湿陷性黄土地区振动沉管灌注桩单桩承载力数值模拟

马岷成 王文博 杨彦霞 郑文博 樊娟 郑亚林

(1甘肃省建设设计咨询集团有限公司，甘肃 兰州 730050；2兰州理工大学 甘肃省土木工程防灾减灾重点实验室，甘肃 兰州 730050)

0 引言

黄土在我国分布范围十分广泛，尤其在甘肃、青海、宁夏、陕西、山西等黄河中游地区，均沉积有大量的湿陷性黄土[1-2]。黄土具有天然含水率较低、抗剪强度较低、遇水后易软化等特征，在上述黄土大量分布的省份修建建筑物，首先要确定建筑物基础的承载力。

进入21世纪以来，在基础工程中，振动沉管灌注桩作为一种成熟的基础类型在我国广大地区得到了应用，但在黄土地区，大直径振动沉管灌注桩基础的相关研究与应用较少。大直径振动沉管灌注桩具有较高的承载力、施工工期短等优点，可提高甘肃建筑工程质量安全水平以及增强企业核心竞争力，故应加强对大直径振动沉管灌注桩在黄土地区的应用研究[3-4]。

依托天水客机改货机项目，本文利用大型非线性有限元软件ABAQUS进行数值模拟，建立了考虑土体大变形、初始重力场、桩-土界面摩擦和桩顶施加均布荷载等情况下的三维实体桩-土模型，可得出湿陷性黄土建筑场地内的大直径振动沉管灌注桩的单桩的承载能力、应力场及位移场分布，对于提升湿陷性黄土地区建筑场地内采用大直径振动沉管灌注桩的施工工艺有重要意义。

1 黄土地区单桩承载力确定方法

1.1 规范法确定单桩承载力

圆砾天然状态下单轴抗压强度标准值为0.90MPa，取安全系数2.0，中风化圆砾层对应的桩端阻力特征值取2600kPa。上部地层桩基参数经查建筑桩基技术规范可以得出。800mm桩径的灌注桩嵌固中风化圆砾1m（桩长15.3m）的单桩承载力特征值计算公式[5-6]如下：

式（1）中：Quk为单桩承载力特征值；u为桩身周长；li为桩周第i层土的厚度；qsik为桩侧第i层的侧阻力特征值；qpk为桩端阻力特征值；Ap为桩端面积。

计算可得：Quk=3659kN。

1.2 单桩竖向抗压静载试验

现场单桩竖向抗压静载荷试验采用慢速维持荷载法，即逐级加荷，每级荷载达到相对稳定后加下一级荷载，同时观测每级荷载下桩的沉降量，直到竖向加载量达到终止加载条件，然后分级卸载到零。

①分级加载：荷载分10级加载，且第一级可取分级加载的两倍。

②沉降观测：每级加载后，间隔5、5、5、15min各测读一次，之后每隔15min测读一次，累计1h后每隔30min测读一次。每次测读值记入试验记录表。

③沉降相对稳定的标准：每小时沉降不超过0.1mm，并出现两次（从分级荷载施加后第30min开始，按1.5h连续三次每30min的沉降观测值计算），认为已达到相对稳定，可加下级荷载。

④卸荷沉降观测：每级的卸荷值为每级加荷值的2倍。各级卸荷后，每隔15min测记一次残余沉降值，测记两次后隔30min再测记一次，即可卸下一级荷载。按上述步骤完成卸荷后，在3h之内每隔30min测读一次沉降值，做好记录。

采用规范计算得到的特征值偏安全，原位测试得到的单桩承载力更加接近桩的实际承载力。考虑到岩土体本身的复杂性，在较快速、合理的单桩承载力估算后，为保证工程安全，在项目建设前还需进行单桩竖向抗压静载试验。

2 工程案例分析

2.1 工程概况

天水客机改货机项目[7-8]位于天水市麦积区，工程基础形式采用桩承台基础，基桩成孔工艺为机械成孔灌注桩，该建筑物以圆砾层为桩基础的持力层，桩径800mm，设计桩身混凝土强度等级为C40。

2.2 土层参数

参考地勘报告可知，在本次勘察深度范围内场地地基土自上而下主要为杂填土层、粉土层、粉细砂层、圆砾层以及泥岩层，见表1。

表1 工程场地地基土土层情况

3 单桩竖向抗压静载试验检测

3.1 试验桩参数及极限承载力

通过对该工程的试验桩进行单桩竖向抗压静载试验检测，试验桩号分别为KY1#试验桩、KY2#试验桩、KY3#试验桩，以确定该试验桩在天然含水量状态下单桩竖向抗压承载力特征值，并为该项目的其他工程桩的单桩承载力提供参考。单桩竖向抗压静载荷试验桩参数汇总见表2，单桩竖向抗压静载荷试验承载力结果汇总见表3。

