竖向荷载作用下桩的承载力效应研究

2024-03-08苗继庆穆鹏华杨林深韩剑波

地下水 2024年1期

苗继庆,穆鹏华,杨林深,韩剑波

(中冀建勘集团有限公司,河北石家庄 050200)

0 引言

随着我国经济建设的快速发展,各类建筑物对基础的要求越来越高。桩基础由于承载力高和变形小的优点被广泛应用与基础工程建设中。研究表明,桩基础可以有效控制上部结构的变形从而保证结构的稳定性。邓小雪[1]基于有限元研究了竖向荷载作用下复杂群桩的变形及荷载分布规律。结果表明,超长群桩的Q-S曲线呈缓变特征,桩身轴力在中桩最大,角桩最小,桩身的压缩沉降量随桩长增大而减小。刘祥沛等[2]基于室内模型试验和数值模拟系统的研究了桩基础破坏特征。结果表明,桩基础在破坏时桩顶位移会迅速增大,且破坏时桩底反力出现突变。秋仁东等[3]基于大比例模型试验系统的研究了长群桩基础承载力性状。结果表明,群桩基础存在明显的硬化效应,端阻力在桩距较小的条件下提高幅度较大。此外,群桩承台反力随沉降的增大而增大。在其他条件相同的情况下,承台反力随桩距增大而增大。范庆来等[4]基于ABAQUS数值模拟,系统的研究了非均质各向异性软基上管桩基础承载力。结果表明,对于弱超固结土层在考虑土层裂缝时得到的失稳机制中,筒体界面与土体没有明显的裂缝。于炎成等[5]基于模型试验和数值模拟系统的分析了根式桩基础竖向荷载传递机制。结果表明,根式桩基础承载力够大,基础的根腱部位可以释放更大范围土体的承载力,并可有效增大桩侧摩阻力和极限承载力。张征等[6]基于振动台试验系统的研究了砂土液化过程中桩-土动力相互作用p-y曲线特征。结果表明,砂土液化过程中,桩身弯矩先增大后减小,其中p-y滞回曲线没有出现软化线性。在高频加载下桩侧土反力增大,p-y曲线呈现凹型。

考虑目前关于桩基础承载力计算不精确,桩基工程经常出现质量问题,造成人员和财产的损失。本文采用数值模拟方法,开展竖向荷载作用下桩的承载力特性及承载力计算方法研究,本文的研究结果为相关工程设计及施工提供借鉴。

1 工况概况

本文所研究的桩基础属于桥梁桩基础,桩基础采用钻孔灌注桩,桩径为1.2 m,桩长为40 m,桩身混凝土强度均采用C30混凝土浇筑。预估单桩承载力特征值为580 t。试验采用竖向承载力压桩试验,每根试验桩设计4根反力锚桩。试验中卫了精确获取桩的侧阻力和端阻力,试验过程中预埋沉降杆进行多断面位移监测。

钻孔资料揭示,研究区的土体自上而下分别为中砂、粉质黏土层、以及地层的细砂-中砂层。根据勘查报告显示,现场地基属于软土地基,压缩性较大。为保证基础承载力及变形要求,采用钻孔灌注桩进行施工。本次压桩试验采用分级加载方式,每级荷载为120 t,重级荷载为1 440 t,试验加载方式见图1所示。

图1 试验加载分级

2 结果与分析

2.1 试验结果

图2为试验过程中各级荷载作用下桩的轴力分布结果。表明在最大荷载作用下,桩的沉降量约为7.6 mm。其中Q-S曲线没有出现明显的陡将,证明桩的完整性在试验结束时比较完整。当荷载增大至840 t时,稳定时间可达8.5 h。此外,根据图1结果,桩身轴力随桩的深度增加而减小。当荷载增大至最大时,桩端压力较小,证明桩端地基承载力没有发挥充分,另一方面也证明本文研究的桩属于摩擦型桩。

图2 桩轴力分布

为计算桩侧摩阻力,本文利用下式计算计算:

Qi=qsi×U×Li

(1)

式中:Qi为第i层土所受的竖向力,qsi为侧壁摩阻力,U为桩的周长,Li为土层厚度。

图3计算得到桩侧壁摩阻力分布。结果表明,当荷载较小时,侧壁摩阻力分担了多数的外荷载,随着荷载增大,当侧壁摩阻力达到极限时,桩端阻力开始发挥作用。图4结果表明,当荷载为1 440 t时,桩顶变形为7 mm,桩端为0.7 mm,桩身压缩量为4.9 mm。根据以上分析,桩身压缩量随深度的增大而减小,桩端变形是由于土体弹塑性变形的结果。

图4 桩沉降曲线

2.2 数值模拟

2.2.1 模型建立

为进一步研究桩土相互作用。本文在试验的基础上进一步采用数值模拟进行深入研究。采用FLAC建立数值分析模型见图5。模型的具体尺寸见图中所示。模型的边界条件为:下边界为约束三个方向的自由度,上边界为自由边界,左右边界约为水平方向的位移。计算中假定侧压力系数为0.33。岩土体本构模型采用通用的摩尔-昆仑模型,桩采用线弹性本构。数值模拟中具体的岩土体物理力学参数见表1所示。

表1 岩土体物理力学参数

图5 数值模型示意图

2.2.2 对比结果分析

图6给出了相同条件下试验值与数值模拟的对比结果。表明,数值模拟与试验值基本吻合,两者的相对误差在10%以内。但在荷载为840 t时,两者误差较大,但总体来看,数值模拟在加载结束时,未达到桩的破坏极限。证明数值模型参数选取合理,计算科学,可为下文的深入分析做基础。

图6 试验与数值模拟结果

2.2.3 桩的破坏机理

图7给出了数值计算得到在各级荷载下的Q-S曲线。结果表明,当荷载为1 800 t时,曲线出现突变,且桩的变形是上级荷载的2.6倍。因此该级荷载可作为桩的极限荷载。在极限荷载下,桩的压缩变形量为5.8 mm,占总变形的42%。

图7 桩Q-S模拟曲线

图8得到了桩身轴力分布规律。结果表明,模拟值与试验结果基本吻合。当荷载为1 800 t时,桩端轴力迅速增大,这会导致在桩端土体发生较大的应力集中,从而导致地基发生塑性剪切破坏。

综合以上分析,当荷载较小时,桩身会发生一定的弹性变形,桩承受外荷载的主要方式为侧壁摩阻力,进一步增大荷载时,桩端阻力开始发挥作用,此外,外荷载主要有由侧壁摩阻力和桩端阻力共同承担。

2.2.4 参数优化结果

为了优化桩的承载力形状,本文在外荷载为1 440 t的工况下,分析计算了不同桩长下的桩顶荷桩端的变形曲线,结果见图9所示。

图9 桩变形曲线模拟

图9结果表明,随着桩长的增大,桩顶位移和桩底部位移变形均表现出增大的趋势。但桩身压缩基本保持不变。当桩长为33 m时,桩顶荷桩底位移出现突变,因此在实际工程中,桩的最大长度不宜小于33 m。

进一步研究了在极限荷载1 440 t工况下,桩端进行注浆加固时的承载力形状见图10所示。结果表明,当在在不同位置处进行注浆加固后可以显著减小桩的变形。尤其是桩底的位移减小量最大。其中桩顶位移减小了28%,而桩底位移减小了58%。根据注浆后桩的轴力分布结果(图10)来看,注浆后桩端轴力明显大于未注浆时的桩轴力。因此,注浆会显著提高桩的承载力。综合来看,注浆可以有效弥补桩基础施工中桩端沉渣问题。