吕玺琳 范 琪 刘泳钢 江 杰

（1.同济大学岩土及地下工程教育部重点实验室，上海 200092；2.同济大学地下建筑与工程系，上海 200092；3.四川省建筑科学研究院，成都 610081；4.广西大学土木建筑工程学院，南宁 530004）

0 引 言

膨胀土在我国分布广泛，在东南部及中西部地区均有不同程度分布。膨胀土是含较多蒙脱石、伊利石等亲水性黏土矿物的高塑性黏土[1]，具有吸水量大、塑性强、失水收缩及浸水膨胀软化等特性。受膨胀土胀缩特性影响，在膨胀土地基修建的建（构）筑物安全性面临较大挑战。桩基在膨胀土地区建（构）筑物基础中得到了广泛采用[2]，由于膨胀土地基中桩基承载特性复杂，在工程设计及服役性能评估时，需对其承载力变化特性进行研究。

当前有关膨胀土的力学特性研究已取得丰富成果。如卢再华等[3]基于三轴剪切试验，研究了不同应力路径条件下南阳膨胀土的变形和强度特性，并分析了干湿循环对强度参数的影响规律。杨庆等[4]通过直剪试验，得到了梅山膨胀土的膨胀力、黏聚力、内摩擦角与含水量间的关系，并对非饱和膨胀土强度公式进行了修正。刘洪伏等[5]利用三向膨胀仪研究了不同初始含水率、干密度和温度下邯郸强膨胀土的膨胀力变化规律。孙德安[6]测定了南阳膨胀土的土水特征曲线，并分析了孔隙比与吸力、饱和度间的关系。程展林等[7]研究了膨胀土裂隙对其强度的影响，得出了描述非饱和膨胀土的强度指标。

有关膨胀地基土中桩的承载特性研究当前也已取得较大进展，如王年香等[8]利用大型模型试验研究了膨胀土地基浸水过程桩侧摩阻力和胀切力变化规律，发现浸水导致桩侧摩阻力和承载力明显降低。Prakash等[9]通过试验研究了膨胀土中钻孔灌注桩在竖向荷载作用下内力传递规律。由于数值模拟可对多种因素定量分析，该法已应用于桩基承载力的计算中。齐道坤等[10]考虑弹性模量折减，模拟了膨胀土含水率升高对桩基上拔和下压承载力影响。Mohamedzein等[11]建立了膨胀土地基桩土有限元计算模型，将数值计算结果与现场试验结果进行了对比验证。刘湘莅等[12]通过三维有限元数值模拟，分析了膨胀土地基中输电线塔桩基础承载力和破坏模式。这些研究成果为膨胀土地基中桩基承载力确定提供了理论基础，但针对含水率变化时膨胀土桩基承载特性研究还不够系统，有必要开展深入分析。

由于膨胀土力学性质复杂，膨胀土地基中桩-土相互作用与常规地基差别较大，因而开展地基含水率变化对桩基承载特性影响机制研究对于工程设计和施工安全控制具有理论意义。本文通过分析不同含水率条件下膨胀土力学特性，获得膨胀土变形和强度参数随含水率的变化规律。进一步开展膨胀土地基中桩基三维有限元数值模拟，得到含水率升高条件下桩基极限承载力、桩身轴力及桩侧摩阻力的变化规律，从而为膨胀土地基中桩基础设计和施工提供参考。

1 不同含水率膨胀土的力学参数

针对膨胀土开展三轴固结剪切试验，研究不同含水率条件下其变形及强度参数变化规律。试验土样取自河南南阳，呈黄褐色，原状土天然含水率为18.0%，天然密度为2.07 g/cm3，塑性指数为18.2，液性指数为37.7，自由膨胀率为59.0%，属于弱膨胀土。根据苏征[13]开展的三轴固结剪切试验结果，得到膨胀土弹性模量随含水率的变化规律如图1所示。

图1 弹性模量随含水率的变化Fig.1 Change of elastic modulus with different moisture content

土体强度参数随含水率变化曲线如图2所示，可看出，黏聚力和内摩擦角均随含水率呈三段式变化，可分为A、B、C三个区段。随着含水率不断增大，黏聚力先在A区略微增大，在B区略微减小，而后在C区近似呈线性减小，而内摩擦角则在A区和C区内缓慢减小，在B区内急剧减小。

