范榮全，董 斌，劉曉宇，王 亮，唐 楊

(1.國網(wǎng)四川省電力公司，四川成都610041；2.成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都610041；3.國網(wǎng)阿壩供電公司，四川茂縣624000)

微型樁是在樹根樁基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型小直徑鉆孔灌注樁[1]，直徑通常小于0.4 m，長徑比較大[2]。微型樁具耗材少、作業(yè)占地少、施工機(jī)具調(diào)遣靈活以及施工方便等優(yōu)點(diǎn)[3]，可很好地解決傳統(tǒng)基礎(chǔ)運(yùn)輸困難、施工慢及污染大等難題；較傳統(tǒng)灌注樁基礎(chǔ)其具有更好的經(jīng)濟(jì)效益，因而在我國部分地區(qū)的軟土以及黃土等地基中得到初步應(yīng)用，并取得一定成功經(jīng)驗(yàn)[4]。微型樁在工程中的應(yīng)用主要分為兩種：作為抗滑樁應(yīng)用于邊坡治理工程，已有研究主要集中在這方面[5]；作為樁基礎(chǔ)用于基礎(chǔ)工程，受到部分學(xué)者關(guān)注。Shin等[6]試驗(yàn)研究了長徑比對(duì)微型樁抗拔承載力的影響，提出飽和黏性土中樁抗拔承載力的經(jīng)驗(yàn)公式；Shelke等[7]發(fā)現(xiàn)，隨著軸壓力增大，沿樁長的摩阻力減??；Scott等[8]試驗(yàn)得出極限抗拔承載力由樁側(cè)的摩阻力與樁體自重組成；劉兵民等[9]通過工程實(shí)例分析得出微型樁可作為硬巖地區(qū)的樁基礎(chǔ)；劉自龍等[10]認(rèn)為戈壁灘地區(qū)微型樁的極限抗拔承載力與極限抗壓承載力之比取0.58較合適；李元[11]認(rèn)為相同上拔荷載作用下的負(fù)斜樁樁身彎矩大于正斜樁，上拔荷載越大，正負(fù)斜樁樁身同一截面處的軸力越大，樁側(cè)同一截面處的平均摩阻力也越大；孫劍平等[12]提出了微型樁的抗壓承載力估算公式；屈偉[13]研究了施工工藝對(duì)微型樁承載性能的影響，結(jié)果表明二次注漿技術(shù)可顯著提高微型樁的承載力。上述文獻(xiàn)表明，微型樁作為樁基礎(chǔ)的應(yīng)用多針對(duì)軟土地區(qū)，較少涉及巖質(zhì)較為堅(jiān)硬的山區(qū)等地區(qū)。

新建的成蘭鐵路位于四川和甘肅境內(nèi)，正線457.6 km。牽引變電站等送變電工程是保障成蘭鐵路正常運(yùn)營的重要組成部分，穩(wěn)定的桿塔基礎(chǔ)是送變電工程系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的基石，成蘭鐵路某牽引站送變電工程擬在桿塔基礎(chǔ)工程中使用微型樁。鑒于此，文中結(jié)合實(shí)際工程，采用ABAQUS軟件數(shù)值分析川西山區(qū)工程微型樁基礎(chǔ)的承載性能，以期推廣微型樁基礎(chǔ)在山區(qū)的應(yīng)用。

1 數(shù)值分析的計(jì)算原理

在ABAQUS 軟件中地基土的承載力理論分析方法主要有α 法和β 法。α 法適用于黏土地區(qū)，β 法是基于有效應(yīng)力的分析方法[14]。山區(qū)地下水一般埋藏較深，與α 法的適用環(huán)境不同，在無地下水的影響下，山區(qū)地基土承載力由有效應(yīng)力確定，因此選擇β 法計(jì)算微型樁承載力。

1.1 樁側(cè)地基土的摩阻力極限強(qiáng)度

β 法中單位面積上的摩阻力極限強(qiáng)度fs計(jì)算公式為

式中β=μK0。對(duì)于正常固結(jié)土近似有

式中φ′為土體的有效摩擦角，而樁壁與土體之間的摩擦系數(shù)μ 可取tan(0.75～1)φ′，當(dāng)微型樁二次注漿時(shí)取較大值[15]。

1.2 樁端土的端阻力極限強(qiáng)度

β 方法中單位面積上的端阻力極限強(qiáng)度fb計(jì)算公式為

其中η 為控制樁端破壞面性狀的角度(如圖1)，在0.33π(黏土)至0.58π(緊砂)之間變化。

2 模型的建立

2.1 工程概況與模型

某樁基工程位于阿壩藏族羌族自治州松潘縣境內(nèi)，海拔高度在3 000 m 左右。據(jù)鉆探揭露，0～4 m 為粉質(zhì)黏土，4 m 以下為碎塊石，場地地層結(jié)構(gòu)簡單，地層變化較小，第四系土層主要為含碎石粉質(zhì)黏土和含粉質(zhì)黏土碎塊石，未見地下水。根據(jù)樁基工程概況，利用對(duì)稱性建立樁基軸對(duì)稱模型，如圖2。

