实测各试桩孔径质量曲线如图2,结果列于表1.

图2 成孔质量曲线图
Fig.2 Hole quality curve

设计桩径为1.0 m,然而由于实际施工等因素造成试桩成孔超径,为深入探究桩基承载特性需借助实测孔径数据.

根据对实测孔径曲线数据分析,S1、S2、S3桩实测最大孔径分别为1 264 mm、1 156 mm及1 225 mm; 最小孔径为994 mm、1 001 mm和1 005 mm; 平均孔径介于1 069～1 087 mm,平均孔径均大于设计孔径1 m,满足设计要求.

由图3可知,3根试桩曲线均为缓变型,且顶部沉降均未达40 mm,依据《规范》判定:桩的竖向抗压承载力未达到极限时,桩的竖向抗压承载力极限值取桩顶沉降稳定时对应的最大试验荷载值,即最大加载值6 446 kN.则S1、S2和S3试桩单桩竖向抗压承载力值都为6 446 kN,对应桩顶最大沉降为22.98 mm、22.87 mm及23.88 mm.

图3 静载荷试验Q-S曲线

试桩在荷载影响下桩身产生应力变化,记录钢筋应力计在不同载荷下的频率数值,通过计算得到桩身轴向力.

图4 桩身轴力图
Fig.4 Axial force of pile shaft

(1)由图4可知,在顶部荷载作用下曲线衰减趋势明显,表明试桩轴力随桩身深度的增加而递减,桩端阻力发挥值较小,桩承载力以侧阻力为主.

(2)施加各级荷载,3根试桩轴力曲线随桩身的长度方向变化趋势相近,说明在该试验区内,试桩承载力性状表现出一定稳定性.

由桩身轴力数据按式(1)计算桩侧摩阻力,为

式中:q_si为每段地层的侧摩阻力,kPa; D_i为每段地层的桩径平均值(由于成孔试验故选用每段地层的实测孔径),m; ΔN_i为每段地层的上下界面的轴力差,kN; H_i为每段地层的厚度,m; 得到S1、S2、S3桩体侧摩阻力沿桩身长度分布图5.

图5 桩侧摩阻力沿桩身分布图
Fig.5 Distribution of pile side friction resistance along pile shaft

分析试桩侧摩阻力分布规律可知,试桩在各级加载作用下,桩侧摩阻力发挥曲线呈正偏态分布状.受荷载作用影响,桩身压缩变形,导致与桩周土体发生桩土相对位移,从而产生桩侧摩擦阻力承担上部荷载.由图5可知,侧摩阻力在受荷情况下迅速发挥作用,保持相对稳定后出现衰减状态.曲线分布状态上下不对称,存在作用不均匀情况,曲线峰值对应大约桩身12 m处,位于桩身中点以上,上半部分曲线比正态分布曲线更陡,下半部分曲线趋势较平缓,并且其尾线比上半部分曲线更长,曲线属于偏态分布中的正偏态.

桩身中上部是侧阻力发挥的主要区域,桩侧摩阻力最佳发挥范围为桩身4～18 m左右.3根试桩的侧阻力曲线变化趋势明显,均在桩身某一位置出现峰值.随着顶部荷载增加,峰值在逐渐增大,但峰值出现的位置随着桩顶荷载的增加不产生明显移动,3根试桩移动规律相近,峰值位置均出现在桩顶下12 m左右,峰值侧阻力则从20 kPa增加到85 kPa; 从曲线总体形态上看,侧阻力主要由桩顶下4 m增加至极限值,并相对稳定发挥至18 m左右后出现明显减小,说明试桩桩侧摩阻力最佳发挥段为4～18 m左右,与上文轴力分析结果一致.

实测挤密桩预处理黄土地基各土层侧摩阻力值及其与规范值的对比如表1.

表1 土层侧摩阻力值与规范值对比
Tab.1 Comparison of soil lateral friction resistance value with standard value kPa

从表1中可看出,挤密桩预处理后土层侧摩阻力实测值比规范值都大,比值为1.0～1.3,其中4-1-1-1老黄土(挤密桩预处理)4-1-1-2黄土(挤密桩预处理)4-2-1古土壤(挤密桩预处理)土层摩阻力增大约1.3倍.由于黄土地基挤密后,桩周土体密实度增大,桩体与土层摩擦力随之增大,摩擦桩特性发挥更明显同时土层承载性能得到提高.故在设计当中需考虑当桩基受荷达到终止荷载时,挤密桩预处理的土层桩侧阻力取值应大于规范建议值.