表2 单桩竖向抗压静载荷试验桩参数汇总表

表3 单桩竖向抗压静载荷试验承载力结果汇总表

3.2 试验桩低应变检测

单桩竖向抗压静载荷试验后试验桩低应变检测结果汇总见表4，单桩竖向抗压静载荷试验前试验桩低应变检测结果汇总见表5。

根据表2～表5所示的现场静载试验结果，试验桩单桩竖向抗压承载力特征值分别取值如下：KY1#试验桩单桩抗压承载力特征值可取2500kN；KY2#试验桩单桩抗压承载力特征值可取2500kN；KY3#试验桩单桩抗压承载力特征值可取2500kN。

表5 单桩竖向抗压静载荷试验后试验桩低应变检测结果

3.3 试验桩承载力测试结果曲线

上述三根试验桩单桩竖向抗压静载荷试验承载力结果如图1所示。

图1 灌注桩承载力现场测试曲线

由图1曲线可知，三根试验桩分别加压力至5000kN时，沉降曲线仍未发现明显陡降。由于此时的承载力已满足本工程需要，未继续加载。但由曲线走势可以预估单桩竖向极限承载力可达7000kN以上，特征值相应可达3500kN以上。

4 数值模拟分析

4.1 三维实体桩模型的建立

本文的数值模拟由有限元软件ABAQUS进行模拟分析[9-10]，在模拟时，振动沉管灌注桩桩体单元采用弹性模型，土体单元采用Mohr-Coulomb本构模型，桩直径取800mm，桩长度取15m，最终桩-土实体模型如图2所示。

图2 桩-土实体模型

4.2 三维实体模型的边界条件设置

在该模型中，土体三维模型的约束为：在土体模型底面设置三向约束（水平X、Y向、竖直Z向），在土体模型四周设置两向约束（水平X、Y向），从而保证土体模型边界条件的稳定。同时为了符合工程实际，使桩体模型竖直立于土体模型当中，桩三维模型的约束设置为：桩体模型设置两向约束（水平X、Y向）。

5 ABAQUS模拟的结果与分析

5.1 桩-土应力场的分析

本次ABAQUS模拟软件所进行的单桩竖向抗压承载力模拟，得到的单桩竖向静载应力云图，如图3所示。

图3 灌注桩单桩竖向静载应力云图

由应力云图可见，振动沉管灌注桩的单桩抗压承载力由桩端和桩侧承担。随着时间推移，附加在桩顶部的荷载逐级增大，而桩端土附近土体所承受压力也逐渐增大，最终当桩顶的附加荷载达5000kN时，桩底土体出现塑性变形，此时的桩顶荷载为该沉管灌注桩的极限承载力，从ABAQUS模拟结果看，此荷载值与现场试验结果相近，说明在建模时所选取的参数以及桩与土体的接触较为合理。

5.2 桩-土位移场的分析

模型中荷载的施加方法采用力法，对沉管灌注桩施加竖向荷载，待其达到塑性变形时产生的位移所对应的竖向荷载即为实际的单桩竖向承载力值。图4为径向位移云图。

图4 灌注桩不同荷载时对应的径向位移云图

从径向位移云图可以看出，沿着桩的中心轴位移变形是对称的。随着桩顶荷载的增大，桩底附近土体的位移在逐渐增大，当桩顶荷载增大到5000kN时，桩底土体出现塑性变形，此时的桩顶荷载为该沉孔灌注桩的极限承载力，从模拟结果来看，与现场试验的结果相近，说明在建模时所选取的参数以及桩与土体的接触较为合理[11]。

6 结论

1）现场单桩竖向抗压静载荷试验结果以及ABAQUS有限元软件模拟结果均表明，在以细粉砂、圆砾层作为桩基持力层时，单桩具有较高的承载力，且桩端的沉降量满足工程需要，由此判定，黄土建筑场地内的细粉砂层和圆砾层也可以作为建筑物基础的良好持力层，其桩基可使用大直径振动沉管灌注桩。

2）由规范计算方法得到的特征值偏安全，原位测试得到的单桩承载力更加接近桩的实际承载力。经过充分论证，在保证安全的情况下，可酌情提高的单桩承载力，以降低工程造价，加快施工进度。