蘇曉棟，孟星宇，李 致，何建新，陳燦明

(1.南京水利科學(xué)研究院， 江蘇 南京 210029；2.水利部水科學(xué)與水工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 江蘇 南京 210029)

建筑物的基礎(chǔ)處理中，灌注樁具有地質(zhì)適應(yīng)性強(qiáng)、施工技術(shù)成熟、成本較低等優(yōu)點(diǎn)廣泛應(yīng)用于橋梁、水利水運(yùn)及房建工程中。鉆孔灌注樁最大樁徑可達(dá)4.5 m，最大樁長可達(dá)125 m。應(yīng)用于水利工程的水閘基礎(chǔ)灌注樁的樁徑一般為0.6 m～1.5 m，樁長20 m～30 m左右[1-2]。目前對(duì)于灌注樁承載力確定主要靜載試驗(yàn)、高應(yīng)變、自平衡和基于地勘資料的經(jīng)驗(yàn)估算法等，由于靜載試驗(yàn)法雖然準(zhǔn)確可靠，但試驗(yàn)時(shí)間長，成本相對(duì)大，代表性差，受試驗(yàn)設(shè)備限制，僅用于鉆孔灌注柱承載力的檢驗(yàn)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，已有學(xué)者通過有限元對(duì)缺陷灌注樁加固處理后的承載力進(jìn)行分析[3-5]。為探索達(dá)到一定精度、經(jīng)濟(jì)、快速的鉆孔灌注樁承載力確定方法，以某水利工程節(jié)制閘底板的兩根灌注樁為對(duì)象，分別采用ABAQUS有限元數(shù)值分析、現(xiàn)場(chǎng)高應(yīng)變?cè)囼?yàn)及根據(jù)地勘資料采用規(guī)范方法推求的承載力進(jìn)行對(duì)比分析，為灌注樁在軟土地基中的優(yōu)化設(shè)計(jì)和推廣運(yùn)用提供技術(shù)支撐。

1 基于ABAQUS的數(shù)值模擬分析

1.1 有限元模型

采用ABAQUS有限元軟件計(jì)算分析節(jié)制閘基礎(chǔ)底板兩根灌注樁豎向承載性能(1#、2#灌注樁)，樁徑0.80 m、樁長32.04 m、混凝土強(qiáng)度等級(jí)C25，灌注樁樁底持力層位于黏質(zhì)粉土層。1#、2#灌注樁經(jīng)反射波法和高應(yīng)變法檢測(cè)，樁身完整，為I類樁。鋼筋混凝土灌注樁采用線彈性本構(gòu)模型，強(qiáng)度等級(jí)C25。地基土體采用Mohr-Coulomb彈塑性本構(gòu)模型，以灌注樁鄰近的鉆孔土層物理力學(xué)指標(biāo)作為土體模型參數(shù)[6-8]。

灌注樁模型樁周土體取25倍樁徑，土層總厚度取1.5倍灌注樁入土深度。有限元模型網(wǎng)格采用漸變網(wǎng)格，樁周環(huán)向由圓心至圓周網(wǎng)格長度從0.4 m漸變至2.0 m，土體范圍內(nèi)樁端土層區(qū)域每隔0.5 m劃分一個(gè)單元，其余土層每隔2.0 m劃分一個(gè)單元。樁體和土體的單元均采用三維八節(jié)點(diǎn)減縮積分單元(C3D8R)。模型底部邊界設(shè)置固定約束，四周邊界設(shè)置法向水平位移約束。樁-土接觸面單元法向模型設(shè)為硬(hard)接觸，切向摩擦模型采用彈性滑移變形，服從Coulomb摩擦定律。地應(yīng)力平衡采用理論計(jì)算法，通過編輯關(guān)鍵語句*initial conditions, type=stress, geostatic輸入樁和土體的初始預(yù)應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行平衡。為保證樁-土建立正確的初始接觸狀態(tài)，地應(yīng)力平衡時(shí)設(shè)置樁體重度與土體相同，在下個(gè)分析步中樁體重度再設(shè)置為實(shí)際值即可[9]。

圖1 樁土三維有限元模型

1.2 模型參數(shù)

(1)土層分布及指標(biāo)?；娱_挖后閘底板位于Ⅲ1淤泥質(zhì)黏土夾粉土上，下臥Ⅲ2淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土和粉土互層、Ⅲ3淤泥質(zhì)黏土層、Ⅴ1黏質(zhì)粉土層及Ⅴ2粉砂層，灌注樁樁尖位于Ⅴ1黏質(zhì)粉土層。1#、2#灌注樁附近均有地勘孔，土層分布見圖2，土層厚度及物理力學(xué)指標(biāo)見表1。

