红层软基引水钢渡槽桩基承载特性研究

王 尚，梁庆国*，周彩贵，薛小攀，李建东

(1. 兰州交通大学 土木工程学院，兰州 730070；2. 西北水利水电工程有限责任公司，西安 710100)

红层软基在我国西南及西北地区分布较多，红色岩层(简称为红层)，在外观上呈砖红色和紫红色，主要由砂岩、泥岩、黏土岩构成，强度介于土和岩石之间.红层软基有透水性弱、亲水性强、吸水软化、失水崩解等特性，红层软基桩基础设计要综合考虑土质条件对桩侧摩阻力和承载特性的影响.

近年来，众多学者对有关地基处理和红层软基研究还取得了较为有价值的研究成果：通过数值模拟研究钻孔灌注桩随桩顶荷载的增加，桩端阻力和桩侧阻力均增大[1-2].通过进行大量现场静载试验和室内试验，取得成果表明桩-土界面的超孔压沿桩深度增加，随着桩端超孔压加速消散，土体有效应力增大，桩侧摩阻力和桩端阻力也随之增大[3-6].经过理论分析和推导出桩周土体扰动范围及桩-桩相互作用系数的计算方法[7-10].通过对红层的研究表明红层泥岩发生水岩作用后微观结构疏松，颗粒间黏结变弱[11-13].Zhang等[14]做了刚性桩的离心模型试验，发现在软粘土中，运用 API规范经过计算得到的结果存在对桩的静极限承载力低估的现象.Khatri等[15]得出了抗拔桩的极限抗拔承载能力随着粘聚力的增大而增加.在此基础上，本文拟采用现场载荷试验，并借助有限元软件进行数值模拟计算，分析桩的承载特性，沉降变形、桩侧阻力、桩端阻力、弯矩以及塑性区的发展规律，以期为红层软基钻孔灌注桩的设计和研究提供参考.

1 工程背景及场地地质情况

青海省湟水北干渠扶贫灌溉二期工程经过湟水流域北岸浅山地带.引水渡槽为钢管结构，长约142.3 m，8根支撑桩呈均匀分布，桩间距为15.8 m.采用混凝土灌注桩施做地基基础，桩径为1.2 m圆桩.基桩采用冲击钻泥浆护壁成孔，水下混凝土灌注成桩，桩长为12.6～13.6 m.

经岩土工程勘察报告表明，0～2.5 m岩性主要以粉土、粘土、砂砾石、粘土岩块、砂岩岩块为主，浅黄色-砖红色，结构松散-稍密.2.5～12.8 m为砖红色的红层，主要有泥岩、砂岩、黏土岩等，节理发育.12.8～31.4 m为古近系砂岩，节理一般发育.

2 现场试验

2.1 试验准备

由于试验场地地形条件有限只能采用吨袋堆载法，如图1所示.次梁下部的承重墙以及主梁下部的墩台基础采用混凝土块砌筑，主梁采用长、宽、高7 m×0.5 m×0.5 m的钢箱梁，次梁采用14根7 m长的工字钢，现场搭设6 m×8 m的载重平台，上面载重采用长、宽、高1 m×1 m×1 m的吨袋装碎石土作为压重，桩顶设置钢垫板，上面放最大顶力为500 t的油压千斤顶，千斤顶顶力作用于主梁，主梁上覆次梁，次梁搭设在混凝土块砌筑的墙体上，上部堆放配重.基桩检测设备采用JYC桩基静载荷分析仪，通过压力传感器、位移传感器、油压表和百分表自动监测记录桩顶施加的压力和桩顶产生的位移.

图1 现场试验全貌图

2.2 试验过程

在现场1号桩单桩静载试验中，现场试验采用慢速维持荷载法进行分级加载，使用电动油泵千斤顶电脑控制进行逐级加载，共分10级加载，首先进行前两级荷载共同加载，后面为逐级加载，每级加载量控制为180 kN，最终加载控制在1 800 kN.在维持每级荷载不变的条件下，直到桩顶沉降每小时不超过1 mm，并且要连续出现2次才能进行下一级加载.桩顶沉降位移监测采用四个百分表分别安装在千斤顶和桩顶之间的钢垫板的四个角上，并用磁性表座固定在基准梁上.依据《桩基工程手册》[16]的规定：在桩基静载试验完成后，要分别绘制Q-s(荷载-位移)曲线、s-lgQ(位移-荷载对数)曲线、s-lgt(位移-时间对数)曲线，如图2～4所示.

