黎 輝，鄭偉文，朱啟銀，官大庶，3，況聯(lián)飛

（1、中煤江南建設(shè)發(fā)展有限公司 廣州 510170；2、中國礦業(yè)大學(xué)深部巖土力學(xué)與地下工程國家重點(diǎn)實驗室江蘇徐州 221116；3、廣東水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院 廣州 510610）

0 引言

樁基礎(chǔ)作為一種重要的深基礎(chǔ)形式，具有整體性好、承載力高、沉降小和有效改善基礎(chǔ)強(qiáng)度等優(yōu)點(diǎn)，在國家基礎(chǔ)建設(shè)中得到廣泛使用。在實際工程中，由于施工技術(shù)水平不穩(wěn)定、混凝土和易性差、泥漿密度設(shè)計不合理、地層存在未知土層及地下水等不利因素的影響，樁在施工過程中易產(chǎn)生各種各樣的缺陷，而擴(kuò)徑或縮徑是樁基礎(chǔ)常見缺陷［1-2］。灌注樁出現(xiàn)擴(kuò)徑或縮徑缺陷，是指在樁長范圍內(nèi)，部分樁體直徑大于或小于設(shè)計直徑［3-5］。擴(kuò)徑、縮徑缺陷樁的形成多是由于施工失誤、混凝土和易性差、泥漿密度設(shè)計不合理或地層存在未知土層及地下水等情況。鉆孔灌注樁鉆進(jìn)大多采用正循環(huán)或反循環(huán)泥漿護(hù)壁，如果泥漿密度過大，孔壁會產(chǎn)生較厚泥皮而縮徑。泥漿密度過小，由于地層強(qiáng)度較低或泥漿護(hù)壁失敗，容易因塌孔而擴(kuò)徑。對于沉管灌注樁，當(dāng)樁施打完成，澆注混凝土后，如果拔管過快，拔管過程中錘擊次數(shù)不夠，混凝土和易性差，在軟硬交界的土層中，也容易形成縮徑缺陷甚至斷裂［6-8］。

目前，對于缺陷樁基礎(chǔ)承載性狀的研究已引起越來越多的重視。研究發(fā)現(xiàn)，擴(kuò)徑對樁體承載力影響較小，或在一定程度上增大豎向承載力；縮徑卻相反，隨著縮徑程度加大，樁基豎向承載力急劇減小，如果縮徑出現(xiàn)在樁體淺部，樁體橫向承載力也會減小［9-11］。針對擴(kuò)徑和縮徑缺陷樁基礎(chǔ)，國內(nèi)外學(xué)術(shù)界的研究，無論是實驗觀測還是數(shù)值模擬，均不成熟。此外，對于樁周土體為成層土?xí)r含有缺陷樁的樁基礎(chǔ)承載性狀的研究仍然匱乏，樁基工作過程中樁-土相互作用機(jī)理的理論尚不成熟，這些問題均有待探討和研究［10］。

粵港澳大灣區(qū)深厚軟土分布廣泛，鉆孔灌注樁施工極易引起樁體缺陷。鑒于此，本文基于珠海橫琴某工程實際樁基設(shè)計工況，采用PLAXIS 有限元計算軟件，通過參數(shù)分析研究正常樁、擴(kuò)徑樁、縮徑樁的豎向承載性狀特點(diǎn)，以及擴(kuò)縮徑部位所處地層位置對樁體承載性狀的影響規(guī)律。

1 工程概況

某項目位于廣東省珠海市橫琴保稅區(qū)內(nèi)，總用地面積約4萬m2。項目一期擬建建（構(gòu)）筑物共6棟超高層（20～42層，100～200 m），主要為辦公樓、酒店及商業(yè)樓，擬采用框架結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)及框筒結(jié)構(gòu)。

1.1 場地巖土層分布特征

根據(jù)巖土工程勘察報告和詳勘資料，場地鉆孔表明，地面以下依次為人工填土層、20～28 m厚的淤泥和淤泥質(zhì)土層、約20 m厚的粉質(zhì)粘土層、砂質(zhì)粘土層、全風(fēng)化石英二長閃長巖、強(qiáng)風(fēng)化石英二長閃長巖、中風(fēng)化石英二長閃長巖層。其中淤泥層呈流塑狀，為高壓縮性土，是場地內(nèi)主要軟土層；粉質(zhì)粘土層由粘土及少量粉砂組成，呈可塑～硬塑狀。各土層厚度差異較大，其物理力學(xué)性質(zhì)差別也較大，場地地基綜合判定為不均勻地基。

