建筑技術丨膨脹土地基載體樁承載力特性數(shù)值分析

膨脹土是一種具有吸水膨脹和失水收縮變形特性的非飽和土。在天然狀態(tài)下，膨脹土一般處硬塑的狀態(tài)，具有較高的強度，但遇水即膨脹軟化，失水收縮開裂，這種反復的膨脹收縮導致強度大幅降低，往往會造成工程病害。作為一種新型樁型，載體樁通過夯填建筑垃圾加固樁端土體提高其承載力，具有施工簡便、經(jīng)濟環(huán)保等特點，已得到廣泛應用，在膨脹土地基中可減少地基脹縮變形量，有效解決對低層建筑物的不良影響。與傳統(tǒng)的擴底樁相比，載體樁的樁端土體影響區(qū)域較大，單樁承載力更高。王虎妹等通過靜載試驗分析載體樁復合地基承載受力原理，并計算得出了承載受力與地基沉降的關系。陳洪運等通過載體樁與CFG樁復合地基沉降變形的對比試驗對載體樁復合地基在高速鐵路深厚軟弱地基加固中的沉降特性進行研究，結果表明載體樁復合地基沉降約為CFG樁復合地基的2倍。但是，目前關于載體樁在膨脹土地基的相關研究報道僅見于工程實際應用中，有關樁基的承載受力機理和理論分析還有待研究。本文基于極限平衡原理，推導在上拔荷載作用下載體樁的承載力公式。利用膨脹土強度試驗得到的力學參數(shù)，采用ABAQUS軟件對膨脹土地基載體樁工作性狀進行數(shù)值模擬分析，研究在不同含水率下，載體樁在抗壓和抗拔2種不同工況下的極限承載力、樁身軸力及樁側摩阻力的變化規(guī)律，研究結論對工程應用有重要參考意義。1、理論分析載體樁是一種端承型樁，其荷載傳遞機理不同于一般的等直徑樁。通過上拔試驗及顆粒流模擬發(fā)現(xiàn)擴底樁的滑移面呈倒錐形。本文在上拔荷載作用下，假設載體樁的滑動破壞面如圖1所示。圖1載體樁的滑動破裂面假設地基土是一種均質土，載體樁的破裂滑移面呈倒錐臺形：取微單元利用靜力平衡原理，假定破裂面的法向應力為ΔR，切向應力為ΔT，根據(jù)摩爾庫倫原理則有：式中：K0為靜止土壓力系數(shù)；γ為均質土重度；ΔQ為單元重量。由土體豎向靜力平衡方程得：式中：土壓力q=（L–z），則q=–γΔz。對承載力與樁長求微分：將式（1）代入式（4），去除高階項可得：代入K0=1–sinφ、q=γ（L–z），對式（5）進行積分得到極限承載力P。在下壓荷載作用下，其沉降變形主要由樁身壓縮量S1和樁端土的變形量S2構成。其變形量可按下式計算：式中：Q為樁頂總荷載；l為樁長；Eh為樁身材料變形模量；C為變形系數(shù)；D為樁端直徑。根據(jù)JGJ135—2007《載體樁設計規(guī)程》，單樁承載力特征值計算式為：式中：fa為載體樁持力層地基土經(jīng)深度修正后承載力，其計算式為：式中：fk為持力層地基土承載力特征值，為230?kPa，由GB50112—2013《膨脹土地區(qū)建筑設計規(guī)范》可知，埋置深度的地基承載力修正系數(shù)ηd=2，土的加權平均重度γ=18.5?kN/m3，載體持力層地基土承載力修正深度為8?m，故：

fa=507?kPa。等效面積為2?㎡，則Ra=1?015?kN?？紤]土體含水率的增加對單樁承載力的折減，為滿足設計要求，取單樁承載力特征值為800?kN。計算時載荷最大加載到承載力特征值的2倍。2、載體樁數(shù)值模擬2.1建立計算模型采用ABAQUS建立載體樁及樁周土三維數(shù)值模型，基于結構和受力的對稱性，取實際模型的1/2進行計算。為消除邊界對計算區(qū)域的影響，水平方向取土的有效作用范圍為20倍樁徑，豎向方向取2倍樁長。假定膨脹土為單一均質的線性彈塑性材料，飽和度均勻分布且服從Mohr-Coulomb屈服準則。土體和載體樁的有限元模型如圖2所示。（a）

