传统静载实验对桩基承载力特性的影响

邢文福

(福建华电邵武能源有限公司 福建邵武 354000)

引 言

随着高层建筑及桥梁工程建设的增多，桩基础应用越发广泛。由于我国地域辽阔，地质条件千差万别，在桩基工程中如何确定不同条件下桩的承载力与沉降就成了设计与施工人员急需解决的问题。目前现场静载试验被认为是最可靠的试桩方法，然而大型工程中桩基的工作特点决定了大面积的静载试验费时费力，且对周围土体的扰动较大。目前国内暂时还没有系统的讨论采用锚固法和堆载法时对试桩及周围土体的影响，传统的静载实验试桩方式对锚桩与试桩桩径之间的距离，堆载平台的面积及位置只是有理论上的规定，然而锚桩、堆载平台等试验因素对桩基承载力特性究竟有怎样的影响则没有进行更深入的研究探讨。因此，利用有限元数值方法来模拟锚固法和堆载法试桩条件下桩的承载力与沉降，并与理论受力桩进行对比分析，研究探讨锚桩与堆载平台对试桩极限承载力、桩顶沉降、桩侧摩阻力等的影响具有重要的实际意义。本文通过Plaxis2D程序建立相关模型，对外部条件均相同的单桩在理论受力试桩、锚固法试桩、堆载法试桩这三种试桩方式下桩的荷载位移曲线，桩侧摩阻力进行比较分析。分析试桩方式对桩基承载特性的影响机制，且讨论桩基规范中对于静载试验中相应规定的合理性

1 计算模型概要

1.1 材料模型与结构单元

Plaxis2D软件提供了6节点单元和15节点单元，15节点单元比6节点单元的计算精度要高，在处理复杂问题时能产生高质量的应力效果，但是计算所花费的时间长，本文采用的为15节点单元;根据本算列的特点，网格划分精度选择中等粗糙程度，并对单桩及锚桩附近的网格进行加密。这样既能减少计算又能得到较为理想的计算效果。采用Plaxis软件自带的Mohr-Coulomb本构模型模拟土体。

(1)弹塑性本构关系:在基坑开挖过程中土体内部会形成一定范围的塑性区，基于此特点采用Mohr-Coulomb模型来模拟土的本构关系。该模型的屈服准则和流动准则如下:

a)屈服准则:屈服准则用来确定开始出现塑性变形时应力的大小，其一般形式为式(1):

式中，k为材料参数，由实验确定，它是强化参数的函数。Mohr-Coulomb屈服准则是Coulomb摩擦破坏规律的推广，表示如下:

式中，σ为正应力，拉伸时为正;c为粘聚力;φ为内摩擦角

b)流动准则:Von Mises提出的塑性位移理论，假设经过应力空间的任何一点，必有一塑性位移等势面存在，其数学表达式称为塑性位移函数。塑性应变增量可用塑性位势函数g(σij)对应力的微分表示:

式中，d是比例常数。上式称为塑性位移理论，它表明一点的塑性应变增量与通过该点的塑性势面存在正交系，也确定了塑性应变增量的方向。

(2)接触面单元模型:在单桩承载力的模拟分析中，桩身与土体之间的接触行为需要用接触面来模拟，具体的方法是:当|τ|＜σntanφi+ci，接触面处于弹性阶段;当|τ|=σntanφi+ci时，接触面进入塑性阶段。

1.2 建模计算

(1)约定三种试桩方式

在此我们讨论3种意义上的试桩方式:

a)理论受力桩(这里我们只讨论竖向受压)，如(图1)所示。

b)锚桩法:即利用主梁和次梁组成反力架，该装置将千斤顶的反力传给锚桩。本文中模拟的锚桩数量为2根(正常情况下应为4根，因本文采用二维模型，故简化为2根)，桩径与试桩桩径相同，入土深度与试桩深度相同，且锚桩与试桩的中心距离取2D，3D，4D，5D，6D;如(图 2)所示。

c)堆载法:即在荷载平台上堆放重物，一般为钢锭或者砂包，也有在荷载平台上置放水箱，向水箱中充水作为荷载。本文模拟时采用的压重量为预估试桩破坏荷载的1.2倍。压重在实验前一次性加上，并均匀稳固的分布于平台上，试桩与堆载平台边缘的距离分别取 2D，3D，4D，5D，6D;如(图 3)所示。

