全取代再生混凝土人工挖孔桩竖向承载特性数值模拟研究

石振庆 李孝雄 傅林森

（滁州学院土木与建筑工程学院 安徽滁州 239000）

混凝土的抗压强度是混凝土力学性质中最基本的指标，国内外学者对再生混凝土抗压强度方面开展了较多研究。在相同配比下再生混凝土的抗压强度比普通混凝土的抗压强度提高了2%～20%[1]，但抗压强度的提高受水灰比影响，当水灰比较低时，再生混凝土强度低于普通混凝土，水灰比高时，得出了相反的结论[2]。当粗骨料的取代率为50%时，再生混凝土构件的抗疲劳性能高于普通混凝土[3]，且GAndreu利用取代率为100%再生骨料配置了强度超过60MPa的再生混凝土[4]。再生混凝土的抗压强度结论差异性较大，对于再生混凝土的抗压强度是否大于普通混凝土褒贬不一，其主要原因是由于再生混凝土中粗骨料离散性较大，不同的废弃混凝土原强度不一致。

随着超高层建筑的大规模建设，对基础的承载特性的要求也不断提升，由于桩基础可达到较高的承载力，沉降小，此外还含有良好的稳定性，故而在工程领域获得较为广泛的多方位应用[5-7]。学者邢皓枫[8]曾经借助于某特定数值模拟软件，针对存在于复杂地质条件下的人工挖孔桩所表现的受力特征，展开一系列深入分析，由此得知桩附近土层提供的摩阻力，往往与荷载值等参数息息相关，而若某桩长度较大，则此时需要对其上覆土含有的侧摩阻力进行综合考量。学者Vesic[9]曾经提出：若桩身和土体彼此间呈现的相对位移量保持恒定，则必将有助于桩身产生较高的摩擦力，并承担源自上部的荷载。学者Rowe[10]等基于弹性理论，研究出适合在无沉渣条件下计算嵌岩桩所含承载力的科学方法，能获得完全满足设计标准的沉降量值，然而，此类方法可能会受到来源于实际因素的种种局限。学者Williams[11]等针对桩身与桩端摩擦力彼此间呈现的关系曲线进行研究，并由此提出创新性的荷载设计方案。数值模拟计算全取代混凝土桩基础的竖向承载特性，能更加全面的考虑各因素对桩基础承载力的影响程度。本文借助试验手段研究全取代再生混凝土的力学性能，并结合混凝土人工挖孔桩现场静载试验修正数值模拟的结果，基于上述研究成果，通过数值模拟系统探索全取代再生混凝土人工挖孔桩的竖向承载特性。

一、全取代混凝土抗压强度试验

试验中采用的粗骨料来自于城市改造中的废弃混凝土，经过破碎、剔分和去除杂质等工序，最后使骨料粒径小于40mm，并设置一组对比试验，具体配比见表1所示。

表1 试验配合比

经过搅拌、浇筑、标准养护等一系列操作后，依据《普通混凝土力学性能试验方法》（GB/T50081-2016）及《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》（GB/T50082-2009）开展立方体抗压强度试验与弹性模量试验。试验结果见表2所示。

表2 混凝土抗压强度及弹性模量

由表2可知，当混凝土中石子全部由再生混凝土替代时，混凝土强度及弹性模量均有所下降，但变化较小。其主要原因是再生骨料孔隙率较高，在承受轴向应力时容易形成应力集中现象，且再生骨料与新旧砂浆之间的过渡区结合力较小。

二、试验桩

为了分析数值计算模型与计算参数的合理性，选取滁州市某地区人工挖孔桩的静载试验成果对上述数值计算模型与计算参数进行对比验证。

（一）工程及地质概况。工程桩桩长20m，桩径1.0m，桩身材料为C35混凝土。其工程地质情况见表3。

表3 工程地质情况

粘土粘土含砂粘土强风化砂岩22.7 27.7 22.1/19.7 19.1 19.8/0.681 0.801 0.660/116.2 67.1 100.5/21.9 17.2 25.1/10.8 7.8 11.6 5.26 7.96 7.07 9.02

（二）模型建立与计算参数。建立模型桩长20m，桩径1.0m的桩基，与实际工程吻合。土层共分5层，土层参数及厚度与实际情况一致。

（三）p-s曲线计算结果对比。数值模型计算出的P-S曲线与桩基静载试验P-S曲线对比如图1所示。

图1 数值模拟与静载试验P-S曲线对比

从图1可以看出：采用上述数值计算模型对滁州地区全取代混凝土人工挖孔桩进行模拟，得到的桩基P-S曲线与桩基静载试验得到的P-S曲线形态相似，吻合度好，能够反映桩基础在竖向荷载作用下的承载特性，因此，采用有限元软件对桩基础承载特性进行研究是可行的。