圖1 樁端剪切破壞面Fig.1 Shear failure surface of pile tip

圖2 數(shù)值分析計(jì)算模型Fig.2 Numerical analysis and calculation model

2.2 邊界條件與計(jì)算參數(shù)

根據(jù)地質(zhì)分析，模型兩側(cè)邊界約束其水平位移，底邊界為全約束，頂邊界為自由邊界。樁身采用彈性模型，地基土采用M-C本構(gòu)模型[16]。在試驗(yàn)場地鉆孔取樣，對(duì)鉆孔樣進(jìn)行室內(nèi)土工試驗(yàn)，地基土物理力學(xué)參數(shù)如表1。實(shí)際工程中，對(duì)于較硬的土，常取土體彈性模量E0為壓縮模量Es的2～8倍[17]，土越堅(jiān)硬，倍數(shù)越大。除容重γ、彈性模量E0、泊松比υ、內(nèi)聚力C 以及內(nèi)摩擦角φ 外，還需考慮樁-土接觸時(shí)的摩擦系數(shù)μ。文中選取面-面接觸作為樁-土接觸的形式，在2個(gè)接觸面產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)之前，接觸面上會(huì)產(chǎn)生剪應(yīng)力，這種狀態(tài)為黏合狀態(tài)；在剪應(yīng)力超過樁-土界面的摩阻力極限強(qiáng)度后，2個(gè)接觸面會(huì)產(chǎn)生相對(duì)位移，這種狀態(tài)為滑移狀態(tài)。對(duì)于黏合至滑移狀態(tài)的樁-土，其相對(duì)位移在一定范圍內(nèi)，黏性土一般為5～10 mm，砂土等非黏性土一般為10～15 mm。樁-土接觸面的摩擦系數(shù)受土體性質(zhì)與施工工藝的影響，一般情況下，取0.75～1倍土體有效內(nèi)摩擦角的正切值為樁壁與土之間的摩擦系數(shù)μ[18]。

根據(jù)工程區(qū)輸電線路設(shè)計(jì)資料，輸電鐵塔受到的下壓荷載為600～1 500 kN，受到的上拔荷載為550～1 200 kN，微型樁基礎(chǔ)多為群樁。因此，輸電線路中微型樁單樁受到的下壓荷載一般為150～375 kN，上拔荷載一般為100～300 kN。樁基礎(chǔ)承載力分析屬于靜力分析，故數(shù)值計(jì)算中不考慮時(shí)間效應(yīng)[14]。參考承載力靜載試驗(yàn)的分級(jí)加載要求[19-20]，文中對(duì)抗壓樁采用逐級(jí)加載的方式，第一級(jí)加載60 kN，之后每級(jí)加載30 kN；對(duì)抗拔樁每級(jí)加載25 kN，加載步驟如表2～3。

表1 地基土物理力學(xué)參數(shù)Tab.1 Physical and mechanical parametersof foundation soil

表2 抗壓樁加載步驟Tab.2 Loading steps of compressive pile

表3 抗拔樁加載步驟Tab.3 Loading steps of pile pulling resistance

3 數(shù)值計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 樁長對(duì)微型樁承載性能的影響

3.1.1 樁長對(duì)抗壓樁承載性能的影響

為分析微型樁的承載性能，根據(jù)數(shù)值計(jì)算的結(jié)果提取微型樁樁頂截面與樁端截面的軸向力和軸向荷載。4種樁長L的單樁荷載-位移曲線如圖3。由圖3可看出：樁頂位移隨樁頂下壓荷載的增加而增大，隨樁長的增加而減少；樁長越短，樁頂位移增長率越大；在樁頂下壓荷載小于180 kN時(shí)，各樁長的荷載-位移曲線呈近水平狀，隨著樁頂下壓荷載的增加，荷載-位移曲線出現(xiàn)拐點(diǎn)，拐點(diǎn)后位移增量明顯增加；同一荷載作用下，樁頂?shù)奈灰浦鴺堕L的增加而減小。