图1 理论受力桩

图2 锚固法试桩

图3 堆载法试桩

表1 桩基规范所规定静载试验布局

(2)数值模型的建立

本文选用轴对称模型，以右边线为桩的中线，运用几何线绘制桩的接口，用摩尔-库伦模型模拟土的强度与刚度，沉管灌注桩桩身采用板来近似，该单元可以受压也可以受拉，用接口单元模拟桩与土的接触面，试桩顶端承受3000KN的集中荷载压力，在最后进入计算程序时，试桩桩顶的荷载采用乘子的方式加载。运用Plaxis2D版本进行竖向集中荷载作用下的单桩在各种试桩方式下的沉降过程模拟计算。桩径d=2.0m，土体分为两层，上层为粘土，层厚10m;下层为砂土，厚度30m。桩入土深度L=20m，砂土层作为持力层。土层接口取50*40(用以模拟半无边界土层)，桩身与土之间的接触通过程序自带的接口接触模型进行模拟，计算参数按(表1、表2)选取。

表2 砂土层与粘土层的材料特性

表3 板的材料特性

2 三种试桩方式计算结果的分析与讨论

2.1 三种试桩方式下单桩的荷载位移曲线对比分析

选择桩基规范里面规定的安全试桩间距来讨论相应的试桩方式对于桩基承载特性的影响。即锚固法时选择锚桩与试桩的桩间距为4D，堆载法时选择堆载平台边缘与试桩的中心间距为4D。在此基础上将锚固法试桩、堆载法试桩与理论受力桩相比较，以理论受力桩作为基准，从而讨论锚固试桩、堆载法试桩这两种静载实验试桩方式对桩的桩的荷载位移曲线、桩侧摩阻力、桩的极限承载力的影响。

由(图4)可知堆载法试桩时的的极限承载力大于理论受力桩的极限承载力，且其极限荷载时所对应的桩顶位移也较小;锚固试桩时桩的极限承载力小于理论受力桩的极限承载力，且其极限荷载时所对应的桩顶位移也较大。

图4 荷载位移曲线

2.2 三种试桩方式下桩侧摩阻力分布比较

图5 桩侧摩阻力随深度变化曲线

由(图5)可知桩侧摩阻力沿深度分布曲线的基本趋势基本相同，随着深度增加，桩侧摩阻力由上到下逐渐增大至发挥极限。同时对三种试桩方式下的桩侧摩阻力对比分析可知锚固法试桩时桩侧摩阻力增加速率最小，单桩次之，堆载法时桩侧摩阻力增加速率最大。

3 试桩方式对桩基承载特性影响机制的分析与讨论

3.1 锚固法对桩基承载特性影响机制的分析与讨论

3.1.1 锚桩对试桩荷载位移曲线的影响

图6 荷载位移曲线

从(图6)可知锚固法时试桩的极限承载力随着锚桩与试桩的桩间距增大(由2D～6D)呈增大的趋势，其极限承载力时所对应的桩顶位移有减小的趋势。由荷载位移曲线的变化趋势可知，若锚桩与试桩的桩间距趋于无穷远，锚固法试桩的荷载位移曲线会无限趋近于理论受力桩的荷载位移曲线，即试桩极限承载力增大，且所对应的桩顶位移减小。由此知在锚固法静载试验时，要想减小锚桩对于试桩的影响并获取精确的试桩承载参数，必须增大锚桩和试桩之间的距离。

桩基规范规定的锚桩与试桩间距为4D所对应荷载位移曲线位于2D和6D之间，即此时锚桩对试桩的承载力减小效应较小但不能忽略不计。

3.1.2 锚桩对试桩桩侧土体竖向、水平向应力的影响

从(图7、图8)可以发现，随着锚桩与试桩的桩间距增大(2D～6D)，桩侧土体竖直向应力和水平向应力均为增大趋势;在桩间距为6D时锚固法试桩时桩侧土体竖直向和水平向应力均为最大。这表明，锚桩对试桩桩侧土体竖直向应力和水平应力都具有减小效应。

图7 桩侧土体竖直向应力沿土层深度分布

图8 桩侧土体水平向应力沿土层深度分布

3.1.3 锚桩对试桩侧摩阻力的影响

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图9 桩侧摩阻力随深度变化曲线

由(图9)知，桩侧摩阻力随着桩体沿土层深度的增大而增大，但当桩身侧摩阻力达到一定程度后为线性增大。锚固法时随着锚桩与试桩的桩间间距逐渐增大，桩身侧摩阻力逐渐增大，且在桩间距为6D时，桩身侧摩阻力最大，即锚桩对桩身侧摩阻力具有减小效应。随着桩间距的增大，锚桩对试桩的桩身侧摩阻力影响逐渐减小，若桩间距增大至无穷，则锚桩对试桩侧摩阻力无影响。由此可知，锚桩通过减小试桩的桩侧摩阻力，从而减小试桩的极限承载力。

