徑的增加，樁基橫軸向極限承載力呈增加趨勢。以樁長30 m為例，樁徑從2.5m增加到10m時，樁基橫軸向極限承載力增加了23.9%～265.5%，且樁徑超過3.5m后增加速率明顯變大但仍近似呈直線，說明樁徑超過3.5m后，樁基礎(chǔ)開始表現(xiàn)出剛性樁的特性，其受力模式發(fā)生了變化。

樁長為20、40、50m時，樁基橫向承載力隨樁徑的變化規(guī)律與樁長30m時基本一致，且樁長越長橫向承載力越大，相應(yīng)的增幅也就越大；樁長為10m時，橫向承載力隨樁徑的變化規(guī)律與其他樁長下的規(guī)律明顯不同，隨著樁徑的增加橫向承載力增加速度越來越快，呈二次函數(shù)增長，其增幅曲線與其他樁長下的曲線相交，原因可能是樁徑從2.5m增大至10m時，樁的長徑比從4減小到1，樁基礎(chǔ)從樁逐漸向擴(kuò)大基礎(chǔ)的形式變化，其橫向承載力由側(cè)向土和樁底的抗傾覆能力共同提供。

2.2 注漿體參數(shù)對橫軸向承載力的影響

2.2.1 注漿體厚度

樁徑5m，樁長分別為10、30、50m時注漿體厚度b變化下，復(fù)合樁基礎(chǔ)橫軸向極限承載力與增加幅度如圖4所示。

圖4 注漿體厚度變化對橫軸向承載力的影響

從圖4可以看出，樁橫軸向承載力隨注漿體厚度增加呈增大趨勢，樁長越長增幅越小，注漿厚度0.5m后增幅明顯減緩。注漿體厚度對不同樁長的橫軸向承載力的影響差異較大：隨注漿體厚度增加，樁長30m（L／D＝6）、50m（L／D＝10）的承載力的增幅大致相同且都較小，注漿體厚度增加到1.0m時最大增幅分別為7.2%、6.9%；樁長10m（L／D＝2）時，注漿體厚度增加到1.0m，承載力的增幅較大為10.3%。

上述分析表明，注漿體厚度的增加對剛性短樁橫軸向承載力的增強(qiáng)作用更明顯，對偏柔性的長樁作用較弱。原因可能是柔性長樁在橫軸向荷載作用下發(fā)生撓曲變形，樁身下部認(rèn)為已經(jīng)錨固，此時樁自身的橫截面剛度起重要作用，而注漿土體厚度增加對復(fù)合樁整體橫截面剛度的增強(qiáng)作用不大；在橫軸向荷載作用下，剛性短樁在土中發(fā)生剛性轉(zhuǎn)動，土的抗力是其橫向承載力的決定因素，因此增大注漿區(qū)范圍對其承載力提高更顯著［17－19］。

2.2.2 注漿體彈性模量

隨著注漿體彈性模量E2變化，樁基礎(chǔ)橫軸向極限承載力與增加幅度見圖5。

圖5 注漿體彈性模量變化下橫軸向承載力增幅

從圖5可以看出，橫軸向承載力隨注漿體彈性模量增加呈增大趨勢，樁長越大增幅越小，注漿體模量超過35MPa后增幅明顯放緩。樁長30m（L／D＝6）、50m（L／D＝10）的增幅基本一致且明顯小于樁長10m時的增幅；注漿體模量增大到65 MPa，樁 長 為10、30、50m 的 最 大 增 幅 分 別 為14.9%、8.1%、7.6%。

以上分析表明，注漿體彈性模量的增加對復(fù)合樁基礎(chǔ)橫軸向承載力的提高有明顯作用，且剛性短樁的橫軸向承載力增幅明顯大于柔性長樁的橫軸向承載力增幅。相較于注漿體厚度變化工況，整體上規(guī)律一致但增幅普遍更大［20－21］。這說明在本文所列工況范圍內(nèi)，相較于注漿體厚度變化，增大注漿體模量對橫軸向承載力的提高更明顯。

2.3 水泥攪拌樁參數(shù)對橫軸向承載力的影響

2.3.1 水泥攪拌樁樁長

隨水泥攪拌樁樁長變化，樁基礎(chǔ)橫軸向極限承載力與增加幅度如圖6所示。

從圖6可以看出，復(fù)合樁橫軸向承載力隨水泥攪拌樁樁長的增加呈線性增長，且樁長越大增幅越小。其中樁長30（L／D＝6）、50m（L／D＝10）的增幅基本一致且明顯小于樁長10m時的增幅。水泥攪拌樁相對樁長從0.5L增大到L時，樁長10、30、50m的橫軸向承載力最大增幅分別為2.2%、0.3%、0.2%。

圖6 水泥攪拌樁樁長變化下橫軸向極限承載力增幅

以上分析表明，水泥攪拌樁樁長的增加對復(fù)合樁橫向承載力的提高有限，最大增幅為2.2%，因此若施工無其他功能需求時，可適當(dāng)減小水泥攪拌樁長度。

2.3.2 水泥攪拌樁彈性模量

水泥攪拌樁彈性模量E3變化對樁基礎(chǔ)橫軸向極限承載力與增加幅度的影響見圖7。

由圖7可以看出，復(fù)合樁的橫軸向承載力隨水泥攪拌樁彈性模量的增加呈折線增長，攪拌樁模量大于30MPa以后增幅有所放緩，且樁長越長增幅越小。其中樁長30（L／D＝6）、50m（L／D＝10）的增幅基本一致且明顯小于樁長10m時的增幅。與無水泥攪拌樁比較，水泥攪拌樁模量增至60MPa，樁長為10、30、50m時承載力的最大增幅分別為8.8%、5.1%、4.8%。上述分析表明，水泥攪拌樁模量增大對復(fù)合樁橫軸向承載力有明顯提高，且剛性短樁的橫軸向承載力增幅明顯大于柔性長樁的橫軸向承載力增幅。

3 結(jié) 語

圖7 水泥攪拌樁彈性模量變化對橫軸向極限承載力影響

（1）隨著樁長從10m增長至50m，復(fù)合樁橫軸向承載力明顯增加，最大增幅為47.0%，但樁長超出一定范圍后，增幅有所減小并趨于平緩。這一范圍隨樁徑變化有所不同，但與長徑比有明顯相關(guān)性。當(dāng)L／D≥6時，超大直徑空心獨(dú)立復(fù)合樁已表現(xiàn)為柔性樁特性，繼續(xù)增加樁長對橫軸向承載力的提高意義不大。

（2）隨著樁徑從2.5m增長至10m，超大直徑空心獨(dú)立復(fù)合樁橫軸向承載力顯著增加，最大增幅為307.6%，且增加速率無明顯減弱趨勢，說明增大樁徑是提高復(fù)合樁橫軸承載力的直接有效措施。

（3）注漿體參數(shù)變化對復(fù)合樁的橫軸向承載力有一定影響。注漿體模量增大相比注漿體厚度增加，對復(fù)合樁橫向承載力的提高作用更明顯，但兩者對剛性短樁的極限承載力增強(qiáng)作用均大于柔性長樁。

（4）水泥攪拌樁樁長的增加對復(fù)合樁橫軸向承載力提高有限，而水泥攪拌樁彈性模量的增加對復(fù)合樁橫軸向承載力的提高作用明顯，兩者對剛性短樁的極限承載力增強(qiáng)作用均大于柔性長樁。