但总体来看,终止荷载下挤密区各层土的侧阻力取值与规范的相差并不是很大且本次桩基静载试验并未加载达到极限值,桩侧阻力未发挥到极限,故桩侧摩阻力需要进一步探究分析.

依据上文的桩身轴力结果,可以计算得到桩端阻力变化过程:

端阻力占桩顶荷载百分比如图6所示.

图6 不同荷载作用下端阻占比曲线
Fig.6 End resistance ratio curve under different pile top loads

顶部荷载达4 000 kN后端阻力发挥显著.从图6中可得:当桩顶荷载超过起始荷载以后,桩端阻力占桩顶荷载的比例随着桩顶荷载的增加逐渐增大.加载初期曲线增幅相对较小,加至4 000 kN后曲线斜率陡增,说明桩端阻力初期增长缓慢,4 000 kN后桩端阻力显著发挥,同时3个试桩增长速率表现出来的规律较为相近,可视为具有一致性.

归纳得到试桩达到终止荷载时端阻与桩侧摩阻力发挥比例.当荷载达到终止荷载6 446 kN时S1桩端阻力发挥相对较大为5 530 kN,占总摩阻力的14.2%; S2、S3桩端阻占比9.6%和9.2%.但从总体平均值来看,侧摩阻力发挥占89%,端阻力发挥占11%,灌注桩表现为明显摩擦桩特性,侧摩阻力为主要承载方式,更加突出了挤密处理后黄土地基的侧摩阻力发挥作用.

由于实际试验未达到极限荷载,故进一步分析桩体极限承载力.根据工程实际情况,选用二维轴对称模型应力—应变关系,建立桩身与土体区域.模拟对象为S2桩,桩长28.5 m,桩直径1.0 m,桩身材料取C40混凝土; 依托场地条件,场地模拟尺寸为57 m×28.5 m.由于①3-1新黄土②3-2古土壤③4-1-1-1老黄土④4-1-1-2黄土经过挤密桩预处理,可将其视为一层特殊处理土层,故模型总共划分为4层土,同时参考地勘报告得到各土层黏聚力及摩擦角等数值,具体参数如表2所示.

表2 材料特性值
Tab.2 Material property values

整体模型呈长方形,选用摩尔—库伦塑性模型,桩土作用面采用“硬”摩擦法向行为接触和小滑移公式,同时进行地应力平衡.

创建边界条件时,在桩土接触面添加水平约束,固定整体模型底部竖向位移及设定整体侧面U1为0; 选取刚度大,网格划分较密的桩身表面为主面,桩侧土体为从面; 整个模型划分网格,桩与土网格单元类型选用S4R单元,模型建立如图7.

图7 模型图
Fig.7 Model creation diagram

对桩体进行静载荷试验模拟,模拟桩体分级加载过程,分析步设定为17步,每级加载量为586 kN,记录加载过程中各个节点对应的荷载与桩顶沉降数值,并拟合实测值,如图8.

图8 Q-S对比图
Fig.8 Q-S comparison chart

对比模拟与实测的Q-S曲线,二者曲线变化趋势基本一致,模拟桩在加载到实际终止荷载6 446 kN时,桩顶沉降模拟值与实测误差较小.故可认为基于ABAQUS软件拟合S2桩桩基承载力合理.

根据《建筑基桩检测技术规范》(JGJ106-2014)规定,对于缓变型Q-S曲线可根据沉降量确定,取S=40 mm对应的荷载为单桩极限承载力.经模拟可知,S2模拟桩Q-S曲线属于缓变型,无明显拐点,故可认为S=40 mm时对应的荷载值7 618 kN为S2桩单桩极限承载力.

通过模拟分析桩体承载性状,以桩土接触面为单元提取XY路径,选取沿桩身长度方向为Y轴,应力为X轴,读取加载时对应分析步,得到数据:

(1)模拟可得S2模拟桩加载到极限承载力过程中侧摩阻力数值,故进一步可分析端阻与桩侧摩阻力发挥情况,如图9所示.受荷载作用,桩身压缩变形发生桩土相对位移,产生了桩侧摩阻力.初期荷载基本全部由桩侧摩阻力承担,第一级加载1 172 kN时,端阻发挥只占比1.79%,施加第二级荷载,端阻曲线明显上升,增幅2.87%.之后由于桩侧摩阻力处于最佳发挥阶段,主要有由其承担荷载,故曲线趋于平稳.当荷载达到5 274 kN后,曲线斜率增大,说明此时侧摩阻力已达极限,桩端持力层开始主要承担剩余荷载.最终曲线尾端趋于平稳,表明端阻接近极限,桩体达到极限承载力时端阻占比10.58%,侧阻占比89.42%.故可判别出桩体为摩擦桩,与上文分析一致.

