王 尚，梁慶國*，周彩貴，薛小攀，李建東

(1. 蘭州交通大學 土木工程學院，蘭州 730070；2. 西北水利水電工程有限責任公司，西安 710100)

紅層軟基在我國西南及西北地區(qū)分布較多，紅色巖層(簡稱為紅層)，在外觀上呈磚紅色和紫紅色，主要由砂巖、泥巖、黏土巖構(gòu)成，強度介于土和巖石之間.紅層軟基有透水性弱、親水性強、吸水軟化、失水崩解等特性，紅層軟基樁基礎(chǔ)設(shè)計要綜合考慮土質(zhì)條件對樁側(cè)摩阻力和承載特性的影響.

近年來，眾多學者對有關(guān)地基處理和紅層軟基研究還取得了較為有價值的研究成果：通過數(shù)值模擬研究鉆孔灌注樁隨樁頂荷載的增加，樁端阻力和樁側(cè)阻力均增大[1-2].通過進行大量現(xiàn)場靜載試驗和室內(nèi)試驗，取得成果表明樁-土界面的超孔壓沿樁深度增加，隨著樁端超孔壓加速消散，土體有效應(yīng)力增大，樁側(cè)摩阻力和樁端阻力也隨之增大[3-6].經(jīng)過理論分析和推導出樁周土體擾動范圍及樁-樁相互作用系數(shù)的計算方法[7-10].通過對紅層的研究表明紅層泥巖發(fā)生水巖作用后微觀結(jié)構(gòu)疏松，顆粒間黏結(jié)變?nèi)鮗11-13].Zhang等[14]做了剛性樁的離心模型試驗，發(fā)現(xiàn)在軟粘土中，運用 API規(guī)范經(jīng)過計算得到的結(jié)果存在對樁的靜極限承載力低估的現(xiàn)象.Khatri等[15]得出了抗拔樁的極限抗拔承載能力隨著粘聚力的增大而增加.在此基礎(chǔ)上，本文擬采用現(xiàn)場載荷試驗，并借助有限元軟件進行數(shù)值模擬計算，分析樁的承載特性，沉降變形、樁側(cè)阻力、樁端阻力、彎矩以及塑性區(qū)的發(fā)展規(guī)律，以期為紅層軟基鉆孔灌注樁的設(shè)計和研究提供參考.

1 工程背景及場地地質(zhì)情況

青海省湟水北干渠扶貧灌溉二期工程經(jīng)過湟水流域北岸淺山地帶.引水渡槽為鋼管結(jié)構(gòu)，長約142.3 m，8根支撐樁呈均勻分布，樁間距為15.8 m.采用混凝土灌注樁施做地基基礎(chǔ)，樁徑為1.2 m圓樁.基樁采用沖擊鉆泥漿護壁成孔，水下混凝土灌注成樁，樁長為12.6～13.6 m.

經(jīng)巖土工程勘察報告表明，0～2.5 m巖性主要以粉土、粘土、砂礫石、粘土巖塊、砂巖巖塊為主，淺黃色-磚紅色，結(jié)構(gòu)松散-稍密.2.5～12.8 m為磚紅色的紅層，主要有泥巖、砂巖、黏土巖等，節(jié)理發(fā)育.12.8～31.4 m為古近系砂巖，節(jié)理一般發(fā)育.

2 現(xiàn)場試驗

2.1 試驗準備

由于試驗場地地形條件有限只能采用噸袋堆載法，如圖1所示.次梁下部的承重墻以及主梁下部的墩臺基礎(chǔ)采用混凝土塊砌筑，主梁采用長、寬、高7 m×0.5 m×0.5 m的鋼箱梁，次梁采用14根7 m長的工字鋼，現(xiàn)場搭設(shè)6 m×8 m的載重平臺，上面載重采用長、寬、高1 m×1 m×1 m的噸袋裝碎石土作為壓重，樁頂設(shè)置鋼墊板，上面放最大頂力為500 t的油壓千斤頂，千斤頂頂力作用于主梁，主梁上覆次梁，次梁搭設(shè)在混凝土塊砌筑的墻體上，上部堆放配重.基樁檢測設(shè)備采用JYC樁基靜載荷分析儀，通過壓力傳感器、位移傳感器、油壓表和百分表自動監(jiān)測記錄樁頂施加的壓力和樁頂產(chǎn)生的位移.

圖1 現(xiàn)場試驗全貌圖

2.2 試驗過程

在現(xiàn)場1號樁單樁靜載試驗中，現(xiàn)場試驗采用慢速維持荷載法進行分級加載，使用電動油泵千斤頂電腦控制進行逐級加載，共分10級加載，首先進行前兩級荷載共同加載，后面為逐級加載，每級加載量控制為180 kN，最終加載控制在1 800 kN.在維持每級荷載不變的條件下，直到樁頂沉降每小時不超過1 mm，并且要連續(xù)出現(xiàn)2次才能進行下一級加載.樁頂沉降位移監(jiān)測采用四個百分表分別安裝在千斤頂和樁頂之間的鋼墊板的四個角上，并用磁性表座固定在基準梁上.依據(jù)《樁基工程手冊》[16]的規(guī)定：在樁基靜載試驗完成后，要分別繪制Q-s(荷載-位移)曲線、s-lgQ(位移-荷載對數(shù))曲線、s-lgt(位移-時間對數(shù))曲線，如圖2～4所示.