三、有限元分析

（一）几何模型建立。在挖孔桩工程设计研究中，运用迈达斯软件，采取位移法的有限元程序，建立三维模型。桩四周及其底端与土体都发生作用，为半无限空间体，采用三维空间模型对桩底的竖向承载特性分析，并对桩侧土体通过线形梯度进行单元划分，岩土体采用摩尔-库伦本构模型，桩体采用弹性本构模型。模型剖面图如图2所示，假定计算模型为无限半空间体，并在模型四周土体及其底部施加X、Y、Z方向上的边界约束，对桩顶施加分级荷载，如图3。加载过程中的轴力及侧摩阻力云图如图4、图5所示。

图2 桩基有限元模型

图3 模型边界条件

图4 轴力云图

图5 侧摩阻力云图

（二）方案分析。为研究在不同桩长、不同桩径下桩基承载力的变化规律以及桩侧阻力与桩端阻力的变化规律，本数值模拟中分析方案如下：1.设定桩径为1m，同时将桩长逐一设定为16m、17m和18m，并在桩顶施加强制位移0.04m，分级加载10次。2.设定桩长为16m，同时将桩径设定为1m、1.2m、1.5m，在桩顶施加强制位移0.04m，分级加载10次。

（三）结果分析。

1.桩长对桩基竖向承载特性的影响分析。数值模拟中，随着施工推进，桩长改变时的桩基P-S曲线变化如图6所示（轴力负值表示方向向下，下同）。

图6 桩长改变的桩基P-S曲线

（1）P-S曲线规律分析（见图6）。

由图6可见：随着荷载增加，桩基P-S曲线趋于平缓，无显著破坏特征点。在同一位移时，桩长越长竖向荷载越大。此外P-S曲线平缓的位置不同。

（2）桩竖向承载力变化规律分析。根据《建筑桩基检测技术规范》判定基础极限承载力。结合桩基P-S曲线图分析得出桩径1m桩长16m、17m、18m分别对应的承载力，如表4。因此，桩长对全取代再生混凝土人工挖孔桩的承载特性影响较大，桩长越长桩的承载能力越大。

表4 桩长改变下桩的极限承载力

（3）桩侧阻力与桩端阻力变化规律分析。绘制桩侧桩端阻力柱状图，可以看出极限条件下，顶端位移控制量为40mm时，桩长越深侧阻力和桩端阻力也会越大。但桩侧阻力占总阻力比桩端阻力多。如图7所示。

图7 桩侧桩端阻力柱状图

根据图7可以得出，当桩长为16m时，桩侧阻力849.68kN约占总阻力65.9%，桩端阻力约占34.1%。桩长17m时，桩侧阻力867.83kN约占总阻力64.2%，桩端阻力约占35.8%，桩长18m时，桩侧阻力1053.23kN约占总阻力63.9%，桩端阻力约占36.1%。

分析得出：当逐步提高桩顶荷载，桩侧阻力将显著攀升，而桩端阻力无显著作用，仅缓慢增长。不仅如此，当桩长越长时，其可达到的极限承载力也随之增长，而如果顶端荷载保持一致，则两种阻力均会由于嵌入深度的提高而随之增长。

2.桩径对桩基竖向承载特性的影响分析。数值模拟中，随着施工推进，桩径改变时的桩基P-S曲线见图8。

图8 桩径改变的桩基P-S曲线

（1）P-S曲线规律分析。由图8可见：随着桩径增加，桩基P-S曲线趋于平缓，无显著破坏特征点。在同一位移时，桩径越大竖向荷载越大。

（2）桩竖向承载力变化规律分析。根据《建筑桩基检测技术规范》判定基础的极限承载力。结合桩基P-S曲线图分析得出桩长16m桩径1.0m、1.2m、1.5m，分别对应的承载力为1082.38、1161.6、1289.12kN，如表5。因此，桩径对全取代再生混凝土人工挖孔桩的承载特性影响较大，桩径越大桩的承载能力越大。

表5 桩径改变下桩的极限承载力

（3）桩侧阻力与桩端阻力变化规律分析。极限条件下，顶端位移控制量为40mm时，桩径越大桩侧阻力和桩端阻力也会越大。但桩侧阻力占总阻力比桩端阻力多，如图9。

基于图9将能得知，当桩径为1.0m时，桩侧阻力642.94kN，约占总阻力59.4%，桩端阻力约占40.6%。桩径1.2m时，桩侧阻力662.98kN，约占总阻力57.0%，桩端阻力约占43.0%，桩径为1.5m时，桩侧阻力722.43kN，约占总阻力56.04%，桩端阻力约占43.06%。

图9 桩侧桩端阻力柱状图

分析得出：当逐步提高桩总荷载，桩侧阻力整体占比较高，但桩端阻力占比较低，并逐步增长。不仅如此，当桩径越高时，其可达到的极限承载力也随之增长，而如果顶端荷载保持一致，则两种阻力均会由于桩径的提高而随之增长。

四、结论

全取代混凝土的抗压强度及弹性模量均小于常规混凝土。若桩径保持恒定，则当桩长值较高时，桩基可达到的承载力也会随之增长。且桩侧阻力作用显著，端阻阻力发挥作用较弱。桩长保持恒定，并伴随着桩径的提高，则其可达到的极限承载力也将显著提高，且桩径相对于桩端阻力而产生的影响更为显著。