钻孔灌注桩桩底沉渣对单桩承载性状的影响分析*

傅文桥， 郭小刚， 陈雨琴， 李平均

(湘潭大学 土木工程与力学学院,湖南 湘潭 411105)

钻孔灌注桩桩底沉渣对单桩承载性状的影响分析*

傅文桥， 郭小刚*， 陈雨琴， 李平均

(湘潭大学 土木工程与力学学院,湖南 湘潭 411105)

伴随钻孔灌注桩在各个工程领域的广泛应用，桩底易产生一定厚度弱性沉渣的影响问题得到了很多学者的重视，并采用不同方法对桩底沉渣的影响性进行了研究分析.凭借有限元软件在岩土问题上的可操作性和全面性，本文采用数值模拟方法来分析桩底沉渣对单桩承载性状的影响.为深入和具体了解沉渣的影响性，从沉渣厚度、沉渣物理力学性质和灌注桩长径比三个方面进行细致的研究分析.计算结果表明:沉渣厚度、沉渣弹性模量、沉渣内摩擦角和桩长径比对单桩荷载-沉降曲线存在一定程度影响，其中沉渣厚度的影响存在一个临界值，而沉渣粘聚力和泊松比的影响性并不明显.这些结论可用于指导或辅助灌注桩设计、施工、桩底沉渣检测和沉渣处理等.

沉渣；灌注桩；数值模拟；承载性状

随着经济建设的高速发展，钻孔灌注桩由于具有较高的承载能力和控制沉降的可靠性且施工简便，得以广泛应用于建筑工程、公路桥梁工程和港口工程等.但在实际工程施工中，限于施工队伍的素质、施工工艺和技术水平等因素，灌注桩桩底往往极易形成一定厚度的性质较桩底土弱的沉渣.从很多统计的工程资料中可以发现，桩底沉渣的存在会降低桩的承载力，对桩的承载力发挥有较大影响[1].这使得越来越多的学者投入到桩底沉渣对桩承载性状的影响研究中去，研究表明桩底沉渣对桩承载力的影响一般可达10%～30%，甚至可能更高.

一直以来，很多学者做了相关内容的研究：Wong[2]采用室内离心机试验和FB-Pier程序的数值模拟对单桩和群桩中存在桩底沉渣等情况进行了细致分析；Iskander[3]等通过静载试验得到的数据结果来分析桩底夹土等对桩承载力的影响，研究认为桩底沉渣的存在会降低桩的承载力，有较大影响；周红波[4]运用PLAXIS软件进行桩底沉渣和桩侧泥皮的数值模拟，研究了桩底沉渣对桩的承载性状的影响；袁振[5]采用荷载传递法来研究桩端条件对灌注桩荷载传递特性的影响.本文为获得一个系统性、全面性、指导性的结论，在大型有限元软件ANSYS平台上进行数值模拟，对桩底沉渣对单桩承载性状的影响性进行分析.

1 几何模型

由于几何形状、材料性质、位移边界条件和区域应力都满足轴对称条件，故有限元分析可采用轴对称模型.有限元模型建立时，关于土体边界范围的取值，有些文献[7,8]取有限元模型的计算区域深度为2L(L为桩长)，宽度为1L；Desai[9]在进行砂土中单桩承载性状分析时，取计算区域深度为1.5L，宽度为30R(R为桩半径)；Randolph[10]建议取计算区域深度为2.5L，宽度为50R；文献[11]认为桩端以下深度要延伸20R～30R，模型宽度要超过20R～30R，或者超过桩长L；胡铖波[6]等用有限元软件对桩土模型进行分析，提出一种桩土模型所需的合理边界，桩侧土体边界取24R，桩端土体深度取30R.参照以上国内外文献并经ANSYS试算结果分析，本文取有限元模型宽度为24R，深度为30R和1.5L的较大值，这样不仅能满足计算结果的精度要求和提高计算效率，又能合理考虑到土的承载能力.其二维轴对称模型和扩展三维模型分别如图1和图2所示.