1.2 場地工程地質(zhì)評價與樁基設(shè)計情況

場地工程地質(zhì)條件評價為一般～較差，需采用適當(dāng)?shù)幕A(chǔ)型式或地基處理后方可作建筑場地。綜合地層條件與擬建建（構(gòu)）筑物荷載特點(diǎn)、經(jīng)濟(jì)性及當(dāng)?shù)毓こ探?jīng)驗，本工程基礎(chǔ)類型最終選用旋挖灌注樁，為摩擦端承樁，樁端持力層為中風(fēng)化石英二長閃長巖層號。

鉆孔灌注樁設(shè)計樁徑1.2 m，樁長48～95 m，樁身混凝土強(qiáng)度為C40。但實際施工中由于工程地質(zhì)復(fù)雜，深厚淤泥分布廣且厚度變化幅度大，實際施工樁長最大接近100 m，部分樓棟平均樁長90 m，施工難度極大，極易產(chǎn)生樁基礎(chǔ)缺陷問題。

2 數(shù)值建模

2.1 正常樁模型概況

基于實際地層條件，采用PLAXIS 2D 軟件對正常直徑無缺陷單樁進(jìn)行建模，鉆孔灌注樁樁長84.6 m，樁體直徑1.2 m，嵌入中風(fēng)化巖層0.6 m。樁體和土層單元情況如圖1?所示，幾何模型為軸對稱，對稱軸沿著樁土中軸，樁土和土體均采用15 節(jié)點(diǎn)單元模擬，模型總單元數(shù)為1 429，節(jié)點(diǎn)數(shù)為12 099。

樁體周圍設(shè)置界面單元，模擬樁和土體的相互作用。每個界面單元有一個“虛擬厚度”，用來定義界面材料性質(zhì)的假想尺寸，虛擬厚度等于虛擬厚度因子乘以平均單元尺寸，平均單元尺寸取決于二維網(wǎng)格生成的整體粗疏度設(shè)置，虛擬厚度因子默認(rèn)值為0.1，樁體和土體的相互作用，通過給界面選取合適的界面強(qiáng)度折減因子的值來模擬，該因子把界面強(qiáng)度和土體強(qiáng)度聯(lián)系在一起。整個模型選用標(biāo)準(zhǔn)固定邊界。

樁端與土的接觸界面向下延伸1 m，如圖1?所示，以免樁體材料剛性過大而在角部引起應(yīng)力和應(yīng)變集中，使模型計算結(jié)果超出實體單元表示能力范圍而產(chǎn)生應(yīng)力的非物理震蕩。延長界面并不模擬土體-結(jié)構(gòu)間的相互作用，界面強(qiáng)度折減系數(shù)設(shè)置為剛性。

圖1 正常樁網(wǎng)格劃分及樁端角點(diǎn)處理Fig.1 Mesh for Normal Pile

2.2 擴(kuò)徑和縮徑樁模型

對含有擴(kuò)徑、縮徑的缺陷樁基礎(chǔ)進(jìn)行數(shù)值建模，缺陷樁長與正常樁相同，如圖2 所示。缺陷位置為距地面20 m處，所處地層為淤泥質(zhì)黏土層。缺陷長度為2 m。擴(kuò)徑處樁徑為2 倍正常樁直徑，縮徑處樁徑為0.5 倍正常樁樁徑。為增加對比，模型對缺陷位置距地面40 m（所處地層為粉質(zhì)黏土層）的擴(kuò)縮徑樁進(jìn)行了模擬，研究擴(kuò)縮徑所在地層差異對樁基承載特性的影響。擴(kuò)縮徑樁與土的接觸面設(shè)置與前述正常樁模型相同。

圖2 擴(kuò)徑樁和縮徑樁尺寸示意圖Fig.2 The Size for Expansion and Necking Pile（m）

2.3 模型參數(shù)設(shè)置

數(shù)值分析中，土體采用摩爾庫倫強(qiáng)度破壞準(zhǔn)則，根據(jù)勘察報告結(jié)合工程經(jīng)驗，土層參數(shù)取值如表1所示。樁體參數(shù)采用線彈性模型，彈性模型3.25×107kPa，泊松比為0.2，重度為25 kN/m3。計算分析由2 個計算步完成：第一步生成樁；第二步通過激活樁頂荷載給樁施加豎向應(yīng)力。采用逐級加載法計算不同樁頂荷載下的樁體位移和應(yīng)力分布特征。