圖2 試驗(yàn)樁土層分布示意圖

表1 灌注樁模型土層分布及物理力學(xué)參數(shù)

(2) 鋼筋混凝土灌注樁。1#、2#灌注樁樁徑0.80 m、樁長32.04 m、混凝土強(qiáng)度等級(jí)C25，鋼筋混凝土樁身綜合彈性模量3.8×104MPa，密度2 400 kg/m3，泊松比為0.30。

(3) 設(shè)計(jì)單樁豎向抗壓極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值950 kN。

(4) 為研究灌注樁在豎向荷載作用下的承載性能，對(duì)灌注樁的承載過程進(jìn)行全程模擬，取3倍左右設(shè)計(jì)單樁豎向抗壓極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行加載，單級(jí)荷載200 kN，分13級(jí)逐級(jí)施加，初始荷載為單級(jí)荷載兩倍即400 kN，最大計(jì)算荷載2 800 kN。

1.3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

1.3.1 樁頂位移

根據(jù)數(shù)值模型計(jì)算結(jié)果繪制的1#、2#灌注樁豎向荷載與樁頂位移曲線、豎向荷載與樁頂位移級(jí)差曲線見圖3。

圖3 豎向荷載與樁頂位移及位移級(jí)差曲線

計(jì)算結(jié)果表明：

(1) 豎向荷載作用前期，樁頂位移Z隨荷載H增加近似線性增大，加載后期樁頂位移Z隨荷載H增加近似拋物線增大，其變化可近似用二項(xiàng)式表示：Z1#=0.000002H2+0.0004H(R2=0.9577，H(kN)，Z(mm)，下同)、Z2#=0.000002H2+0.002H(R2=0.9654)。

(2) 從豎向荷載與樁頂位移級(jí)差曲線可以看出，加載前期各荷載級(jí)的樁頂位移級(jí)差變化不大，曲線近似呈水平線；直至后期某一級(jí)荷載，曲線出現(xiàn)明顯拐點(diǎn)斜向上發(fā)展，1#樁拐點(diǎn)位于2 000 kN處，對(duì)應(yīng)樁頂位移8.60 mm；2#樁拐點(diǎn)位于2 200 kN，對(duì)應(yīng)樁頂位移11.32 mm。

(3) 1#樁和2#樁的荷載與樁頂位移曲線規(guī)律基本一致，加載前期2#樁樁頂位移略大于1#樁，在加載后期1#樁和2#樁樁頂位移基本接近，且2#樁加載曲線比1#樁出現(xiàn)拐點(diǎn)遲，說明灌注樁前期位移大小與最終極限承載力不一定正相關(guān)，2#樁豎向承載性能略優(yōu)于1#樁。

1.3.2 樁側(cè)摩阻力及樁端阻力

數(shù)值模型計(jì)算的各級(jí)豎向荷載作用下灌注樁樁身側(cè)摩阻力分布[10](扣除灌注樁自重影響)如圖4所示。

圖4 不同豎向荷載下樁身側(cè)摩阻力分布

計(jì)算結(jié)果表明：

(1) 各土層樁側(cè)摩阻力和樁端阻力均隨豎向荷載增加有不同程度增長，從曲線特征上看，1#樁和2#樁主要由淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土與粉土互層和淤泥質(zhì)黏土層為主提供側(cè)摩阻力，樁尖所在黏質(zhì)粉土層受厚度和距樁底距離影響，其側(cè)摩阻力未能有效發(fā)揮。

(2) 1#樁在3倍設(shè)計(jì)豎向荷載標(biāo)準(zhǔn)值作用下，樁側(cè)摩阻力Qs隨荷載H呈現(xiàn)反拋物線增大，近似用二項(xiàng)式Qs1#=-0.00004H2+0.8853H表示(R2=0.9997)，與之相反，樁端阻力呈拋物線增長，說明樁頂位移拐點(diǎn)出現(xiàn)的加載后期1#樁樁側(cè)摩阻力和樁端阻力仍能隨豎向荷載增加而有效發(fā)揮，但位移速率比加載前期要大。