樁的摩阻力和端阻力的荷載分擔(dān)比是衡量樁基承載性能的重要指標(biāo)，是劃分樁基類型的重要參考。不同樁長抗壓樁端阻力與摩阻力荷載分擔(dān)比分別如圖4，5。提取各樁長達(dá)到極限承載力時(shí)的樁頂下壓荷載及端阻力承載和摩阻力承載，結(jié)果如表4。

圖3 不同樁長抗壓樁樁頂荷載-位移曲線Fig.3 Load-displacement curves of pile top of compressive pile of different pile lengths

圖4 不同樁長抗壓樁端阻力分擔(dān)荷載曲線Fig.4 Load sharing curves of pile tip resistance of different pile lengths

圖5 不同樁長抗壓樁摩阻力分擔(dān)荷載曲線Fig.5 Load sharing curves of friction resistance of compressive piles with different pile lengths

表4 基樁荷載分擔(dān)比例Tab.4 Load sharing ratio of foundation piles

由圖4，5 及表4 可知：摩阻力與端阻力同時(shí)發(fā)揮作用，不同情況下荷載的主要承擔(dān)對(duì)象不同，樁頂下壓荷載為0 時(shí)，樁端地基土由于樁身自重受到8～20 kN的下壓力；樁頂下壓荷載較小時(shí)，端阻力分擔(dān)的荷載較小，此時(shí)樁頂下荷載主要由摩阻力承擔(dān)，端阻力發(fā)揮的作用很小；隨著下壓荷載的增大，端阻力開始逐漸增大，分擔(dān)的荷載隨之增加；隨著樁長的增加，端阻力的分擔(dān)比逐漸減小，根據(jù)受力類型劃分樁長較短時(shí)微型樁屬于摩擦端承樁，樁長較長時(shí)微型樁屬于端承摩擦樁。

3.1.2 樁長對(duì)抗拔樁承載性能的影響

圖6 不同樁長時(shí)抗拔樁荷載-位移曲線Fig.6 Load displacement curves of unpulled pile of different pile lengths

圖7 不同樁徑時(shí)抗壓樁荷載-位移曲線Fig.7 Load-displacement curves of compressive pile of different pile diameters

單樁在上拔荷載作用下的荷載-位移曲線如圖6。由圖6 可看出：隨著樁長的增加，各樁的極限抗拔承載力分別為75，125，200，275 kN；同一荷載作用下，隨著樁長的增加，樁頂?shù)奈灰泼黠@減小。

3.2 樁徑對(duì)微型樁承載性能的影響

3.2.1 樁徑對(duì)抗壓樁承載性能的影響

不同樁徑D 下微型樁單樁的荷載-位移曲線如圖7。由圖7可看出：樁頂位移隨樁頂下壓荷載的增加而增大；各樁徑的荷載-位移曲線均有較為明顯的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，樁頂下壓荷載小于轉(zhuǎn)折點(diǎn)荷載時(shí)，樁頂位移增加較小，樁頂下壓荷載大于轉(zhuǎn)折點(diǎn)荷載時(shí)，樁頂位移增量明顯增大，且拐點(diǎn)的出現(xiàn)隨樁徑增大而延后；同一荷載作用下，樁徑較小時(shí)樁頂?shù)奈灰戚^大，隨著樁徑增加樁頂位移明顯減小，樁的承載性能顯著提高。

不同樁徑的抗壓樁端阻力與摩阻力分擔(dān)荷載曲線分別如圖8，9。提取各樁徑達(dá)到極限承載力時(shí)的樁頂下壓荷載及端阻力承載和摩阻力承載，結(jié)果如表5。由圖8，9 及表5 知：小于極限抗壓荷載時(shí)，隨著樁徑增大，端阻力分擔(dān)比逐漸減小，即端阻力的發(fā)揮作用變小，但隨著荷載的增大，端阻力呈增大趨勢；樁徑不同，端阻力與摩阻力最先充分發(fā)揮作用的情況不同，樁徑較大時(shí)端阻力先充分發(fā)揮，樁徑較小時(shí)摩阻力先充分發(fā)揮。因此，根據(jù)受力類型劃分樁徑較大時(shí)微型樁屬于摩擦端承樁，樁徑較小時(shí)型樁屬于端承摩擦樁。

圖8 不同樁徑抗壓樁端阻力分擔(dān)荷載曲線Fig.8 Load sharing curves of pile tip resistance of different pile sizes