（b）圖2有限元模型及網(wǎng)格劃分（a）樁周土體；（b）載體樁模型中載體樁的直徑為0.45?m，樁長為5?m，載體直徑為1?m，假定樁身和載體緊密相連且均為均勻的線彈性材料。土體和樁的單元類型均采用八節(jié)點縮減積分（C3D8R），樁與樁側土之間的相互作用采用主－從接觸屬性。樁–土接觸面采用庫倫摩擦模型，法向采用硬接觸的形式，切向運用罰函數(shù)，摩擦系數(shù)根據(jù)不同含水率作用下膨脹土的內摩擦角取其為tan（0.75φ）。在模型側向約束x、y方向的位移，模型底部固定。載體樁的彈性模量E=27.6?GPa，泊松比ν=0.37，混凝土的重度γ=23.0?kN/m3，土的重度γ=18.5?kN/m3，土的彈性模量隨含水率的變化而變化，在含水率為時E=60?GPa，含水率為時E=8.0?GPa，泊松比ν=0.26。不同含水率條件下膨脹土地基的強度參數(shù)見表1。表1膨脹土試驗強度參數(shù)2.2模型驗證文獻開展了膨脹土地基上載體樁的現(xiàn)場試驗研究。試驗場地的土層主要為①粉砂、②1粘土、②2粉砂、③粘土，其中粘性土均為膨脹土。以硬塑–堅硬狀的②1粘土（天然含水量25.6%，天然重度γ=19.4?kN/m3，壓縮模量ES=6.62?MPa）為樁端持力層。數(shù)值計算時取彈性模量E=50?MPa，泊松比ν=0.23，試驗樁長為5?m，樁徑0.45?m。計算得到的荷載位移曲線與現(xiàn)場試驗結果對比可看出，現(xiàn)場試驗與數(shù)值模擬的荷載位移曲線分布基本一致，主要差別在于數(shù)值模擬的沉降值大于現(xiàn)場試驗的數(shù)值，其主要原因有現(xiàn)場試驗的樁身有加筋材料，提高了樁身強度；且由于現(xiàn)場試驗夯擴擠密土體的作用范圍較廣，而模擬的擠密土體等效于載體體積。雖有差異但變化規(guī)律基本一致，且差異數(shù)值較小，因此根據(jù)此模型計算得到的結果具有一定的參考意義。3、計算結果分析地應力平衡是樁土模擬中非常重要的步驟，采用生死單元功能先對土體應力進行平衡計算，平衡后激活樁體，對其施加重力荷載。ABAQUS中可使用多種方式施加荷載，本文對樁頂分級施加載荷，在抗壓分析中，第一步加載320?kN，之后每加載一級160?kN，加至1?600?kN時停止加載，隨后開始卸載，每次卸載320?kN，直至荷載為零。對于上拔分析，采用對樁頂施加豎直向上的荷載，每級施加100?kN，最大加載到1?200?kN。