表1 土層參數(shù)Tab.1 Material Parameters for the Soil Layers

3 結(jié)果分析

3.1 Q-s曲線分析

淤泥層擴(kuò)縮徑樁、正常樁荷載-沉降關(guān)系如圖3?所示，可以看出縮徑缺陷樁的極限承載力與正常樁并無太大差異。擴(kuò)徑樁的承載力稍有增加，說明擴(kuò)徑段樁體在承載過程中發(fā)揮了一定的端阻作用，提高了樁基承載力，但提高的承載力值較小。擴(kuò)縮徑樁和正常樁承載力計算值與單樁原位測試值相差不大。

粉質(zhì)黏土層擴(kuò)縮徑樁和正常樁荷載-沉降關(guān)系如圖3?所示?？梢钥闯觯s徑樁的極限承載力同樣與正常樁無差異，而擴(kuò)徑樁的承載力提高較為明顯，可以理解為粉質(zhì)黏土層土體抗剪強(qiáng)度優(yōu)于淤泥層。

圖3 不同缺陷地層擴(kuò)縮徑樁和正常樁荷載-沉降關(guān)系曲線Fig.3 Load-settlement Relationships for Different Piles at Different Soil Layers

淤泥層和粉質(zhì)黏土層中擴(kuò)徑和縮徑樁的荷載-沉降特征如圖4所示，如前所述，粉質(zhì)黏土層中擴(kuò)徑樁承載力相對于淤泥地層有顯著的提升。粉質(zhì)黏土層中縮徑樁承載力增加不大?？赡艿脑驗闃犊s徑部位周圍為強(qiáng)度較低的松散雜土，而雜土切向彈性系數(shù)很低，且法向位移為拉開的趨勢，使該部位樁側(cè)摩阻力極低，從而使縮徑部位承擔(dān)的荷載減小。

圖4 地層影響擴(kuò)縮徑樁荷載-沉降關(guān)系Fig.4 The Influence of Soil Layers on the Load-settlement Relationship

3.2 樁身軸力分析

正常樁和缺陷樁在不同樁頂荷載作用下的樁身軸力響應(yīng)如圖5?所示。樁的軸向荷載傳遞為自上而下逐漸減小，呈平滑曲線分布，隨著樁頂荷載的增大，樁身下部軸力減小明顯，說明樁基下部承受更大的樁側(cè)阻力，淤泥地層對承載力貢獻(xiàn)較低。擴(kuò)徑樁在樁頂荷載逐漸增大過程中樁身軸力分布特性如圖5?所示，可以看出，樁的擴(kuò)徑部位應(yīng)力減小。

縮徑樁的軸向應(yīng)力分布曲線如圖5?所示，縮徑部位樁軸向應(yīng)力急劇增大，當(dāng)樁頂荷載僅為6 000 kN時，縮徑部位的樁軸應(yīng)力即達(dá)到24 MPa；而當(dāng)樁頂荷載加載至36 000 kN 時，縮徑部位的樁軸應(yīng)力達(dá)到144 MPa，遠(yuǎn)將超過混凝土材料的抗壓強(qiáng)度，從而樁基縮徑部位實際工程經(jīng)常出現(xiàn)的斷裂情況。因此，縮徑樁更應(yīng)關(guān)注其應(yīng)力集中問題。

圖5 不同加載階段樁身應(yīng)力Fig.5 Stress Distribution of Pile at Different Loading Stages

4 結(jié)語

⑴擴(kuò)徑樁的擴(kuò)徑部位受樁身面積增大作用使得軸向應(yīng)力減小。擴(kuò)徑能夠提高樁基承載力，但提高的程度受擴(kuò)徑周圍土體影響，粉質(zhì)黏土層擴(kuò)徑樁承載力明顯大于淤泥地層。

⑵ 縮徑樁的極限承載力與正常樁并無太大差異?？s徑樁在縮徑部位受樁身面積減小作用使得軸向應(yīng)力急劇增大，從而極易引起樁身材料承載力破壞，需重點(diǎn)關(guān)注缺陷位置應(yīng)力集中現(xiàn)象。而本文樁基礎(chǔ)的材料模型為線彈性模型，并不能體現(xiàn)縮徑樁在縮徑部位發(fā)生斷裂的現(xiàn)象。

⑶樁身缺陷部位所處地層差異影響樁基承載力特性。擴(kuò)徑缺陷位于粉質(zhì)黏土層時，其承載力優(yōu)于淤泥地層。由于縮徑部位周圍為強(qiáng)度較低的松散雜土，地層特征對縮徑樁的承載力影響較小。