2 土体本构模型和桩土接触面处理

建模时桩体采用线弹性实体单元，而土体和沉渣采用ANSYS中自带的D-P模型.M-C强度准则能较好地描述岩土材料的破坏行为，但是它在三维应力空间中的屈服面存在角点的奇异性，即在偏平面上的破坏曲线是一个不规则的六角形，导致数值计算时收敛缓慢.因此产生了许多光滑的曲线来逼近M-C强度曲线的模型，而其中，Drucker-Prager准则[12，13]就是在偏平面上用圆来逼近.

Mohr-Coulomb强度准则可表示为：

τ=σntanφ+c，

(1)

其中，τ为剪应力；σn为受剪面上的法向应力；c为凝聚力；φ为内摩擦角.

将式(1)用应力不变量可表示为：

(2)

其中，I1为主应力的第1不变量；J2偏应力第2不变量.

将式(2)整理后可得：

(3)

当取式(3)中θσ=-π/6，即可得到D-P强度准则的表达式：

(4)

桩土接触选择ANSYS中面-面接触，与土体和沉渣接触的桩体表面设置为TARGE169，与桩体接触的土体面和与桩体接触的沉渣面设置为CONTA172.

3 位移边界条件和初始地应力模拟

参考其他文献[14，15]的位移边界条件及考虑本文模拟的实际情况，采用的有限元模型中土体底部边界和土体四周边界施加全约束.为方便有限元模拟的进行，采用土体自重应力来近似考虑实际土体的初始应力.而ANSYS软件中设置的应力文件存入和读取为初始地应力的模拟提供了便利之处.

4 利用桩底沉渣的单桩数值模拟

4.1 工程实例模拟分析

某办公楼为多高层框架结构，桩基础采用桩型为钻孔灌注桩，设计桩径为600 mm，桩身混凝土等级C20，单桩极限承载力为900 kN，桩长27 m.桩基施工结束后按规范要求进行单桩静载荷试验，发现13号桩单桩极限承载力达不到设计要求，属不合格桩.根据施工现场和地质资料推断桩下部有较厚的沉渣存在，取芯检验结果发现桩底存在大约300 mm的软质沉渣，导致单桩承载力降低.其桩及地质环境具体参数见表1.

表1 桩及土体的设置参数

对此工程实例进行数值模拟，得到桩底有沉渣和无沉渣时的荷载-沉降曲线，并与实测的荷载-沉降数据对比，如图3所示.

由图3可见数值模拟很好地反映了工程实际情况，并发现桩底存在的沉渣对桩的承载力有较大的降低影响和对沉降有较大的增大影响，桩底沉渣的存在使单桩极限承载力降低了20%左右.

4.2 沉渣厚度对单桩承载性状的影响

采用4.1节的桩土模型参数，但沉渣的弹性模量改用7.5 MPa，沉渣厚度分别为0 mm、50 mm、100 mm、200 mm、300 mm、400 mm、600 mm和800 mm，得到荷载-沉降曲线如图4所示.从图4可以看出沉渣厚度变化对单桩荷载-沉降曲线有着较大的影响.在相同桩顶荷载下，桩顶沉降随着沉渣厚度的变大而增大.

图5 不同沉渣厚度下的极限承载力损失率
Fig.5 Loss rate of ultimate capacity with different thickness

图5为不同沉渣厚度下极限承载力的损失率,即各沉渣厚度下相对于沉渣厚度为0 mm时的极限承载力损失率.随着桩底沉渣厚度的增加，单桩极限承载力逐渐衰减，但沉渣达到一定厚度后，极限承载力损失率趋于稳定.当沉渣厚度从100 mm增大到200 mm时，极限承载力损失率突增到8.2%，损失率接近100 mm沉渣时的2倍，符合《建筑桩基技术规范》(JGJ 94—2008)中对摩擦桩沉渣厚度不应大于100 mm的要求.沉渣厚度继续增大到300 mm，极限承载衰减速率变缓，其极限承载力损失率为9.5%，在10%以内.当沉渣厚度从300 mm增加到400 mm，极限承载力减少的趋势加大，其极限承载力损失率为11.3%.但沉渣厚度超过400 mm后，极限承载力损失率增大趋势明显放缓，趋于收敛，其极限承载力损失率在11.3%～12%之间，这表明沉渣影响存在临界厚度，在300～400 mm之间.