2.3 試驗結(jié)果分析

由圖2可知，隨著對單樁進行分級加載過程中其位移呈一定規(guī)律增加，對現(xiàn)場實測靜載試驗數(shù)據(jù)Q-s曲線進行擬合分析，從而得出其擬合公式為s=7.273 1×10-7Q2.012 9，相關(guān)系數(shù)為0.991 39.在最終加載到1 800 kN時，最大沉降量為2.53 mm，從Q-s曲線變化情況來看，沒有出現(xiàn)突降點，說明樁在加載過程中沒有達到樁的極限承載力.圖3為不同分級加載的條件下，樁的沉降與時間對數(shù)的關(guān)系，從圖中可以看出，隨著加載荷載的不斷增加，樁身的沉降也在增加，但在本級荷載加載過程中樁身沉降隨時間變化很小，s-lgt基本呈直線分布，在每級加載曲線的線尾也沒有出現(xiàn)明顯的彎曲情況.在圖4的s-lgQ曲線中，也沒有出現(xiàn)明顯的突降點.從以上曲線圖中可以看出，樁基在進行加載的過程中沒有達到樁基的極限承載力.結(jié)合規(guī)范[17]中的規(guī)定：對樁端直徑D大于等于800 mm的樁，可取等于0.05D對應(yīng)的荷載值[12].取s=60 mm，代入上述擬合公式從而求出Q=8 567.4 kN.

圖2 單樁Q-s關(guān)系曲線

圖3 s-lgt曲線

圖4 s-lgQ曲線

3 數(shù)值模擬分析

3.1 計算模型

為了更好地探究現(xiàn)場的樁基內(nèi)力特性分布規(guī)律，運用有限元軟件Midas/GTS開展同等條件下的基樁靜載試驗數(shù)值模擬.建立分析控制10級加載下的樁基模型，以清楚反映樁基在每一級加載下的位移、樁身軸力、樁側(cè)阻力、樁端阻力等具體情況.對地層中碎石土、紅層泥巖和砂巖采用各向同性摩爾庫倫模型進行模擬，樁身采用梁單元進行模擬，并采用樁-土界面接觸屬性.根據(jù)現(xiàn)場實際情況建立了三維數(shù)值模型，模型的建立與網(wǎng)格的劃分如圖5所示.第一層土為碎石土厚度為2.5 m，下層為紅層泥巖，厚度為10.3 m，樁長為12.6 m，嵌入紅層泥巖地層為10.1 m.整個模型長25 m，寬20 m，高35 m，共有30 990個節(jié)點和38 123個單元.

圖5 有限元計算模型(單位：m)

3.2 基本物理力學參數(shù)

巖土物理力學參數(shù)根據(jù)現(xiàn)場地勘資料確定，樁土接觸的樁界面參數(shù)和樁端參數(shù)通過試驗及參數(shù)計算確定，具體取值如表1所列.

表1 巖土體及樁單元物理力學參數(shù)

3.3 計算結(jié)果分析

通過有限元數(shù)值模擬計算，進行樁身豎向位移、軸力、端阻力、彎矩以及樁端土體塑性區(qū)范圍等結(jié)果的分析，并與現(xiàn)場試驗結(jié)果進行對比.

3.3.1 樁身豎向位移分析

通過對模型分級加載，得出分級加載條件下樁的沉降值，從而繪制出數(shù)值模擬加載下樁的Q-s曲線.數(shù)值模擬的Q-s曲線如圖6所示.從圖中可以看出模型在最終荷載1 800 kN加載下，樁的最大沉降為2.72 mm，現(xiàn)場靜載試驗最終加載下最大沉降為2.53 mm.通過對數(shù)值模擬Q-s曲線進行擬合，得出擬合關(guān)系式s=1.217×10-7Q2.26，相關(guān)系數(shù)為0.991 4.從靜載試驗中得到的回歸方程，當Q=1 800 kN時代入，求得s=2.60 mm.如表2所列，擬合值達到了實測值的97.3%，數(shù)值模擬結(jié)果達到了實測值的93.0%，說明數(shù)值模擬和現(xiàn)場試驗相吻合，可作為現(xiàn)場試驗的補充和指導.

圖6 數(shù)值模擬Q-s曲線

3.3.2 樁身軸力分析

每級加載下樁身軸力沿樁長的分布關(guān)系曲線如圖7所示，從圖中可以看出，在分級加載下樁身0～3 m范圍內(nèi)樁身軸力沿樁長出現(xiàn)了先增大后減小的情況，大致呈D型分布，是由于樁頂碎石土層較松散，在自重的作用下發(fā)生沉降，在樁身上部產(chǎn)生一定的負摩阻力.在距樁頂3 m以下的土層，隨著樁的入土深度增加樁身軸力不斷減小.樁身側(cè)阻力隨樁頂荷載的增加而增加，由于側(cè)阻力的充分發(fā)揮樁身軸力曲線傾斜程度變大.當樁頂荷載大于900 kN時，樁端阻力充分發(fā)揮進而使加載過程中的樁身軸力隨樁長減小的幅值更大，其對應(yīng)曲線傾斜角度也更大.