(3) 2#樁在2.5倍設(shè)計(jì)豎向荷載標(biāo)準(zhǔn)值作用下，樁側(cè)摩阻力Qs隨荷載H變化可近似用二項(xiàng)式Qs2#=-0.00003H2+0.8752H表示(H∈[0,2400]，R2=0.9999)，樁端阻力則呈拋物線增長。大于2.5倍設(shè)計(jì)豎向荷載標(biāo)準(zhǔn)值作用時(shí)，樁側(cè)摩阻力Qs基本不再增加，而樁端阻力快速增大，說明1#樁在加載到2.5倍設(shè)計(jì)豎向荷載標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)樁側(cè)摩阻力已達(dá)極限，樁體出現(xiàn)下滑趨勢(shì)。

(4) 灌注樁樁側(cè)摩阻力達(dá)到極限出現(xiàn)整體滑移趨勢(shì)前，樁側(cè)摩阻力與樁端阻力比值為17.42%～24.89%；樁體出現(xiàn)下滑趨勢(shì)時(shí)樁側(cè)摩阻力與樁端阻力比值最大可達(dá)44.11%。

1.3.3 樁截面軸力

扣除樁體自重應(yīng)力后，不同豎向荷載下灌注樁截面軸力變化曲線[11]見圖5。

計(jì)算結(jié)果表明：

(1) 隨著豎向荷載增加，樁側(cè)摩阻由上向下逐漸傳遞和發(fā)揮，當(dāng)樁側(cè)摩阻力發(fā)揮到極限，樁整體出現(xiàn)下滑趨勢(shì)時(shí)，豎向荷載剩余部分將全部由樁端阻力承擔(dān)，樁底土體將迅速出現(xiàn)塑性變形，導(dǎo)致樁頂位移快速增加。

(2) 在3倍設(shè)計(jì)豎向荷載標(biāo)準(zhǔn)值作用下，灌注樁最大壓應(yīng)力為5.57 MPa，位于樁頂面，壓應(yīng)力遠(yuǎn)小于C25混凝土容許壓應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)值16.7 MPa，因此對(duì)于承受豎向荷載的灌注樁，樁身混凝土強(qiáng)度只要滿足規(guī)范規(guī)定的最低強(qiáng)度等級(jí)即可。

(3) 根據(jù)勘察資料，樁底土層端阻力qpk極限標(biāo)準(zhǔn)值為800 kPa，插值計(jì)算所得樁底土體達(dá)到極限時(shí)的臨界荷載為2 025.42 kN(1#樁)和2 160.23 kN(2#樁)，與Q-s曲線的反彎點(diǎn)較為接近。

1.3.4 承載力判定

規(guī)范[12]規(guī)定：樁基豎向承載力試驗(yàn)時(shí)某級(jí)荷載作用下終止加荷標(biāo)準(zhǔn)為：(1) 樁頂沉降量大于前一級(jí)荷載沉降量5倍，且樁頂總沉降量超過40 mm；(2) 樁頂沉降量大于前一級(jí)荷載沉降量2倍，且24 h尚未達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)；(3) 達(dá)到設(shè)計(jì)要求的最大加載值且樁頂沉降達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)；(4) 荷載-沉降曲線呈緩變型時(shí)，可加載至樁頂總沉降量60 mm～80 mm，當(dāng)樁端阻力尚未充分發(fā)揮時(shí)，可以加載至樁頂累計(jì)沉降量超過80 mm。

圖5 樁截面軸力變化曲線圖

單樁豎向承載力極限值根據(jù)沉降隨荷載變化特征確定，對(duì)于陡降型Q-s曲線取發(fā)生明顯陡降的起始點(diǎn)對(duì)應(yīng)的荷載值。單樁豎向承載力特征值則按單樁豎向抗壓極限承載力50%取值。

根據(jù)數(shù)值模型計(jì)算結(jié)果，1#樁和2#樁Q-s曲線開始發(fā)生明顯陡降的荷載分別為2 200 kN和2 400 kN，對(duì)應(yīng)的樁頂位移分別為10.76 mm和13.83 mm，該級(jí)荷載位移增量為2.16 mm和2.51 mm，是上一級(jí)荷載位移增量的兩倍左右，故取前一級(jí)荷載2 000 kN和2 200 kN分別作為1#樁和2#樁單樁豎向承載力極限值。

