沉渣对钻孔灌注桩承载力影响分析

陶 彦

(辽宁建筑职业学院，辽宁辽阳 111000)

0 引言

基础工程是建筑工程的重要组成部分，基础工程的质量直接关系到整个建筑结构的安全。桩基础是基础的主要形式之一，随着高层建筑的蓬勃发展，结构体越发得复杂，地下空间的利用也越发地被重视起来，桩基础逐渐成为了许多建筑首选的基础类型。

钻孔灌注桩因其施工工艺简单、适用性强、造价低等特点，在建筑基础工程中得到了广泛的应用。但是由于成孔、灌注混凝土、成桩都处于隐蔽状态，因此往往桩基工程在设计、施工、质量检测等方面都比上部结构更为复杂，更容易存在质量隐患。在施工过程中，由于受施工设备、技术及工艺水平的影响，桩底沉渣控制难度较大，许多工程桩的桩底不可避免的残余有一定厚度的沉渣，对单桩承载力影响颇大。

本文通过大型有限元分析软件ADINA对桩体进行二维模拟，并采用大型数值分析软件MATLAB对得出的数据进行拟合，得出相应的经验公式，进而研究不同桩底沉渣厚度对钻孔灌注桩承载力的影响，具有一定的工程应用价值。

1 工程实例

盖州北海新区住宅回迁楼基础钻孔灌注桩工程，采用的是反向循环泥浆护壁钻孔灌注桩，桩体为埋头桩，高程采用绝对高程，本工程±0相当于绝对高程的13.4 m，桩顶标高为－3.7 m，桩体设计承载力为2 500 kN。选取其中一根工程桩C15-24为例，其孔口高程为－0.63 m，钻机采用反向回转钻机，导管直径200 mm，混凝土采用C25商用混凝土，坍落度为207 mm，充盈系数为1.16，泥浆比重为1.16，桩体垂直度小于桩长的1%，灌注时导管距离井底0.6 m，钢筋笼长16.6 m。

钻孔范围内地质情况见表1。

表1 C15-24钻孔范围内地质情况

2 仿真模拟

有限元分析模型中，在桩顶施加均布荷载，为简化起见，只考虑一层岩土体的情况，在桩与土体的侧面接触部分设置了接触面，桩底无接触面，采用了标准的约束条件，即限制了边界上的水平变形，只允许产生竖向变形。当桩顶总位移量不小于35 mm，本级荷载的下沉量不小于前一级荷载的下沉量的5倍时，即终止加载，取终止时荷载小一级的荷载为极限荷载。当桩顶总位移量小于35 mm时，若P—S曲线呈陡变型曲线，取陡变的前一级荷载为残余承载力的极限值。

采用大型有限元分析软件ADINA对桩体进行二维模拟分析，简化模型图见图1。

图1 简化模型图（单位：m）

模型中桩体采用各项同性线弹性体模型，土体采用Mohr-Coulumnb模型，计算参数见表2。

表2 模型参数

提取数据后，利用MATLAB根据所得数据绘出不同沉渣厚度所对应的P—S曲线，见图2。

图2 不同沉渣厚度所对应的P—S曲线

根据图2可以看出，与无沉渣的钻孔灌注桩相比，沉渣厚度较大的钻孔灌注桩的P—S曲线由“平缓型”过渡为“突变型”，进而表明其破坏形式将由局部剪切破坏转变为桩尖刺入破坏。因而导致桩体的承载力大幅下降。

根据不同沉渣厚度所对应的P—S曲线可以得出不同沉渣厚度所对应的残余承载力曲线，并利用MATLAB进行拟合，对比图见图3。

从图3可以看出图像大致符合指数分布，利用MATLAB编写如下程序:

图3 不同沉渣厚度所对应的残余承载力曲线

根据拟合结果可以得出桩体残余承载力的经验公式，如式(1)所示。

式中:F'——残余承载力，kN;

h——桩底沉渣厚度，mm;

F——桩底无沉渣情况下桩体承载力，kN。

可以看出，桩体残余承载力随桩底沉渣厚度的增加而呈指数形式降低，并与周围土体的性质有关。当沉渣厚度达到一定值时对桩体残余承载力的影响作用趋于平缓。

提取相关数据得出不同荷载作用下桩顶位移和沉渣厚度关系曲线，见图4。

图4 不同荷载作用下桩顶位移和沉渣厚度关系曲线

由图4可以看出，桩顶所施加的荷载及桩底沉渣厚度对桩顶位移均有影响，当荷载不变时，桩顶位移与沉渣厚度呈指数关系，当沉渣厚度小于200 mm时，对桩顶位移影响较大，当沉渣厚度超过200 mm以后，对桩顶位移影响较小。

3 结语

钻孔灌注桩在施工过程中，由于多种原因，桩底沉渣控制难度较大，对单桩承载力影响颇大。

本文利用大型有限元分析软件ADINA和数值分析软件MATLAB对不同厚度桩底沉渣桩体进行模拟，通过分析得出如下结论:

1)与无沉渣的钻孔灌注桩相比，沉渣厚度较大的钻孔灌注桩的P—S曲线由“平缓型”过渡为“突变型”，进而表明其破坏形式将由局部剪切破坏转变为桩尖刺入破坏。因而导致桩体的承载力大幅下降;

2)桩体残余承载力随桩底沉渣厚度的增加而呈指数形式降低，并与周围土体的性质有关。并且根据P—S曲线，利用MATLAB模拟出相应的经验公式;

3)当沉渣厚度在100 mm以内时，对桩体的承载力削弱比较大，但是当沉渣厚度达到一定值时，对桩体承载力的影响作用趋于平缓;

4)桩顶所施加的荷载及桩底沉渣厚度对桩顶位移均有影响，当荷载不变时桩顶位移与沉渣厚度呈指数关系，当沉渣厚度小于200 mm时，对桩顶位移影响较大，当沉渣厚度超过200 mm以后，对桩顶位移影响较小。

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