土体特性对灌注桩承载性能影响分析

金大勇

(辽宁省冶金地质勘查局四0二队，辽宁鞍山 114000)

建筑桩基础常规的设计方法，是将上部荷载全部由桩来承担，没有考虑到承台下地基土所起到的承载作用。然而近年来承台下地基土分担荷载的可能性已为大量的工程实践及现场试验所证实。如果按照传统的方法进行设计，没有考虑地基土的作用，会盲目的增加桩的用量，造成很大的浪费［1-3］。因此要研究在基础沉降控制得到满足的前提下，发挥承台下地基土的承载能力，通过设置相对较少的桩满足基础的荷载及变形条件，节约工程造价［4-6］。本文以钻孔灌注桩为研究对象，以数值仿真为手段，通过改变桩体周围土体特性，研究对灌注桩承载力的影响所产生的规律，以便为桩土共同作用分析设计提供依据。

1 工程概况

工程场地布设地质勘探孔6个，最大探深34.00 m，总进米169.60 m;原位测试中标贯21次，并进行了重型动力触探实验。根据勘察及原位测试实验得出了地基承载能力及土层物理力学参数，为计算分析奠定了基础。

1)该场地地层较为简单，变化不大。2)①杂填土层不能作为天然地基浅基础持力层。3)②粉土层不能作为天然地基浅基础持力层。4)③中粗砂及④砾砂含角砾层分布较为均匀。5)⑤中风化岩为场地内稳定地层，无软弱夹层及下卧层，强度较高，可以作为桥墩基础持力层，建议采用钻孔灌注桩基础形式。

该场地为中硬场地土，场地类别为Ⅱ类。抗震烈度6度，标准冻结深度为1.40 m。

2 有限元仿真模拟

2.1 本构模型

1)采用弹性材料对桩体进行模拟。桩体材料由胡克定律可表示为:

其中，{σ}为应力增量;{ε}为应变增量;［D］为弹性矩阵。

2)Mohr-Coulomb弹塑性屈服准则。采用Mohr-Coulomb材料对土体进行模拟，其分层按照实际简化地层进行建模。根据极限状态应力圆与强度包线的几何关系，Mohr-Coulomb屈服准则可表示为:

或:

在三维主应力空间中σ1＞σ2＞σ3条件下，其破坏面可采用与式(2)相似的屈服函数表示为:

在主应力空间中M-C准则的屈服面是一个以空间对角线为对称轴的六角锥面，六个锥角三三相等。在扁平面或平面上的屈服曲线是六个锥角三三相等的六边形。M-C准则在p-q平面上的屈服曲线，在其他平面上也有相应的屈服函数和屈服曲线形式。

2.2 材料参数

经过初期现场勘探及室内材料参数试验获得土层参数如表1所示。

表1 土层参数表

2.3 模拟思路

1)边界条件。根据工程情况建立3D实体模型进行模拟，有限元模型侧面采用水平约束，底面采取固定约束。采用实体单元类型，节点自由度为3个平移自由度;材料参数按照地质勘察资料进行选取。

2)荷载条件。将上部传递的荷载等效均布于桩顶，进行桩土作用分析。

3)建立模型。桩体加载示意图如图1所示。

图1 有限元加载模型

2.4 模拟结果与荷载试验对比分析

以该项目3号桩为研究对象，将单桩静载实验和单桩3D模拟仿真进行对比分析，模拟仿真参数均取值于工程地质勘察数据，单桩静载数据取自于实测实验。

如图2所示，桩顶加载10 000 kN以内，模拟值与计算值接近，说明有限元数值模拟精度较高，但模拟值更接近于线性变化。原因在于模拟值计算过程中将桩体及土层进行了相应的简化，与实际土体、桩体参数不完全相符所导致。桩体加载实验加到10 000 kN便进行了卸载，因此没有后半程曲线，模拟值中所表示10 000 kN以上桩顶位移开始摆脱线性变化，变为陡增，因此可以确定桩基已经达到了极限承载能力。

图2 实验值与模拟值对比图

3 土体特性影响因素分析

3.1 桩周土体粘聚力影响

研究桩周土体的粘聚力对大直径钻孔灌注桩竖向承载力的影响，该次仿真计算中选取桩长为40 m，桩径为1.0 m进行有限元计算分析，计算中其他参数均与前述相同。桩周土体粘聚力如图3所示。

图3 粘聚力影响因素曲线

由图3可见，粘聚力增加，则桩基承载能力增加，尤其是从0 kPa增加到1 kPa，承载能增幅最大。粘聚力从1 kPa继续增加，则桩基承载能力增幅较小，粘聚力5 kPa增加到10 kPa增幅最小。由此可以看出粘聚力的增加对于桩基承载力的增加影响极为有限。

3.2 桩侧土体强度的影响

研究桩侧土体强度对桩基承载力的影响，土体强度用土体变形模量变化进行仿真分析。该次仿真计算中选取桩长为40 m，桩径为1.0 m进行有限元计算分析，计算中其他参数均与前述相同。土体变形模量如图4所示。

图4 土体强度影响因素曲线

由图4可见，桩周土体强度的增加对桩基承载力的提高有很大影响，从1 MPa～50 MPa，变形模量增幅越大，对于桩基竖向承载力的提高也就越加明显，但从50 MPa～100 MPa则对于桩基础竖向承载能力的提高影响较小。模拟过程中根据条件，该大直径钻孔灌注桩基础属于摩擦桩，桩侧阻力作用非常重要，因此桩侧土体强度提高则会大幅度提高桩基承载力，桩基础的沉降也随之减小。

3.3 桩与土体摩擦系数影响

研究桩侧土体与桩体之间的摩擦系数因素对桩基承载力的影响，通过设置摩擦系数来达到研究目的。该次仿真计算中选取桩长为40 m，桩径为1.0 m进行有限元计算分析，计算中其他参数均与前述相同。土体摩擦系数如图5所示。

图5 摩擦系数影响因素曲线

由图5可见，随着桩顶荷载的增加，前阶段桩顶位移与竖向承载力基本呈线性增大。桩基竖向承载能力随着摩擦系数的增加而迅速增大，表明摩擦系数增大导致桩土之间的摩阻力大幅增加，对于这种大直径摩擦桩的竖向承载力的提高显著。因此施工中可以通过增加摩阻力的方式来提高桩基竖向承载能力。

4 结语

1)通过有限元软件ADINA仿真模拟结果与加载试验对比结果分析可知，仿真计算结果较为准确，根据模拟曲线特征判断加载10 000 kN桩基已经达到了极限承载能力。

2)粘聚力的增加对于桩基承载力的增加影响极为有限;该大直径钻孔灌注桩基础属于摩擦桩，桩侧阻力作用非常重要，因此桩侧土体强度提高则会大幅度提高桩基承载力，桩基础的沉降也随之减小。

3)摩擦系数增大导致桩土之间的摩阻力大幅增加，可以通过增加摩阻力的方式来提高桩基竖向承载能力。

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