圖9 不同樁徑抗壓樁摩阻力分擔(dān)荷載曲線Fig.9 Load sharing curves of pile friction resistance of different pile diameters

表5 基樁荷載分擔(dān)比例Tab.5 Load sharing ratio of foundation piles

3.2.2 樁徑對(duì)抗拔樁承載性能的影響

單樁在上拔荷載作用下的荷載-位移曲線如圖10。由圖10可看出：同一荷載作用下，樁頂位移隨著樁徑的增加減??；各樁徑均可滿足75 kN的上拔力；各樁徑均有拐點(diǎn)，且拐點(diǎn)對(duì)應(yīng)荷載均小于300 kN，樁頂上拔荷載為300 kN 時(shí)，樁體被拔出；隨著樁徑增加，樁頂極限抗拔承載力相應(yīng)增加，即樁徑為200，250，300，350，400 mm時(shí)對(duì)應(yīng)的極限抗拔承載力分別為75，100，125，150，175 kN。

3.3 樁基礎(chǔ)的工程性能

樁基礎(chǔ)的工程性能包括基礎(chǔ)的穩(wěn)定性及經(jīng)濟(jì)性，穩(wěn)定性用樁基礎(chǔ)的承載力來衡量，經(jīng)濟(jì)性用樁承載力與樁身體積比來衡量，即用單位體積混凝土承載力來衡量。對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行整理，得到樁長與樁徑對(duì)微型樁工程性能的影響，結(jié)果如圖11，12。由圖11，12 可知：隨著樁長增大，樁的承載力增加，單位體積混凝土承載力降低，樁穩(wěn)定性提高，經(jīng)濟(jì)性降低；隨著樁徑增大，樁的承載力增加，單位體積混凝土承載力降低，樁穩(wěn)定性提高，經(jīng)濟(jì)性降低。

圖10 不同樁徑時(shí)抗拔樁荷載-位移曲線Fig.10 Load-displacement curves of tensile pile of different pile diameters

圖11 樁長對(duì)微型樁工程性能的影響Fig.11 Influence of pile length on engineering performance of micro piles

圖12 樁徑對(duì)微型樁工程性能的影響Fig.12 Influence of pile diameter on engineering performance of micro piles

結(jié)合工程實(shí)際承載要求，工程基礎(chǔ)的抗拔承載力設(shè)計(jì)值為550 kN，抗壓承載力設(shè)計(jì)值為1 000 kN。考慮到樁長較大時(shí)，施工難度大，結(jié)合數(shù)值計(jì)算的結(jié)果，選取樁長8 m、樁徑300 mm的微型樁組成2×2的群樁基礎(chǔ)作為工程的試驗(yàn)基礎(chǔ)。

4 結(jié) 論

1)樁頂位移隨樁頂下壓荷載的增加而增大，隨樁長的增加而減少；根據(jù)受力類型，樁長較短時(shí)微型樁為摩擦端承樁，樁長較長時(shí)微型樁為端承摩擦樁；對(duì)于抗拔樁，隨著樁長增加，各樁的極限抗拔承載力逐漸增大。

2)樁頂位移隨樁頂下壓荷載的增加而增大，隨樁徑的增加而減小；各樁徑的荷載-位移曲線均有較明顯的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，樁頂下壓荷載小于轉(zhuǎn)折點(diǎn)荷載時(shí)樁頂位移增加較小，樁頂下壓荷載大于轉(zhuǎn)折點(diǎn)荷載時(shí)樁頂位移增量增大，且拐點(diǎn)的出現(xiàn)隨樁徑增大而延后；根據(jù)受力類型，樁徑較大時(shí)微型樁為摩擦端承樁，樁徑較小時(shí)微型樁為端承摩擦樁。對(duì)于抗拔樁，各樁徑均可滿足75 kN的上拔力，均有拐點(diǎn)，且拐點(diǎn)對(duì)應(yīng)荷載均小于300 kN，即樁頂上拔荷載為300 kN時(shí)，樁體被拔出；隨著樁徑增加，各樁的極限抗拔承載力逐漸增大。

3)隨著樁長與樁徑的增大，樁的承載力增加，單位體積混凝土承載力降低，也即樁穩(wěn)定性提高、經(jīng)濟(jì)性降低。結(jié)合工程的實(shí)際承載要求與施工難度，選取樁長為8 m、樁徑300 mm的微型樁組成2×2的群樁基礎(chǔ)作為工程的試驗(yàn)基礎(chǔ)。