2.3 试验结果分析

由图2可知，随着对单桩进行分级加载过程中其位移呈一定规律增加，对现场实测静载试验数据Q-s曲线进行拟合分析，从而得出其拟合公式为s=7.273 1×10-7Q2.012 9，相关系数为0.991 39.在最终加载到1 800 kN时，最大沉降量为2.53 mm，从Q-s曲线变化情况来看，没有出现突降点，说明桩在加载过程中没有达到桩的极限承载力.图3为不同分级加载的条件下，桩的沉降与时间对数的关系，从图中可以看出，随着加载荷载的不断增加，桩身的沉降也在增加，但在本级荷载加载过程中桩身沉降随时间变化很小，s-lgt基本呈直线分布，在每级加载曲线的线尾也没有出现明显的弯曲情况.在图4的s-lgQ曲线中，也没有出现明显的突降点.从以上曲线图中可以看出，桩基在进行加载的过程中没有达到桩基的极限承载力.结合规范[17]中的规定：对桩端直径D大于等于800 mm的桩，可取等于0.05D对应的荷载值[12].取s=60 mm，代入上述拟合公式从而求出Q=8 567.4 kN.

图2 单桩Q-s关系曲线

图3 s-lgt曲线

图4 s-lgQ曲线

3 数值模拟分析

3.1 计算模型

为了更好地探究现场的桩基内力特性分布规律，运用有限元软件Midas/GTS开展同等条件下的基桩静载试验数值模拟.建立分析控制10级加载下的桩基模型，以清楚反映桩基在每一级加载下的位移、桩身轴力、桩侧阻力、桩端阻力等具体情况.对地层中碎石土、红层泥岩和砂岩采用各向同性摩尔库伦模型进行模拟，桩身采用梁单元进行模拟，并采用桩-土界面接触属性.根据现场实际情况建立了三维数值模型，模型的建立与网格的划分如图5所示.第一层土为碎石土厚度为2.5 m，下层为红层泥岩，厚度为10.3 m，桩长为12.6 m，嵌入红层泥岩地层为10.1 m.整个模型长25 m，宽20 m，高35 m，共有30 990个节点和38 123个单元.

图5 有限元计算模型(单位：m)

3.2 基本物理力学参数

岩土物理力学参数根据现场地勘资料确定，桩土接触的桩界面参数和桩端参数通过试验及参数计算确定，具体取值如表1所列.

表1 岩土体及桩单元物理力学参数

3.3 计算结果分析

通过有限元数值模拟计算，进行桩身竖向位移、轴力、端阻力、弯矩以及桩端土体塑性区范围等结果的分析，并与现场试验结果进行对比.

3.3.1 桩身竖向位移分析

通过对模型分级加载，得出分级加载条件下桩的沉降值，从而绘制出数值模拟加载下桩的Q-s曲线.数值模拟的Q-s曲线如图6所示.从图中可以看出模型在最终荷载1 800 kN加载下，桩的最大沉降为2.72 mm，现场静载试验最终加载下最大沉降为2.53 mm.通过对数值模拟Q-s曲线进行拟合，得出拟合关系式s=1.217×10-7Q2.26，相关系数为0.991 4.从静载试验中得到的回归方程，当Q=1 800 kN时代入，求得s=2.60 mm.如表2所列，拟合值达到了实测值的97.3%，数值模拟结果达到了实测值的93.0%，说明数值模拟和现场试验相吻合，可作为现场试验的补充和指导.

图6 数值模拟Q-s曲线

3.3.2 桩身轴力分析

每级加载下桩身轴力沿桩长的分布关系曲线如图7所示，从图中可以看出，在分级加载下桩身0～3 m范围内桩身轴力沿桩长出现了先增大后减小的情况，大致呈D型分布，是由于桩顶碎石土层较松散，在自重的作用下发生沉降，在桩身上部产生一定的负摩阻力.在距桩顶3 m以下的土层，随着桩的入土深度增加桩身轴力不断减小.桩身侧阻力随桩顶荷载的增加而增加，由于侧阻力的充分发挥桩身轴力曲线倾斜程度变大.当桩顶荷载大于900 kN时，桩端阻力充分发挥进而使加载过程中的桩身轴力随桩长减小的幅值更大，其对应曲线倾斜角度也更大.