取單樁豎向承載力極限值的50%、即1 000 kN、1 100 kN分別作為1#樁和2#樁豎向承載力特征值。

2 現(xiàn)場(chǎng)高應(yīng)變承載力試驗(yàn)驗(yàn)證

高應(yīng)變動(dòng)力法測(cè)樁時(shí)采用樁錘動(dòng)態(tài)沖擊樁頭，使樁土體系由彈性狀態(tài)進(jìn)入塑性狀態(tài)，釆集樁頂附近樁身截面軸向應(yīng)變和樁身運(yùn)動(dòng)加速度的時(shí)程曲線，根據(jù)一維波動(dòng)方程對(duì)樁身阻抗和土阻力實(shí)現(xiàn)分段分析和計(jì)算，從而獲取樁身完整性、承載力方面的數(shù)據(jù)，并可模擬靜力計(jì)算，推算出相應(yīng)的靜載荷試驗(yàn)下的Q-s曲線[13-14]。

對(duì)1#樁和2#樁進(jìn)行高應(yīng)變檢測(cè)，擬合Q-s曲線及樁身軸力、樁側(cè)摩阻力分布曲線。

根據(jù)高應(yīng)變?cè)囼?yàn)，采用CAPWAP曲線擬合法計(jì)算結(jié)果顯示：

(1) 1#樁豎向抗壓極限承載力1 963.4 kN，其中側(cè)摩阻力1 611.5 kN，樁端阻力351.9 kN，最大沉降11.67 mm，最大動(dòng)位移1.66 mm，CASE法阻尼系數(shù)0.3，擬合系數(shù)2.88。

(2) 2#樁豎向抗壓極限承載力2 065.6 kN，其中側(cè)摩阻力1 714.0 kN，樁端阻力351.6 kN，最大沉降5.17 mm，最大動(dòng)位移1.76 mm，CASE法阻尼系數(shù)0.3，擬合系數(shù)3.01。

3 基于地勘資料的承載力估算

根據(jù)規(guī)范[15]要求，地質(zhì)條件復(fù)雜或重要建筑的樁基應(yīng)通過單樁靜載試驗(yàn)確定極限承載力，地質(zhì)條件簡單的樁基可參照地質(zhì)條件相同的試樁資料，結(jié)合靜力觸探等原位測(cè)試和經(jīng)驗(yàn)參數(shù)綜合確定，對(duì)于一般小型建筑的樁基，可根據(jù)原位測(cè)試和經(jīng)驗(yàn)參數(shù)確定[16]。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘察的各土層物理力學(xué)性能指標(biāo)，按下式估算單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值：

Quk=Qsk+Qpk=u∑qsikli+qpkAp

(1)

式中：Quk、Qsk、Qpk分別為單樁豎向極限承載力、總極限側(cè)阻力和總極限端阻力的標(biāo)準(zhǔn)值，kN；qsik、qpk為樁側(cè)第i層土的極限側(cè)阻力和樁端極限端阻力的標(biāo)準(zhǔn)值,kPa；u為樁身周長,m;Ap為樁端面積,m2；li為樁周第i層土的厚度,m。

灌注樁所在各土層的淤泥質(zhì)黏土夾粉土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土與粉土互層、淤泥質(zhì)黏土、黏質(zhì)粉土和粉砂層側(cè)摩阻力qsik極限標(biāo)準(zhǔn)值分別為22 kPa、25 kPa、18 kPa、55 kPa、70 kPa。

根據(jù)閘基勘察和試驗(yàn)所得各土層物理力學(xué)指標(biāo)，依據(jù)規(guī)范方法推求的1#樁樁側(cè)摩阻力和樁端阻力標(biāo)準(zhǔn)值分別為1 995.13 kN、401.92 kN，單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值2 397.05 kN。2#樁樁側(cè)摩阻力和樁端阻力標(biāo)準(zhǔn)值分別為1 880.48 kN、401.92 kN，單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值2 282.40 kN。

根據(jù)規(guī)范方法推求的1#樁和2#樁豎向承載力特征值分別為1 198.53 kN、1 141.20 kN。

4 三種承載力確定方法的對(duì)比分析

根據(jù)地質(zhì)勘察資料試驗(yàn)、高應(yīng)變?cè)囼?yàn)擬合以及規(guī)范推薦的各土層物理力學(xué)性能指標(biāo)列于表2。

根據(jù)數(shù)模計(jì)算、高應(yīng)變?cè)囼?yàn)和基于地勘資料根據(jù)規(guī)范方法推求的樁基承載力結(jié)果，對(duì)比分析如下：