4.3 沉渣物理力学性质的影响

同样采用4.1节的桩土模型，主要考虑桩底沉渣的弹性模量Ec、泊松比νc、粘聚力cc和内摩擦角φc因素的各单因素影响性分析，避免各参数交叉分析时产生的不确定性.桩底沉渣厚度取为300mm.桩底沉渣弹性模量的取值为1.5MPa(0.06)、5MPa(0.2)、10MPa(0.4)、15MPa(0.6)、20MPa(0.8)、25MPa(1.0)，沉渣泊松比取值为0.2(0.8)、0.25(1.0)、0.3(1.2)，沉渣粘聚力取值为0.3(0.1)、1(0.33)、2(0.67)、3(1.0)，沉渣内摩擦角取值为5°(0.15)、10°(0.31)、15°(0.46)、30°(1.0)，其中括号里的数据表示桩底沉渣参数值与相应桩端下卧土层参数值的比值，即Ec/Ed、νc/νd、cc/cd、tanφc/tanφd，其中Ed、νd、cd和φd表示桩端下卧土层的弹性模量、泊松比、粘聚力和内摩擦角.

图6 不同沉渣弹性模量下的荷载-沉降曲线
Fig.6 Load-settlement curve with different elasticity modulus

图6为桩底沉渣不同弹性模量下的荷载-沉降曲线.从图中可以看出沉渣弹性模量对桩的承载力和沉降都存在明显的影响.随着桩底沉渣弹性模量的减小，相同荷载作用下产生的沉降量增大.当沉渣的弹性模量减小到一定值后，沉降的增加幅度越来越明显，沉渣弹性模量的影响越为显著.当沉渣的弹性模量从与桩端下卧层土的弹性模量一致的25MPa减小至10MPa，即从1.0Ed降到0.4Ed，荷载-沉降曲线基本无变化，但当沉渣的弹性模量继续减小至小于10MPa后，即小于0.4Ed，荷载-沉降曲线开始变化明显.

桩底沉渣的弹性模量不同时相应的极限承载力见图7.图中曲线反映了沉渣的弹性模量对桩极限承载力的影响，可见沉渣弹性模量在10～25MPa时，即0.4Ed～1.0Ed时，桩的极限承载力变化不大，最大的衰减幅值仅为2.2%.而沉渣弹性模量降低到5MPa时，即为0.2Ed时，相当于沉渣弹性模量为25MPa时的桩的极限承载力，降低幅度达7%.当沉渣的弹性模量继续降低到1.5MPa时，承载力降低率甚至达到15.6%.可见桩底沉渣的弹性模量减小到0.2Ed～0.4Ed后，沉渣的弹性模量对桩的极限承载力有较大影响，影响性类似于指数衰减.

图8为不同桩底沉渣泊松比下的荷载-沉降曲线.可见在沉渣的泊松比为0.8νd～1.2νd时，沉渣泊松比的变化对荷载-沉降曲线的影响很小.显然其极限承载力很接近，相同桩顶荷载下的沉降相差在1mm之内.

不同沉渣粘聚力下的荷载-沉降曲线如图9所示.由图可见桩底沉渣的粘聚力对荷载-沉降曲线的影响并不明显，不同粘聚力取值下荷载-沉降曲线基本重合，说明沉渣粘聚力的变化对单桩的承载力和沉降基本没有影响.

桩底沉渣不同内摩擦角下的荷载-沉降曲线如图10所示.桩底沉渣的内摩擦角的变化对荷载-沉降曲线有较明显的影响，类似于沉渣的弹性模量对荷载-沉降曲线的影响.随着内摩擦角的减小，单桩的极限承载力降低且沉降增加.在内摩擦角为5°，即tanφc/tanφd为0.15时的荷载-沉降曲线已显然和其他三条曲线分离.这是因为弹性模量和内摩擦角会影响到土体的抗剪强度.