3.3.3 桩端阻力分析

分级加载下桩端荷载变化曲线如图8所示，图中个数据点的数值均为计算值，从图中可以看出分级加载下桩端阻力变化曲线由开始呈缓倾状发展到最终呈陡倾状趋势，与Q-s曲线大致呈相同趋势，说明加载过程中从开始加载到加载中期桩端阻力发挥不大，桩顶荷载大部分由桩侧阻力承担，到加载后期，由于桩侧阻力的发挥完全，桩顶荷载基本由桩端阻力承担，因此，加载后期桩端阻力随加载工况增加的较快.在加载到900 kN后，此时桩侧摩阻力已发挥完全，桩端阻力为112.33 kN，曲线开始由缓变陡，加载到1 800 kN时，桩端荷载达到了最大值，最大值为969.40 kN.此时，桩端阻力承载比例为55.6%，桩侧摩阻力承载比例为44.4%.

图8 分级加载下桩端荷载变化曲线

3.3.4 桩身弯矩分析

加载过程中，桩身产生轻微的挠曲变形，使桩身承受一定的弯矩.桩身弯矩分布曲线如图9所示，可以看出在整个加载过程中弯矩分布曲线变化趋势大致呈相同趋势，随着桩顶荷载不断增加，桩身弯矩变化幅度增大.第一层土为碎石土，厚度为2.5 m，在桩顶荷载下会在第一层土中间位置出现较大弯矩，从图中可以看出在1.25 m处，桩身弯矩值较大，由于桩身弯矩作用下发生挠曲变形，进而挤压桩周土体，土体的被动土压力会抑制桩身弯矩的进一步增大，从而使桩身弯矩减小，发生拐点.同理，在下层泥岩的中上部位，也就是桩长6～7 m处桩身挠曲变形也较大，桩身弯矩较大，桩周土体的土压力又会阻止弯矩增加，发生拐点.在桩端部位，在加载到900 kN以后桩端土体开始出现塑性变形，土体的塑性变形导致桩端的弯矩也较大.桩身最大正弯矩在距桩顶0.9 m位置，大小为0.45 kN·m.在前5级加载时，桩端弯矩为0 kN·m；在桩顶荷载为1 800 kN时，在桩端位置处弯矩最大，最大负弯矩为-1.17 kN·m，弯矩值整体相对较小，对桩的稳定性影响不大.

图9 桩身弯矩分布曲线

3.3.5 桩端土体塑性区分析

分级加载下桩端土体塑性区变化分布图如图10所示，从图中可以看出，在桩顶荷载变大时，桩端土体塑性区范围增加.在桩顶荷载为900 kN时，桩端土体开始出现塑性区，由于对桩端下部土体扰动范围较小，桩端土体塑性区大致呈片状分布.在桩顶荷载加载到1 080 kN时，桩端土体塑性区大致呈短柱状分布.在桩顶荷载加载到1 440 kN时，在地层中形成了一个大致呈球形的塑性区，从塑性区前视平面图中测量，该塑性区直径为1.78 m，且随着桩顶荷载的增加塑性区范围不断扩大，在桩顶荷载加载至1 800 kN时，桩端地层塑性区直径达到2.18 m.

图10 分级加载下土体塑性区

4 结论

1) 随着加载工况的进行，Q-s曲线由缓逐渐变陡，沉降变化速率增加.数值模拟与现场试验吻合度较高，可为桩基静载试验及桩的承载特性研究提供有力支持和参考.

2) 桩身轴力沿桩长逐渐减小，当桩顶荷载较大时，桩身轴力减小的幅度较大.桩顶荷载较小时，在桩顶范围0～3 m内桩身轴力先增大后减小，呈D状分布.随着桩顶荷载的增大，桩侧阻力与桩端的阻力不断增加，在最终加载下侧阻力承载比例占到44.4%，端阻力承载比例为55.6%.

3) 在整个加载过程中桩身弯矩整体较小；每个工况下桩身弯矩分布变化曲线较为相似，加载到后期，弯矩最大值点出现在桩端附近位置.随着桩顶荷载的增加，塑性区范围不断增大，在达到一定值时，桩端及以下土层一定范围内会形成球状的塑性区.