(1) 極限承載力作用下，1#樁數(shù)模計(jì)算的最大沉降量為11.67 mm，高應(yīng)變檢測(cè)結(jié)果8.41 mm，誤差為38.76%；2#樁數(shù)模計(jì)算的最大沉降量為11.32 mm，高應(yīng)變檢測(cè)結(jié)果5.17 mm，誤差為118.96%，二者相差較大。從土層分布和相關(guān)指標(biāo)等綜合分析，2#樁高應(yīng)變檢測(cè)的樁頂沉降明顯偏小，不甚合理。

表2 勘察和規(guī)范推薦與高應(yīng)變擬合地基土物理力學(xué)指標(biāo)設(shè)計(jì)參數(shù)匯總表

(2) 基于地勘資料根據(jù)規(guī)范計(jì)算得到1#樁、2#樁極限樁側(cè)阻力值為1 995.13 kN和1 880.48 kN，高應(yīng)變檢測(cè)法測(cè)得結(jié)果為1 611.5 kN和1 714.0 kN，數(shù)值模型計(jì)算結(jié)果為1 606.18 kN和1 787.58 kN。高應(yīng)變?cè)囼?yàn)結(jié)果最小，基于地質(zhì)勘察資料推算結(jié)果最大，若以高應(yīng)變?cè)囼?yàn)結(jié)果為基準(zhǔn)，數(shù)值模型計(jì)算結(jié)果、規(guī)范估計(jì)結(jié)果與之誤差為1.46%～23.81%(1#樁)和4.29%～9.71%(2#樁)。

(3) 基于地勘資料根據(jù)規(guī)范計(jì)算得到1#樁、2#樁極限端阻力值為401.92 kN，高應(yīng)變檢測(cè)結(jié)果為351.9 kN和351.8 kN，數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果為393.82 kN和412.42 kN。高應(yīng)變?cè)囼?yàn)結(jié)果最小，基于地質(zhì)勘察資料推算結(jié)果最大，若以高應(yīng)變?cè)囼?yàn)結(jié)果為基準(zhǔn)，數(shù)值模型計(jì)算結(jié)果、規(guī)范估計(jì)結(jié)果與之誤差為11.91%～14.21%(1#樁)和14.31%～17.19%(2#樁)。

(4) 基于地勘資料根據(jù)規(guī)范計(jì)算得到1#樁、2#樁單樁豎向承載力極限值為2 397.05 kN和2 282.40 kN，高應(yīng)變檢測(cè)結(jié)果為1 963.4 kN和2 065.6 kN，數(shù)值模型計(jì)算結(jié)果為2 000 kN和2 200 kN，以高應(yīng)變?cè)囼?yàn)結(jié)果為基準(zhǔn)，數(shù)值模型計(jì)算結(jié)果、規(guī)范估計(jì)結(jié)果與之誤差為1.86%～22.09%(1#樁)和6.51%～10.50%(2#樁)。

5 結(jié)論與建議

鉆孔灌注樁對(duì)于提高基礎(chǔ)承載力、控制水工結(jié)構(gòu)的整體變形具有重要作用。本文以某水閘基礎(chǔ)的2根鉆孔灌注樁為對(duì)象，對(duì)基于ABAQUS有限元的數(shù)值模擬分析、高應(yīng)變?cè)囼?yàn)和基于地質(zhì)勘察資料按規(guī)范方法推求的承載力的三種方法進(jìn)行對(duì)比分析，得到如下結(jié)論：

(1) 三種方法推求的灌注樁承載力基本接近，高應(yīng)變?cè)囼?yàn)結(jié)果最小，基于地質(zhì)勘察資料推算結(jié)果最大，數(shù)值模型計(jì)算結(jié)果居中，以高應(yīng)變?cè)囼?yàn)結(jié)果為基準(zhǔn)，數(shù)值模型計(jì)算結(jié)果、規(guī)范估計(jì)結(jié)果與之誤差分別為1.80%、22.09%(1#樁)和6.51%、10.50%(2#樁)。

(2) 高應(yīng)變?cè)囼?yàn)擬合的樁側(cè)摩阻力、樁端阻力與數(shù)值模型計(jì)算結(jié)果較為接近，二樁相差分別為1.46%～4.29%、11.91%～17.19%，與基于地質(zhì)勘察資料推算結(jié)果相差也不大，誤差在9.71%～23.81%、14.21%～14.31%。但樁頂位移受2#樁高應(yīng)變?cè)囼?yàn)結(jié)果不甚合理的影響，高應(yīng)變?cè)囼?yàn)擬合結(jié)果與數(shù)模計(jì)算結(jié)果相差較大，為38.76%～118.96%。