马 聪

(云南省交通科学研究院，云南 昆明 650011)

0 引 言

钻孔灌注桩具有单桩承载能力大、桩端能够有效嵌入岩层、桩侧与土体可有效黏结以及施工震动低、噪音低等优势[1-5]，而在喀斯特地貌发育的地质情况下，这类基础工程需要考虑的安全因素较多。为了研究钻孔灌注桩在特殊地质条件下的使用情况，本文利用有限元软件ABAQUS对桩体承载机制及破坏形式进行分析。

1 工程概况

云贵高原剥蚀地貌区的高跨桥梁采用钻孔灌注桩的施工工艺。该地区的地质特点为：地形起伏大，岩溶地质复杂且存在断层；以坡洪积层、坡残积层、粉质黏土、黏土、碎石土、岩性灰岩、白云岩、泥灰岩、泥质灰岩、泥岩、砂岩为主要不良地质岩；地表水系发达，地下水以岩溶水为主。

钻孔桩施工采用CFZ-1000反循环冲击钻机成孔，桩径有1.0、1.25、1.5 m等，导管灌注成桩，并通过钻孔平台搭设、护筒埋设、钻孔、清孔、制作、安装钢筋骨架、灌注水下混凝土、 截除桩头和桩基检验等一系列施工流程来完成基础施工。

2 计算模型

大直径灌注桩的计算模型如图1所示。计算公式为

Quk=Qsk+Qpk=u∑ψsqskli+ψpqpkAp

(1)

式中：Quk为单桩极限承载力；Qsk为单桩极限侧阻力标准值；Qpk为单桩极限端阻力标准值；li为第i层土厚度；Ap为桩截面积；qsk、qpk分别为桩侧第i层土侧阻力标准值、桩端阻力标准值；ψs、ψp分别为桩侧与桩端尺寸应变系数；u为桩周长。

(2)

根据图1进行简易计算，则有式中：Qs1为桩土接触面的摩擦力；Qs2为桩端与土体的剪切力；Qs3为桩端阻力；μ为桩土摩擦系数，μ=tan(0.75Φ)，Φ为摩擦角；K0为静止土压力系数；γ1、γ2分别代表土体和基岩的重度；d为注浆体直径；c为土体黏聚力。

图1 计算模型

3 有限元分析

3.1 有限元建模

根据工程采用的大直径灌注桩选取直径为1.25 m的桩进行ABAQUS三维建模，分析其承载机制及土体破坏形式[6-8]。为了便于数值模拟，土体材料参数归一化，这里嵌入岩层厚度选择3d；土体采用M-C模型，考虑桩土接触面的设置时，桩与土采用face-face接触，摩擦系数μ选取为tan(0.75Φ)；同时，考虑边界条件的尺寸效应问题。桩土材料参数根据经验的取值见表1，桩土模型如图2所示。

3.2 数据分析

3.2.1 承载力分析

本文选取桩长为12 m的桩作为研究对象。通过计算得到荷载与位移曲线关系，如图3所示，根据经验取位移为0.05d时的荷载值作为单桩抗压极限承载力值，由此得到该单桩的安全承载力为3 916.8 kN，并由式(2)计算得到Qs3的极限值为2 034.9 kN，可见该灌注桩主要由桩端承载。

表1 桩土材料参数

图2 桩土模型

由图3可知，桩体呈现缓变承载趋势。在荷载传递过程中，先是桩侧发挥抵制下压荷载的作用，呈线性，即ab段；荷载逐渐增大，桩端发挥作用，呈现缓变，即bc段；继续加大荷载，桩端土体能够完全进入塑性发展状态，呈线性，即cd段。

图3 荷载与位移的曲线关系

3.2.2 桩身轴力分析

通过静力荷载分级施加，对桩身轴力进行分析，如图4所示。桩身轴力沿着桩深曲线走势一致，桩顶至桩深8.25 m处，上部荷载沿着桩侧线性递减幅度较小，可看作是等效荷载传递；桩深8.25 m至桩底，曲线形式有较大变化，先是荷载递减程度加大，随后在桩底形成应力扩散，表现为端承桩的特性。

图4 桩身轴力曲线

3.2.3 破坏形式分析

大直径钻孔灌注桩在承受极限荷载时，往往表现出对桩端土体的剪切破坏，呈现出冲剪锥台的形状，计算简图如图5所示。通过图6桩端位移矢量云图可以观测到：随着荷载的增加，桩侧带着桩周土体向下移动，在桩底以上约1.5d处形成角度小于45°的变形区。

图5 桩端土体剪切破坏

图6 桩端位移矢量图

桩体破坏表现为桩端土体进入塑性屈服，如图7所示。大致影响区域为：锥台上表面直径为1.75d，下表面直径为4.5d，高为5d(包括1.5d的嵌入部分)。因此，在桩基施工时若不能保证桩端有效承载，可以采取桩端注浆措施来提高强度。

3.2.4 参数变化分析

(1)变化Φ、c值。这里选取单一土层土体进行参数变化分析，在M-C模型里，Φ、c值的选取较为关键，各桩径荷载随Φ、c值的变化情况如图8、9所示。其中，Φ值分别取18°、23°、28°、33°，c值分别取19.0、39.0、59.0、79.0 kPa。

图8 Φ改变时不同桩径极限荷载情况

图9 c改变时不同桩径极限荷载情况

由图8、9可见，桩承载能力随着Φ、c值的增大呈线性增大。因此，在实际工程中，可根据桩体设计承载力及地质勘测情况选取适当桩径的桩。

(2)变化桩长。选取桩长L分别为8.0、12.0、20.0、28.0 m进行分析，如图10所示。由图10可知，随着桩长的增大，承载能力增加；桩径越大，承载能力也越大。

图10 桩长改变时不同桩径极限荷载情况

4 关键技术分析

钻孔灌注桩常采用泥浆护壁来保证桩土的紧密黏结，并采取一系列的工程措施，如平整场地使钻孔桩锤与地面垂直、桩孔测量放样、护筒高于地面0.3 m进行铺设以及倾斜偏差要小于1%等[9-12]。在钻孔过程中需要有稳定的泥浆压力对壁孔形成支撑，当遇到桩深低于潜水时，孔内水位一般高于潜水位2.0 m，以防止周围土体涌入孔内形成塌孔。钻孔过程应连续并及时观察成孔质量，在吊放钢筋笼之前对孔内沉渣进行处理，并采用导管法对孔内浇注浆液，最终采用超声波对桩体质量进行检测。

成桩及护壁与周围土体的关系如图11所示。桩与土体的接触需要考虑护壁对两者的影响，在有限元分析中即考虑桩土、接触面的摩擦关系。设置桩土接触面的摩擦系数分别为μ、1.5μ、2μ进行有限元分析，结果如图12所示。可见，摩擦系数对桩体承载力有一定影响，摩擦系数为μ的桩体极限承载力是摩擦系数为2μ的83.85%。

图11 钻孔灌注桩

图12 μ改变时荷载与位移关系

5 结 语

(1)基于灌注桩的荷载传递机制，通过计算公式得到，L/d<10时,承载主要由桩端维持，有端承桩的特性。

(2)灌注桩在极限荷载下破坏形式表现为锥台型的端部土体塑性屈服，影响深度为5d，因此在施工时要保证有足够的端部土体承载力。

(3)承载力随着桩径d的增大而增大，Φ、c值及桩长L与承载力成正比关系。

(4)对于短桩，除了改善端层土提高承载力外，还可以采用增大桩土接触面的摩擦系数来提高极限承载力。在实际工程中，可以在桩土接触部位施加无机胶凝材料等。