图9 端阻侧阻发挥比例曲线
Fig.9 End resistance side resistance curve

(2)利用ABAQUS模拟桩体达到极限承载力时桩土接触面摩擦应力变化曲线,进一步可分析得到土层的侧摩阻力大小,为桩基设计提供依据.

图 10 桩侧摩阻力沿桩身方向图
Fig.10 Direction diagram of pile side friction along pile shaft

模拟桩体达极限承载荷载情况下桩土摩擦情况,抽取其中7条曲线.由图 10可知,桩侧摩阻力曲线变化虽有差异但总体相差较小且趋势符合正偏态分布状,两条曲线在上部变化幅度较大,桩身2～15 m范围桩土紧密接触产生摩擦,侧摩阻发挥明显,最大可达到106 kPa,桩身中上部为侧阻最佳发挥段; 随着上部荷载的逐级增大,侧摩阻力也随之增加; 计算得到单桩极限承载力下土层平均侧摩阻力值如表3,与规范建议值比较提高约1.19～1.52倍左右,与试验实测所得的有明显提高.

由于工程实际因素,无法实测到第一层新黄土挤密后土层摩阻力,然可通过数值模拟计算出新黄土摩阻力为89.5 kPa,较规范值提高1.49倍.从表中可明显看出,土层经过挤密预处理后侧摩阻力增大,挤密区侧摩阻力平均提高倍数为1.41,土层承载性能显著提高.下部非挤密土层侧摩阻力也有一定提升,整体使得桩基承载性能发挥更好,所得土层摩阻力数据可为该地区实际工程设计提供一定参考价值.

表3 极限荷载下各层土摩阻力取值与规范的比较
Tab.3 Comparison between the values of soil friction resistance at each layer under ultimate load and the norms

地基处理中当采用挤密桩预处理黄土地基时需要考虑不同的影响因素,包括挤密桩材料的选择、桩距分布、挤密系数等.本文通过数值模拟的方法,分析不同挤密系数下地基预处理后黄土地基承载力,探究挤密系数对桩基承载的影响大小.

依据设计报告,分别对挤密系数为0.87、0.90、0.93的素土挤密桩预处理地基进行承载力模拟,不同挤密系数对应的土层参数如表4所示.

表4 挤密区均质化天然状态力学参数取值
Tab.4 Value of mechanical parameters of homogenized natural state in compaction area

(1)荷载—沉降(Q-S)

如图 11得到不同挤密系数下桩基的Q-S曲线,可知三条曲线总体变化趋势相似,不存在明显突变,都属于缓变型; 但不同挤密系数对应的桩基承载性状不同,S=40 mm对应的荷载为单桩极限承载力,挤密系数=0.93对应的单桩极限承载力为7 618 kN,系数=0.90的极限承载力达7 010 kN,系数0.87的为6 930 kN.从中看出挤密系数大小与桩基极限承载力存在相关性,随着系数增大,土体密实度提高,桩基极限承载力越大; 对于相同顶部荷载情况下,挤密系数大的桩基桩顶沉降值越小,基础沉降控制更好.

图 11 不同挤密系数的Q-S曲线
Fig.11 Q-S curves with different compaction factors

(2)最大侧摩阻力

研究桩基在土体不同挤密情况下的承载机制,从图 12可知,三条曲线总体符合正偏态分布,侧摩阻力最佳发挥段为桩体中上部,但明显可看出,挤密系数越大对应的桩基最大侧摩阻力发挥越突出,η^-_c=0.93的桩体最大侧摩阻力达106 kPa,η^-_c=0.90的最大侧摩阻力93.38 kPa,η^-_c=0.87对应为73.74 kPa.进一步分析可知,土体挤密系数提高,颗粒相互挤密结合,土体侧摩阻力随之提高,土层承载能力提升.

图 12 不同挤密系数的桩侧摩阻力曲线
Fig.12 Pile side friction curve with different compaction factors