劲性复合桩侧摩阻力影响因素数值模拟研究

2023-08-18陈廷柱何碧娟黄国俊刘涛盛强冯雨泉

四川水泥 2023年8期

陈廷柱何碧娟黄国俊刘涛盛强冯雨泉

(1.南京江北公用建设工程有限公司，江苏南京 211031；2.南京工业大学交通运输工程学院，江苏南京 211816)

0 引言

软土作为一种强度较低、压缩量较高、渗透性较差的流变性土体，在我国东部沿江沿海地区广泛分布。由于软土不利于工程建设，故需进行地基加固处理，常用的处理方法主要是桩基础。劲性复合桩是一种组合型桩体[1]，结合柔性水泥土搅拌桩和刚性混凝土桩的优点，能够协调桩土变形，充分调动、发挥深层土体承载潜能，实现桩土共同作用[2-3]。

为对劲性复合桩进行优化设计，学者们对劲性复合桩工作性状的影响因素进行相关分析。钟佳男[4]探究了短芯劲性复合桩复合地基的荷载传递机理与变形特性，以及多个因素对其工作性状的影响，并通过正交试验分析各因素对桩土应力比、沉降的影响程度。李子田[5]采用室内模型试验、数值分析和理论计算相结合的方法，分析了短芯劲性复合桩的竖向承载特性以及水泥土水泥掺入量和桩端阻力等因素对承载特性的影响。短芯劲性复合桩作为工程使用较多的劲性复合桩类型，对其工作性状的研究已较为完善。但与短芯劲性复合桩不同，劲性复合桩内芯桩底直接与桩端持力层接触，外芯水泥土桩只作为内芯混凝土桩与桩周土间的过渡层，两者的受力性能与工作机理存在一定差别。

劲性复合桩作为一种在软土地区使用的新桩型，其侧摩阻力演化规律尚不明晰。鉴于此，本文采用有限元分析方法，研究不同水泥掺入量、内芯直径和桩长对劲性复合桩工作性状的影响，明晰劲性复合桩侧摩阻力的演化规律。

1 计算模型建立

通过有限元软件建立劲性复合桩模型，模型外芯桩长18m，直径900mm，内芯桩长18m，直径500mm，壁厚125mm，载荷板直径与内芯直径相等，高度150mm，置于内芯上方，水泥土中的水泥掺量为18%。为了保证模型的合理性，取15倍桩径为桩的影响半径，1.5倍桩长为整个模型的深度，最终建立的劲性复合桩模型尺寸为30m×30m×30m。对桩及桩周土采用弹塑性模型，载荷板及混凝土桩采用线弹性模型，相关模型材料见表1。模型网格划分时对桩与桩周土体的网格进行局部加密，整个模型采用C3D8R实体单元。模型网格划分情况如图1所示。

图1 劲性复合桩三维模型

表1 劲性复合桩模型材料参数表

在进行劲性复合桩设计时，通常会考虑到桩体材料与尺寸参数对桩体工作性状的影响，此处主要讨论水泥掺入量、复合桩内芯直径及桩长对劲性复合桩工作性状的影响。以单因素为变量进行数值模拟研究，内芯直径分别为400mm、500mm、600mm、700mm，桩长分别为14m、16m、18m、20m，不同水泥掺入量的参数设置如表2所示。

表2 不同水泥掺入量的参数设置

2 计算结果分析

2.1 水泥土中水泥掺入量

水泥土中水泥掺入量的变化对劲性复合桩界面侧摩阻力的影响如图2所示。由图2可以看出，随着劲性复合桩水泥土中水泥掺入量的提高，内、外界面侧摩阻力都有一定增长但变化量较小，变形曲线之间增长态势并不明显，不同水泥掺入量的内、外界面侧摩阻力随深度变化均呈现“M”型曲线，不同水泥掺入量的变化曲线并无峰值点的位移变化。这是因为随着劲性复合桩水泥掺入量的提高，内、外界面的水泥粘结效应与摩擦作用都有一定增强，界面的剪切强度有所提升，相应侧摩阻力也有一定提高，因而内、外界面侧摩阻力都有一定的增长。但由于水泥掺入量只对水泥的粘结效应进行累加，因此其界面剪切强度变化不大，内、外界面侧摩阻力提升有限，整体变化态势不明显。

图2 水泥掺量对界面侧摩阻力的影响

2.2 内芯直径

不同内芯直径对劲性复合桩界面侧摩阻力的影响如图3所示。由图3可以看出，在上部荷载及水泥土水泥掺入量一定的情况下，随着劲芯复合桩内芯直径的增加，内界面侧摩阻力随深度变化幅度减小，内界面侧摩阻力峰值变化点不随内芯直径改变而发生变化。其原因为随着内芯直径增加，桩身长径比减小，内界面的表面积增大，内芯抗压刚度增大，桩身轴力作用下单位桩身压缩量所需承担的桩顶荷载减小，桩身侧向压缩变形减小，作用于内芯桩周界面上的法向应力减小，内界面侧摩阻力逐渐减小。

图3 内芯直径对界面侧摩阻力的影响

相较于内界面侧摩阻力，由于内芯直径改变对桩身长径比及外界面表面积并无改变，且顶部作用荷载一定，单位桩身压缩量所需承担的桩顶荷载及桩身侧向压缩变形的影响变化较小，故在水泥土中水泥掺入量及上部荷载相同的条件下，内芯直径变化对劲性复合桩外界面的影响小于内界面，内芯直径对外界面侧摩阻力的影响可忽略不计。因此实际工程中，在保证内界面侧摩阻力安全的前提下，应当选择较小的内芯直径，以节约施工成本。

2.3 桩长

不同桩长对劲性复合桩界面侧摩阻力的影响如图4所示。由图4可以看出，不同桩长的劲性复合桩，在靠近桩顶处，其内、外界面侧摩阻力相近。在靠近某一桩长劲性复合桩的桩端深度范围内，此桩长的劲性复合桩内界面、外界面侧摩阻力均高于其他桩长的劲性复合桩内、外界面侧摩阻力，其他桩长的桩内界面、外界面侧摩阻力大小排序为桩长越靠近相应深度其值越高。这是因为由于在上部荷载一定的情况下，桩身侧摩阻力一定，若桩身直径不变，桩长增加，其长径比增大，桩身压缩单位长度产生的桩侧摩阻力增大，故某一桩长的桩端深度范围内，其桩长愈接近该桩端深度范围，其内、外界面侧摩阻力愈大。以靠近14m深度范围内为例，14m桩内(外)界面侧摩阻力＞16m桩内(外)界面侧摩阻力＞18m桩内(外)界面侧摩阻力＞20m桩内(外)界面侧摩阻力。

图4 桩长对界面侧摩阻力的影响

此外，在相同上部荷载及水泥土水泥掺入量的条件下，不同桩长对最大侧摩阻力有较大影响，表现为随着桩长的增大，内界面、外界面最大侧摩阻力都在减小，不同桩长的最大侧摩阻力均位于距桩底端约2m处而非位于桩底端处，这是因为存在桩侧摩阻力的深度效应，即在某一深度后桩侧摩阻力达到最大侧摩阻力，继续增大深度，桩侧摩阻力不再随深度增加而线性增长，故不同桩长的最大侧摩阻力均不位于桩底端处。