图2 强度参数随含水率变化曲线Fig.2 Varying curves of strength parameters with moisture content

2 不同含水率膨胀土地基中单桩承载特性数值模拟

采用通用有限元软件ABAQUS建立分析模型，模型桩长L=27 m、桩径D=2 m，地基水平方向及深度均设为50 m，如图3所示。计算网格选取三维八节点实体单元C3D8生成，并将网格在基础和土体接触区域进行局部加密，以提高计算精度。土体采用Mohr-Coulomb模型，桩体采用弹性模型描述其本构特性。边界条件设置为约束模型四周对应水平方向位移，约束底部三个方向的位移。桩体重度为25 kN/m3、弹性模量20 GPa、泊松比为0.31。天然状态下膨胀土重度为20.7 kN/m3、泊松比为0.35。数值模拟中，膨胀土共设置w=7.6%，w=13.8%，w=18.0%（天然状态），w=23.0%，w=26.5%，w=31.0%（饱和状态）6组不同含水率条件进行分析，由图1拟合曲线可得6组含水率条件下地基土的弹性模量分别为86 MPa、75 MPa、65 MPa、47 MPa、41 MPa、37 MPa。膨胀土强度参数随含水率变化如图2所示。桩土间设置摩擦接触来模拟侧摩阻力，法向选用硬接触，切向选用罚接触，摩擦系数μ=tan（0.75φ）。

图3 分析模型及网格Fig.3 FE Model and the mesh

首先，设置地应力平衡分析步，地应力平衡分析步类型为Geostatic，在地基土中施加预定义应力场，以消除由于地基土自重产生的变形。然后，开展加载分析步，将步长设置为自动，最大步长为0.05，初始步长取0.01。最后，得出模型的应力、位移分布情况，并得到桩基的Q-s曲线、桩轴力和桩侧阻力随深度的分布曲线。

3 桩基承载特性模拟结果分析

3.1 承载特性Q-s特征曲线

含水率增大导致膨胀土地基软化、强度降低，故桩基承载力是否满足工程需求是亟需分析的问题。为模拟竖向荷载作用下膨胀土桩基承载力，采用位移加载模拟，通过数值计算得到不同含水率地基中桩顶荷载与无量纲化位移的Q-s曲线如图4所示。从图中可看出，含水率升高会使Q-s曲线形状改变，在地基土含水率高于天然含水率情况下，桩基Q-s曲线拐点较明显，呈现为陡降型变化。在低于天然含水率情况下，桩基Q-s曲线无明显拐点，曲线整体呈缓变型。

图4 不同含水率地基中桩的荷载位移曲线Fig.4 Load displacement curve of pile in foundation with different moisture content

3.2 桩基极限承载力

根据《建筑桩基技术规范》（JGJ 94—2008）[14]，对于陡降型Q-s曲线，可选取出现明显陡降的起始点所对应的荷载作为极限荷载；对于缓变型曲线，一般可取桩顶沉降40 mm所对应的荷载值为极限荷载。不同含水率下单桩的极限承载力情况如图5所示，根据曲线可看出，随着膨胀土含水率升高，桩基极限承载力明显降低，大致呈三段式下降。极限承载力在天然含水附近对含水率变化敏感，而在较低和较高含水率时随含水率变化较缓慢。

图5 桩基极限承载力随地基含水率变化Fig.5 The change of ultimate pile bearing capacity with the moisture content of foundation

选取w=7.6%、w=18.0%和w=31.0%三种含水率的膨胀土地基，分析得到极限承载状态下地基的塑性应变分布如图6所示。由图中可知，在膨胀土地基达到饱和前，不同含水率下地基土的塑性应变分布基本一致，含水率对塑性区分布并无太大影响，均是在桩端周围3～5倍桩径范围内形成椭球形塑性区，而桩周土体并未屈服破坏。当地基完全饱和时，由于土体强度较低，桩基下部土体的塑性变形显著增大，塑性破坏区范围增大并向桩底发展。