3.3.3 樁端阻力分析

分級加載下樁端荷載變化曲線如圖8所示，圖中個數(shù)據(jù)點的數(shù)值均為計算值，從圖中可以看出分級加載下樁端阻力變化曲線由開始呈緩傾狀發(fā)展到最終呈陡傾狀趨勢，與Q-s曲線大致呈相同趨勢，說明加載過程中從開始加載到加載中期樁端阻力發(fā)揮不大，樁頂荷載大部分由樁側(cè)阻力承擔，到加載后期，由于樁側(cè)阻力的發(fā)揮完全，樁頂荷載基本由樁端阻力承擔，因此，加載后期樁端阻力隨加載工況增加的較快.在加載到900 kN后，此時樁側(cè)摩阻力已發(fā)揮完全，樁端阻力為112.33 kN，曲線開始由緩變陡，加載到1 800 kN時，樁端荷載達到了最大值，最大值為969.40 kN.此時，樁端阻力承載比例為55.6%，樁側(cè)摩阻力承載比例為44.4%.

圖8 分級加載下樁端荷載變化曲線

3.3.4 樁身彎矩分析

加載過程中，樁身產(chǎn)生輕微的撓曲變形，使樁身承受一定的彎矩.樁身彎矩分布曲線如圖9所示，可以看出在整個加載過程中彎矩分布曲線變化趨勢大致呈相同趨勢，隨著樁頂荷載不斷增加，樁身彎矩變化幅度增大.第一層土為碎石土，厚度為2.5 m，在樁頂荷載下會在第一層土中間位置出現(xiàn)較大彎矩，從圖中可以看出在1.25 m處，樁身彎矩值較大，由于樁身彎矩作用下發(fā)生撓曲變形，進而擠壓樁周土體，土體的被動土壓力會抑制樁身彎矩的進一步增大，從而使樁身彎矩減小，發(fā)生拐點.同理，在下層泥巖的中上部位，也就是樁長6～7 m處樁身撓曲變形也較大，樁身彎矩較大，樁周土體的土壓力又會阻止彎矩增加，發(fā)生拐點.在樁端部位，在加載到900 kN以后樁端土體開始出現(xiàn)塑性變形，土體的塑性變形導致樁端的彎矩也較大.樁身最大正彎矩在距樁頂0.9 m位置，大小為0.45 kN·m.在前5級加載時，樁端彎矩為0 kN·m；在樁頂荷載為1 800 kN時，在樁端位置處彎矩最大，最大負彎矩為-1.17 kN·m，彎矩值整體相對較小，對樁的穩(wěn)定性影響不大.

圖9 樁身彎矩分布曲線

3.3.5 樁端土體塑性區(qū)分析

分級加載下樁端土體塑性區(qū)變化分布圖如圖10所示，從圖中可以看出，在樁頂荷載變大時，樁端土體塑性區(qū)范圍增加.在樁頂荷載為900 kN時，樁端土體開始出現(xiàn)塑性區(qū)，由于對樁端下部土體擾動范圍較小，樁端土體塑性區(qū)大致呈片狀分布.在樁頂荷載加載到1 080 kN時，樁端土體塑性區(qū)大致呈短柱狀分布.在樁頂荷載加載到1 440 kN時，在地層中形成了一個大致呈球形的塑性區(qū)，從塑性區(qū)前視平面圖中測量，該塑性區(qū)直徑為1.78 m，且隨著樁頂荷載的增加塑性區(qū)范圍不斷擴大，在樁頂荷載加載至1 800 kN時，樁端地層塑性區(qū)直徑達到2.18 m.

圖10 分級加載下土體塑性區(qū)

4 結(jié)論

1) 隨著加載工況的進行，Q-s曲線由緩逐漸變陡，沉降變化速率增加.數(shù)值模擬與現(xiàn)場試驗吻合度較高，可為樁基靜載試驗及樁的承載特性研究提供有力支持和參考.

2) 樁身軸力沿樁長逐漸減小，當樁頂荷載較大時，樁身軸力減小的幅度較大.樁頂荷載較小時，在樁頂范圍0～3 m內(nèi)樁身軸力先增大后減小，呈D狀分布.隨著樁頂荷載的增大，樁側(cè)阻力與樁端的阻力不斷增加，在最終加載下側(cè)阻力承載比例占到44.4%，端阻力承載比例為55.6%.

3) 在整個加載過程中樁身彎矩整體較??；每個工況下樁身彎矩分布變化曲線較為相似，加載到后期，彎矩最大值點出現(xiàn)在樁端附近位置.隨著樁頂荷載的增加，塑性區(qū)范圍不斷增大，在達到一定值時，樁端及以下土層一定范圍內(nèi)會形成球狀的塑性區(qū).