桥梁钻孔灌注桩单桩静载试验数值仿真研究

白利刚

（大同高速公路管理有限公司,山西 大同 037000）

0 引言

随着我国基础建设的发展和交通运输行业的需要，桥梁工程越来越大，大直径钻孔灌注桩是桥梁工程地基处理中的有效手段。对桩体极限承载力的研究一直是研究的难点与重点[1-2]。

王述红等[3]考虑土体的连续性，对桩体承载力自平衡法进行了研究。马甲宽等[4]基于太沙基极限平衡理论，通过现场监测等手段，对多种破坏模式下的螺纹桩承载力进行了计算。黄河等[5]通过室内试验，研究了竹筋格栅套筒加筋碎石桩承载力。陈涛等[6]考虑岩溶的影响，通过现场试验等手段研究了岩溶地区嵌岩桩桩身承载力的分布规律。

王国才等[7]通过数值模拟手段，对竖向荷载作用下螺纹桩的承载能力和群桩效应进行了研究。董建松等[8]依托实际工程案例，优化了特大岩溶空洞下的桩基施工技术。在此基础上，该文针对桥梁钻孔灌注桩单桩极限承载力进行研究，依托实际工程案例，进行了现场静载试验，并通过有限元软件建立桩基模型进行数值仿真，对桩基沉降、桩身轴力分布、承载力组成和极限承载力大小进行了研究。

1 工程概况

该文依托某高速公路扩建工程项目，该项目包含桥梁13 座，全长13 km。桩基础主要选用钻孔灌注桩，穿越底层主要为不具湿陷性的黄土层，试验区主要土层物理指标见表1。

表1 主要土层物理指标

为了研究该工程的结构和地质特性，首先通过现场静载试验对钻孔灌注桩的承载特性进行了研究；其次通过有限元方法对单桩静载试验进行了分级加载数值仿真模拟。

2 单桩竖向静载试验

通过设置1 根30 m 的试桩进行静载试验，布置4 根桩长与试桩相同的锚固桩，即“四锚一”。根据规范要求，锚桩与试桩的间距设为3.4 m。桩径均为1.5 m，采用C30 混凝土浇筑，试桩桩顶0.5 m 范围内承台采用C40混凝土浇筑，锚桩桩顶与地面平齐，试桩桩顶高出锚桩0.5 m。根据地勘资料，初步判定该试桩为摩擦型桩。

如图1 所示展示了试桩的Q-s曲线。从图中可以看出，随着竖向荷载的施加，试桩沉降随之增大。在竖向荷载增加到18 000 kN 时，由于反力梁发生挠度变形以及锚拔连接器出现松动、脱落，故而终止加载。当竖向荷载加载到18 000 kN 时，桩顶沉降量约为28.4 mm，卸载后，最大回弹量达到了9.4 mm，回弹率为33.1%。

图1 试桩Q-s 曲线

3 单桩静载试验数值仿真

3.1 有限元数值模型建立

为进一步研究钻孔灌注桩的单桩静载承载力特征，该文通过有限元软件进行了单桩静载试验数值仿真。桩体本构模型选用各向同性线弹性模型。根据以往模拟以及实际工程经验，土体本构模型选用摩尔—库伦模型。

根据上述静载试验，建立“四锚一”布置的桩土模型进行静载试验，试桩和锚桩的桩长均为30 m，直径为1.5 m，如表2 所示为数值模型材料参数。

表2 模型材料参数

试桩加载从3 000 kN 开始以1 500 kN 为步长进行加载。考虑锚桩受拉上拔对试桩的影响，对荷载状态进行了定义，分别为初始地应力平衡状态、单桩受压状态和锚桩受拉状态。忽略反力装置在反力传递过程中自身的损耗情况，数值模型见图2。

图2 模型网格划分

3.2 结果分析与讨论

3.2.1 模型验证

如图3 所示，展示了有无锚桩两种模型模拟结果与实测数据的对比情况。从图中可以看出，随着竖向荷载的施加，桩顶沉降随荷载大小变化趋势和数值大小，两模型与实测值均较为接近。

图3 两种模型模拟结果与实测数据对比

相比较而言，无锚桩模型沉降计算结果偏大，表明锚桩的存在，有效抑制了桩周土体变形，对桩体形成了约束力，进而导致沉降减小。从桩体沉降而言，桩体沉降随荷载呈现指数型增加趋势，尤其是在20 000 kN 之后，桩体沉降速率大幅加快。

3.2.2 桩身内力分布

如图4 所示，展示了不同荷载等级下桩身内力随深度变化情况。从图4(a)中可以看出，桩身轴力随着深度的增加不断衰减。桩身轴力与荷载大小呈现正相关关系。荷载较低时，桩身轴力随深度变化呈直线，随着荷载的增加，桩身轴力随深度增加其下降速度呈现先慢后快的趋势。在深度达到30 m 时，各荷载等级下的桩身轴力差异不大。这是由于桩身会产生侧摩阻力，随着深度的增加，侧摩阻力不断加大，对传递过来的上部荷载进行抵消，因此呈现出上述现象。

图4 不同加载大小下桩身内力分布

从图4(b)中可以看出，桩侧摩阻力随着荷载的增加而增大，与施加荷载大小呈现正相关趋势。在深度较浅时，侧摩阻力随深度增加而增大，后保持稳定。在桩身上部，侧摩阻力随深度增加而逐渐增大，在浅部土层侧阻力增大至接近极限后保持稳定。而在桩身中下部，装测阻力达到峰值。在桩身下部及桩端位置处，部分侧摩阻力沿深度方向减小，而由于桩端土体对桩产生挤密作用，使得桩侧摩阻力出现一定程度的强化，因而在桩端位置处亦出现不同程度的增大。整体而言，随着荷载的增大，桩侧摩阻力曲线中心向下偏移，基本呈现“单峰状”分布。

3.2.3 桩侧摩阻力

如图5 所示，展示了各土层桩侧摩阻力随相对位移变化曲线。从图中可以看出，随着相对位移的增大，桩侧摩阻力呈现出先增大后趋于稳定的一般性规律。相比较而言，土层1 和土层2 在侧摩阻力增加到峰值点后出现了一小部分的衰减后趋于稳定。从数值而言，土层3的侧摩阻力最大，其次为土层2，桩侧摩阻力最小的为土层1，这也对应了该文桩侧摩阻力随深度变化所展现出的规律。

图5 桩侧摩阻力随相对位移变化曲线

4 结语

为研究桥梁钻孔灌注桩单桩极限承载力，该文依托实际工程案例，进行了现场静载试验。基于此，通过有限元软件建立桩基模型进行数值仿真，对桩基沉降、桩身轴力分布、承载力组成和极限承载力大小进行了研究，得出主要结论如下：

（1）当试桩竖向荷载加载到18 000 kN 时，桩顶沉降量约为28.4 mm。根据曲线变形规律，可判断试桩Q-s变形曲线为缓变型曲线。

（2）数值模拟结果与实测值吻合较好，表明该桩基模型在参数设定、材料本构模型选取、边界条件以及模型划分方面是较为合理、有效的。

（3）桩体沉降随荷载呈现指数型增加趋势，在施加荷载较低时，沉降随荷载增加变化速度较慢，而随着荷载的提高，尤其是在20 000 kN 之后，桩体沉降速率大幅加快。

（4）在加载至接近20 000 kN 时，桩侧摩阻力趋于重合，而沉降达到了40 mm，且增加速率较快，因此可以判定试桩的极限承载力约为20 000 kN。