图6 地基土塑性应变分布Fig.6 Plastic strain distribution of foundation

三种典型含水率地基中桩周土体位移分布如图7所示。从图中可看出，含水率升高造成极限状态下桩周土位移增大。

图7 极限状态下桩周土体变形Fig.7 Deformation around pile under ultimate state

3.3 桩身轴力分布

模拟得到的桩身轴力分布如图8所示。从图中可看出，不同含水率下桩身轴力随深度变化曲线表现出相同特征，均呈现为随深度增加侧摩阻力逐渐发挥，桩身轴力减小，且减小速度逐渐增大。不同深度处桩身轴力均随含水率升高而减小，深度较浅部分减小幅度较大，而随着深度增加，含水率对轴力影响减小。

图8 桩身轴力分布Fig.8 The distribution of pile axial force

3.4 桩侧桩端阻力特性

当桩基达到极限承载力状态时，地基含水率变化导致的桩侧摩阻力分布变化如图9所示。从图中可看出，桩身未出现负摩阻力，侧摩阻力沿桩身均有发挥，桩顶和桩底部分发挥程度较小，桩身中下部为侧阻最佳发挥段[15]，且随深度近似呈直线增大。从图7、图8对比可知，在低含水率状态，桩周土位移较小，桩-土相对位移较大，侧摩阻力先发挥至极限后剩余上部荷载由桩端阻力承担。随着地基土含水率升高，桩周土位移逐渐增大，桩-土相对位移减小，此时极限侧摩阻力已承担大部分上部荷载，桩端阻力的荷载分担比很小。在接近桩端位置，桩端阻力导致此处的桩土相对位移较小，导致桩侧摩阻力不能充分发挥，因而会产生深度增加而侧摩阻力减小的情况。随着膨胀土含水率升高，桩上部1/4段的侧摩阻力逐渐增大，而桩身中下段侧摩阻力逐渐减小。表明含水率越高，桩侧摩阻力越小，但发挥速度更快。在含水率由7.6%增加到31%过程中，桩身全长平均侧摩阻力由38.2 kPa减小至25.3 kPa，减少了33.8%。

图9 桩侧摩阻力分布Fig.9 The distribution of pile lateral friction

根据图8中深度为27 m处（桩端）的桩身轴力作为桩端阻力，得到不同含水率地基中极限状态下的桩侧阻力与桩端阻力比值如图10所示。从图中可看出，不同含水率地基中桩顶极限荷载均由桩端阻力与桩侧阻力共同承担。当地基含水率较低时，桩端阻力分担荷载较大，属于摩擦端承桩。随着地基含水率升高，桩侧阻力分担比例增大，桩逐渐由摩擦端承桩转变为端承摩擦桩。

图10 桩侧阻力与桩端阻力比值随含水率变化Fig.10 Variation of the ratio of side friction and end resistance with water content

4 结论

通过分析典型膨胀土力学特性，得到不同含水率下其变形特性和强度参数，据此对膨胀土桩基开展弹塑性三维有限元模拟，并研究了地基土含水率变化导致的桩基承载特性变化特性，得出以下结论：

（1）随着含水率升高，膨胀土的弹性模量逐渐减小，黏聚力呈现出先略增大然后急剧减小的趋势，内摩擦角则呈现出倒S形变化曲线，在中等含水率阶段变化明显。

（2）在高含水率膨胀土地基中，桩基Q-s曲线表现为陡降型，低含水率下无明显拐点，曲线呈缓变型模式。含水率升高导致桩基极限承载力降低，地基土体饱和时桩基承载力仅为地基土体含水率7.6%时的46%。

（3）桩身轴力沿深度逐渐减小，且减小速度随深度增大。含水率升高导致桩全长范围内的轴力减小，深度较浅部分减小幅度更大。桩侧摩阻力沿桩身均有发挥，桩身中下部为侧阻最佳发挥段，随着深度增加，桩侧摩阻力增大，靠近桩底部分受端阻力影响使侧摩阻力减小。随着地基含水率升高，桩侧摩阻力减小，侧摩阻力发挥速度更快。

（4）桩侧摩阻力先发挥至极限后端阻力逐渐发挥，当地基含水率较低时，由桩端阻力分担大部分极限荷载，随着含水率升高，桩侧阻力荷载分担比增大。