3.1土體含水率對抗壓承載影響對不同含水率條件下膨脹土樁基進行模擬分析，計算出每級荷載作用下樁頂?shù)某两滴灰?，得到的荷載位移曲線如圖3所示。圖3不同含水率下抗壓樁荷載位移曲線由圖3可看出，膨脹土地基，隨含水率增加，樁基的承載力明顯下降。隨著樁頂荷載增加，各樁的荷載位移曲線均是一條光滑連續(xù)的曲線，無明顯拐點，卸載荷載后各樁的回彈量均在15??mm內。根據(jù)JGJ135—2007《載體樁設計規(guī)范》，當Q-s曲線非線性緩慢變化且無明顯拐點時，取沉降為60?mm時所對應的荷載值為極限承載力，故在含水率為13%時取最大加載值1?600?kN為極限荷載值；含水率為30%時，極限荷載值為760?kN，樁基極限承載力下降了52.5%。不同含水率條件下，載體樁的極限承載力見表2。表2不同含水率下載體樁的單樁極限抗壓承載力自樁頂向下，每隔0.5?m提取出樁不同深度處的軸力。極限荷載作用下，從載體樁的樁身軸力沿樁深度的分布可發(fā)現(xiàn)，隨樁基極限承載力的下降，極限狀態(tài)樁身軸力減小，在不同含水率條件下，軸力沿深度方向變化趨勢基本一致，隨深度增加樁身軸力逐漸減小，且減小幅度較小，故可說明含水率對抗壓樁樁身軸力的影響較小。在不同含水率條件下，提取極限荷載作用下樁側摩阻力隨深度變化曲線發(fā)現(xiàn)，沿深度方向，樁側摩阻力變化趨勢呈先上升后下降的趨勢，含水率越高極限荷載越大，樁側摩阻力越靠近樁端，但在樁端處，由于壓力作用下載體與周圍土體分離，導致側阻力急劇下降。在不同極限荷載下，樁側摩阻力最大值不足整體承載力的5%，故僅可考慮安全儲備承載力。3.2土體含水率對抗拔承載分析不同含水率條件下，膨脹土地基載體樁上拔荷載位移曲線如圖4所示。根據(jù)JGJ94——2008《建筑樁基技術規(guī)范》極限荷載確定方法，取荷載位移曲線突變點所對應的荷載值為極限承載力。由此可看出，在達到極限荷載前，隨樁頂荷載增加，樁基上拔緩慢增長，達到極限荷載后上拔位移急劇增大。在土體達到飽和后，載體樁極限抗拔承載力與含水率為13%時相比下降了65.5%。圖4不同含水率下抗拔樁荷載位移曲線不同含水率條件下，載體樁極限抗拔承載力見表3。表3不同含水率下載體樁的單樁極限抗拔承載力在不同含水率條件下，樁基的極限抗拔承載力所對應的樁身軸力和樁側摩阻力的分布如圖5、圖6所示。從圖5可看出，沿深度方向樁身軸力逐漸減小，分布形式與抗壓樁基本相同，但在樁端處出現(xiàn)軸力明顯減小的現(xiàn)象，隨樁頂荷載減小，樁端軸力變化程度逐漸降低。圖5極限抗拔荷載下樁身軸力分布圖6極限抗拔荷載下樁側摩阻力分布從側摩阻力分布曲線可看出，載體樁的側阻力沿深度逐漸增大，在靠近樁端部處,側摩阻力急劇增加；隨土體飽和度增加，側摩阻力增加幅度逐漸減小，其主要原因是在上拔荷載作用下，載體與樁端土體相互擠密，導致摩擦力增大，土體含水量越高摩擦力越小，樁端強化效應也越小。3.32種工況下樁基極限承載力與含水率的關系不同含水率條件下膨脹土地基載體樁的抗壓、抗拔極限承載力如圖7所示。隨含水率增加，2種工況下樁基的極限承載力均下降，且降低的趨勢基本一致。在含水率相同的條件下，樁基的抗壓承載力大于抗拔承載力，在含水率為30%時，極限抗壓承載力是抗拔承載的1.9倍。圖7極限承載力隨含水率的變化規(guī)律4、結論本文研究結果表明。（1）土體含水率對載體樁樁基的承載力有顯著影響，極限抗壓承載力和極限抗拔承載力均隨地基土含水率的增加而降低，含水率越高，承載力的降低速率越慢。載體樁是一種端承樁，在含水率相同的條件下，抗壓承載力高于抗拔承載力。（2）在不同含水率條件下，極限荷載下的抗壓樁和抗拔樁的樁身軸力沿深度方向變化趨勢基本一致，均隨深度增加而逐漸減小。含水率對抗壓樁的樁身軸力影響較小，隨樁深的變化軸力減小的幅度較??；含水率對抗拔樁的樁端