综合(图7～图9):锚桩对试桩桩侧土体竖直向应力具有减小效应，进而对桩侧土体水平向应力具有减小效应，故对桩身侧摩阻力具有减小效应;通过以上三个结论我们可以探讨:锚桩在工作过程中要承受上拔力，会导致锚桩周围土体承受向上作用力，所以对桩侧土体的竖直向应力具有减小效应;且同时影响水平向应力，会导致土体向四周松散，即锚桩对试桩桩侧土体水平向应力具有减小效应;最后，由于锚桩的作用对试桩桩身侧摩阻力具有减小效应，导致试桩极限承载力小于单桩理论极限承载力。

3.2 堆载法对桩基承载特性影响机制的分析与讨论

3.2.1 堆载平台对试桩荷载位移曲线的影响

由(图10)可知堆载法时试桩的极限承载力随着堆载平台与试桩的间距增大(由2D～6D)呈减小的趋势，其极限承载力所对应的桩顶位移有增大的趋势。由荷载位移曲线的变化趋势可知，若堆载平台与试桩的间距趋于无穷远，堆载法试桩的荷载位移曲线会无限趋近于理论受力桩的荷载位移曲线，即试桩极限承载力增大，且所对应的桩顶位移减小。由此知在堆载法静载试验时，要想减小堆载平台对于试桩的影响并获取精确的试桩承载参数，必须增大堆载平台和试桩之间的距离。

图10 荷载位移曲线

桩基规范规定的堆载平台与试桩间距为4D所对应荷载位移曲线位于2D和6D之间，即此时堆载平台对试桩的承载力减小效应较小但不能忽略不计。

3.2.2 堆载平台对试桩桩侧土体竖向、水平向应力的影响

从(图11、图12)可以发现，随着堆载平台与试桩的间距增大(2D～6D)，桩侧土体竖直向应力和水平向应力均为减小趋势;在间距为6D时堆载法试桩时桩侧土体竖直向和水平向应力均为最小。这表明，堆载平台对试桩桩侧土体竖直向应力和水平应力都具有增大效应。

图11 桩侧土体竖直向应力沿土层深度分布

图12 桩侧土体水平向应力沿土层深度分布

3.2.3 堆载平台对试桩侧摩阻力的影响

由(图13)知，堆载法时随着堆载平台与试桩的间距逐渐增大，桩身侧摩阻力逐渐减小，且在间距为6D时，桩身侧摩阻力最小，即堆载平台对桩身侧摩阻力具有增大效应。随着间距的增大，堆载平台对试桩的桩身侧摩阻力影响逐渐减小，若间距增大至无穷，则堆载平台对试桩侧摩阻力无影响。由此可知，堆载平台通过增大试桩的桩侧摩阻力，从而增大试桩的极限承载力。

图13 桩侧摩阻力随深度变化曲线

综合(图11～图13):堆载平台对桩侧土体的竖直向应力具有增大效应，进而对桩侧土体的水平向应力具有增大效应，导致桩身侧摩阻力增大;通过以上三个结论我们可以探讨:堆载平台受到堆载重物向下的重力且渐渐下沉，会对堆载平台周围土体有压实作用，所以对桩侧土体的竖直向应力具有增大效应;且堆载平台在对土体进行向下压实过程中会同时导致土体向四周扩散，所以堆载平台对桩侧土体的水平向应力具有增大效应;最后，由于堆载平台对试桩的桩侧土体水平向应力和桩侧土体的竖向应力二者都具有增大效应，所以堆载平台会导致桩身侧摩阻力的增大，从而增大试桩的极限承载力。

4 结论

(1)通过比较发现三种试桩方式下，堆载法试桩时试桩的极限承载力最大，同时极限承载力所对应的桩顶沉降也最小;锚固法试桩时试桩的极限承载力最小，同时极限承载力所对应的桩顶沉降也最大。

(2)在锚桩的作用下，桩侧土体的竖向应力减小，水平向应力也减小，导致桩侧摩阻力变小，桩的极限承载力变小;在堆载平台的作用下，桩侧土体的竖向应力增大，水平向也增大，导致导致桩侧摩阻力变大，桩的极限承载力变大。

(3)静载试验时，通过锚固法所测得的桩基极限承载力小于实际的试桩极限承载力，而通过堆载法所测得桩极限承载力大于实际的试桩极限承载力，故在设计施工时应折算成一定的安全系数才能获得真正的极限承载力。且静载试验会对桩周土体造成干扰，锚固法时锚桩周围土体具有一定向上的位移导致土体松散;堆载法试桩堆载平台对桩周土体具有挤压作用，在增大试桩极限承载力同时会增大试桩周围土体沉降，可能会对附近建筑物产生不良影响。

(4)在桩基工程设计中应考虑静载实验时试桩方式对所测桩基承载力的影响效应。

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