静载试验压重平台反力装置对桩承载性能影响研究分析

薛 原

(安徽省地球物理地球化学勘查技术院，安徽 合肥 230000)

桩基础作为一种历史悠久的基础形式，具有较高的承载能力和稳定性，对桩基础的承载性能进行监测是确保工程质量和安全的重要步骤。工程实践证明，基桩静载荷试验操作直接，结果可靠，是一种接近于基桩实际工作条件的试验方法。

1 研究背景及意义

当前困扰桩基工程进一步发展的瓶颈是由于岩土工程的不可定性。基桩的极限承载性能是桩基设计中的核心，如不进行基桩的相关承载力试验，桩基础的设计参数在既难准确确定，又不可直接利用其他工程参数的情况下将带来风险。目前试桩竖向变形特性及各种静载试验加载反力装置对试桩的影响尚未引起设计人员的重视，桩身沉降精度误差也未进行考虑，总体对基桩的设计趋向保守[1]。因此，对静载试验中加载反力装置对桩承载性能的影响研究具有实际意义。

2 研究主要内容

基桩承载性能的具体判断主要由试验桩的荷载、桩顶沉降量曲线及时间对数曲线等确定，然而静载试验中各种不同的加载反力装置均会对基桩的承载性能产生不同程度的影响[2]。例如在采用压重平台反力装置的静载试验过程中，因试验开始前，平台上部的堆放的荷载已通过平台支墩传递给了试桩周围的地基土上，故在试验未开始时上部配重荷载已经对堆载平台覆盖的地基土区域产生了很大的位移场，试桩、基准桩及桩周土均产生向下的沉降，配重越重，位移沉降就越大。随着单桩静载试验的进行，千斤顶对试验桩荷载压力逐渐增大，堆载平台的支墩的受力逐渐减小，试验开始前堆载平台覆盖的地基土区域产生的位移场逐渐恢复，相当于桩周土产生了回弹效应，回弹使得基准桩向上回升，因此在此基础上取得的桩顶沉降数据具有较大不确定性。本文结合工程实例利用水准仪等观测仪器，对试桩顶部及桩周土一定范围内进行等距离布置观测点(5、10、15 m)，并随试验加卸载程序同步进行沉降监测记录。最后通过ABAQUS有限元软件建立数值模型，结合现场试验数据和水准监测数据，分析压重平台反力装置下荷载由平台支墩转移至试桩桩顶时，一定范围内桩顶浅层地表平面变形和桩身沉降变形情况。

3 现场试验

试验选取安徽桐城某小区试桩进行试验比对分析，试桩桩号为S1#。试桩桩型为人工挖孔灌注桩，桩径900 mm，桩长14.50 m，砼强度C30，单桩竖向承载力特征值3 550 kN。试验采用快速维持荷载法，试验分级及数据汇总如表1所示：

表1 单桩竖向抗压静载试验数据汇总表

4 静载试验的数值模拟分析

在岩土工程领域，ABAQUS具有流体渗透、静态应力应变分析、动态分析、流固耦合分析等能力。且具有针对饱和及非饱和土的流固耦合进行分析的能力，它可以用生死单元功能，对岩土工程上复杂的边界条件、多次加载等问题进行准确模拟[3]。据上所述，ABAQUS数值模拟软件具有很强的适用性、可靠性，因此，本文选择它进行辅助评价基桩静载试验反力装置对桩基承载力性能影响。

4.1 ABAQUS建模

模型尺寸为25 m × 15 m，考虑到模型的对称性，取1/2区域进行模拟，建立有限元模型。有限元模型中水平X方向共15 m，Y方向25 m。模型左边界采用Symmetry/Antisymmrtry/Encastre约束水平方向上的位移；模型右边界采用Displacement/Rotation约束水平方向上的位移。有限元模型网格划分如图1所示，土体和桩体单元类型钻用CAPE4，单元形状选四边形，网格划分方式为扫掠，划分单元约2 812个，单元节点约2 926个，如图2所示。

图1 有限元模型

图2 模型网格划分

本次数值模拟采用S1#试桩压重平台反力式装置，将单桩承载力极限值分为10级，加载9次。分析步共有10步，其中第一步为地应力平衡分析步(Geostatic),其余分析步均为加载分析步。桩土相互作用中接触面的法向模型选用Normal Behavior模拟；接触面切向模型选用Tangential Behavior模拟，摩擦形式为Penaly，摩擦系数为0.466，最大摩擦力为100 kPa。

岩土层共分为5层，分别为杂填土、粉质黏土、全风化泥质砂岩、强风化泥质砂岩和中风化泥质砂岩。各岩土层参数如表2所示：

表2 地基岩土层数值计算参数

4.2 数值模拟沉降分析

为进一步论证现场试验得到的试桩沉降结果。本节对该试桩进行数值模拟计算分析，所选取的代表性桩所在的地质原型皆采用最不利的实际钻探地质剖面，桩结构参数采用弹性模量为30 GPa，泊松比为0.2，桩身模拟加载沉降云图如图3～图11所示。

图3 第一次加载沉降云图

图4 第二次加载沉降云图

图5 第三次加载沉降云图

图6 第四次加载沉降云图

图7 第五次加载沉降云图

图8 第六次加载沉降云图

图9 第七次加载沉降云图

图10 第八次加载沉降云图

图11 第九次加载沉降云图

图12 数值模拟Q-S曲线图

图13 数值模拟桩顶平面曲线图

5 结论

在采用压重平台加载方式的静载试验中，平台配重所产生的附加应力和卸载回弹对桩身沉降量的影响较大，直接在地面架设基准梁，安装位移计的测读方式比桩身实际沉降量大10%。因此，为进一步提高试验结果的准确性，基准桩的布置应充分考虑试桩桩身应力产生的基准桩下沉和压重平台卸载时基准桩的回弹二者之间的叠加，使基准桩变形值的最小的目标。此外，在试验开始之前可处理试桩周围浅层地表的土体强度，尽可能的减小平台应力转移时产生的土体回弹误差。通过等距离(5、10、15 m)布设的观测点监测数据得知上部荷载附加应力的影响范围基本覆盖于堆载平台之内。

通过ABAQUS有限元软件建立压重平台-试桩模型，从数值计算的角度对试桩桩身沉降位移变化和压重平台荷载由支墩转移至试桩桩顶方面进行了分析，同时将模拟结果与实测数据进行了对比。通过分析试桩沉降云图，试桩主要桩顶处受力，随着上部荷载增加，从桩顶至桩身沉降逐渐增大，桩底受力影响变化较小。数值模拟计算的桩顶沉降和现场静载试验的沉降量相近，且数值模型计算反应出来的荷载-沉降(Q-S)曲线(如图12)所示趋势和现场试验结果吻合较好，均呈线性分布，证明了所建立的数值模型是可靠的，可在一定精度范围内对工程设计与施工提供参考性的建议。

通过对试桩压重平台的布设进行模拟，发现上部荷载会对平台范围内桩周土沉降产生较大影响，但随着加载次数的增加，桩基承载力的影响较小，压重反力平台的铺设会对桩身上部周围桩周土产生部分挤密效果，桩周顶平面处会有小沉降产生(如图13)。在与现场试验监测数据对比后发现模拟计算值大于监测值，这是因为本次模拟采用的二维来计算，缺少三维空间效果。

综上，静载试验压重平台反力装置对桩承载性能的影响是存在的，因此在今后相关基桩参数的设计与使用中，应尽可能考虑反力装置带来的沉降精度影响。