4.4 桩长径比的影响

假定桩周土为单一的均质土，其桩、桩周土和沉渣的各指标参数如表2所示，沉渣的厚度固定为300 mm，桩的长径比取值为10(9/0.9)、20(18/0.9)、30(27/0.9)、45(27/0.6)、60(36/0.6)和75(45/0.6)，其中括号中的数据表示桩长与桩径之比.

表2 各材料参数

在桩的不同长径比情况下，竖向荷载作用下的荷载-沉降曲线如图11所示.从图中可见桩的长径比变化会影响沉渣对桩荷载-沉降曲线的作用.不同长径比时，桩底沉渣的存在会使单桩的沉降加大.但不难看出，随着桩长径比的增大，有无桩底沉渣下的荷载-沉降曲线趋于紧密，两者之间的变化幅度越来越小，尤其在桩长径比为75时的荷载-沉降曲线在陡降段前近于重合.说明随着桩长径比变大，桩底沉渣对单桩荷载-沉降曲线的影响越来越小.

图11 不同长径比下的荷载-沉降曲线
Fig.11 Load-settlement curve with different length diameter ratio

不同长径比下的单桩极限承载力损失率如图12所示.由图可见当桩径一致时，桩长增加，长径比变大，单桩极限承载力损失率减小.当长径比较小时，如长径比为10时，极限承载力损失率超过15%，表明此时沉渣对单桩的承载力有较大的影响.但当长径比大于30时，极限承载力损失率在5%以内.长径比继续增大到60以上后，极限承载力损失率可控制在2%以内，表明此时沉渣对单桩承载力的影响可以忽略.

图12 不同长径比下的极限承载力损失率
Fig.12 Loss rate of ultimate capacity with different length diameter ratio

5 结 语

本文对桩底沉渣对单桩承载性状的影响展开了研究分析，并得到以下结论：

(1) 桩底沉渣厚度的影响存在一个临界值，在300～400 mm之间.沉渣厚度大于100 mm后，单桩极限承载力损失率会有一个突增.工程中应严格按照规范要求控制沉渣厚度.

(2) 沉渣弹性模量的减小导致单桩极限承载力类似于指数形式衰减，同样造成沉降增大.随沉渣内摩擦角减小，单桩极限承载力减小，桩顶沉降变大.但沉渣的粘聚力和内摩擦角对单桩承载性状的影响并不明显.因此在工程中进行桩底沉渣检测时，可主要考虑沉渣弹性模量和内摩擦角的大小对单桩承载性状的影响，而不必太注重沉渣泊松比和粘聚力参数.

(3) 随着桩长径比变大，桩底沉渣对单桩承载力和桩顶沉降的影响变小.桩长径比大于30后，单桩极限承载力损失率已很小，所以工程中灌注桩的长径比大于30时，可以适当合理忽略沉渣对单桩承载性状产生的微弱不良影响.

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责任编辑：罗 联

Influence of Bottom Sediment on the Bearing Capacity of Bored Cast-in-Place Pile

FUWen-qiao,GUOXiao-gang*,CHENYu-qin,LIPing-jun

(College of Civil Engineering and Mechanics，Xiangtan University，Xiangtan 411105 China)

Many scholars pay attention to harmful effects of sediment which always exist at bottom of pile as bored cast-in-place pile is widely used in any engineering field. They also study effects of bottom sediment by using different methods. This paper rely on finite element software which is workable and comprehensive on dealing with geotechnical problems to research the influence of bottom sediment on the bearing capacity of bored cast-in-place pile. It also analysis the effects from three sides including the thickness of sediment, the physical properties of sediment and length diameter ratio of pile. Thickness, elasticity modulus，internal friction angle of sediment and length diameter ratio of pile have obvious effects, but cohesive force and poisson ratio of sediment have no obvious effects. Effect of thickness also has a critical value.

sediment；cast-in-place pile；numerical simulation；bearing capacity

2015-01-14

郭小刚(1960— )，男，湖南 湘潭人，教授.E-mail:teenhero@163.com

TU473.1

A

1000-5900(2015)02-0053-08