含水率对膨胀土地基载体桩抗压承载力影响的研究

齐旭辉，唐永成，蔡文江

（1、深圳市宏源建设工程有限公司 深圳 518108；2、深圳榕亨实业集团有限公司 深圳 518014）

0 引言

膨胀土是指含有大量的强亲水性粘土矿物成分，具有显著的吸水膨胀和失水收缩、且胀缩变形往复可逆的高塑性粘土。它一般强度较高，压缩性低，易被误认为工程性能较好，但由于具有膨胀和收缩特性，在膨胀土地区进行工程建筑，如果不采取必要的设计和施工措施，会导致大批建筑物的开裂和损坏，并往往造成坡地建筑场地崩塌、滑坡、地裂等严重的地质灾害，而载体桩作为一种新型桩型，通过夯填建筑垃圾加固桩端土体提高其承载力，具有施工简便、经济环保等特点，得到广泛的的应用，在膨胀土地基中，它可以减少地基胀缩变形量，有效解决对低层建筑物的不良影响［1］。

在工程建设中，桩基可以有效地处理膨胀土地基问题。目前，国内外关于膨胀土桩基的现场试验和理论研究还尚不成熟，张明远等人［2］通过室内模型试验，研究了膨胀土中桩基分别在最优含水率和饱和含水率条件下的下压和上拔荷载桩基的承载特性。孔令刚等人［3］考虑了土体含水量对土体变形模量和表观粘聚力的影响，对不同含水量条件下扩底桩上拔性状进行了分析。齐道坤等人［4］通过改变土体含水率，研究膨胀土地基中桩基在最优含水率和饱和含水率条件下的抗压承载力和抗拔承载力变化，并采用弹性模量折减的方法，模拟了膨胀土含水率升高对膨胀土桩基上拔承载力的影响。

载体桩由于对地基适应性强、环保等特点被广泛关注，相比于传统的扩底桩，载体桩的桩端土体影响区域较大，单桩承载力更高［5］。王虎妹等人［6］通过静载试验，分析了载体桩复合地基承载受力原理，并计算得出了承载受力与地基沉降的关系。

目前，关于载体桩在膨胀土地基的相关研究仅报道在工程实际应用中，有关桩基的承载受力机理和理论分析还有待研究。本文利用孙红云等人［7］通过膨胀土强度试验得到的力学参数，采用ABAQUS 软件对膨胀土地基载体桩工作性状进行数值模拟分析，研究了在不同含水率下，载体桩的抗压极限承载力、桩身轴力以及桩侧摩阻力的变化规律，其研究结论对工程应用具有重要参考意义［8］。

1 载体桩数值模拟计算模型建立

采用ABAQUS 建立载体桩及桩周土三维数值模型，基于结构和受力的对称性，取实际模型的1/2进行计算。为了消除边界对计算区域的影响，水平方向取土的有效作用范围为20 倍桩径，竖向方向取2 倍桩长。假定膨胀土为单一均质的线性弹塑性材料，饱和度均匀分布，且服从Mohr-Coulomb 屈服准则。土体和载体桩的有限元模型如图1所示。

图1 有限元模型及网格划分Fig.1 Finite Element Model and Mesh Generation

模型中载体桩的直径为0.45 m，桩长为5 m，载体直径为1 m，假定桩身和载体紧密相连，且都为均匀的线弹性材料。土体和桩的单元类型都采用八节点缩减积分（C3D8R），桩与桩侧土之间的相互作用采用主-从接触属性，桩-土接触面采用库伦摩擦模型，法向采用硬接触的形式，切向运用罚函数，摩擦系数根据不同含水率作用下膨胀土的内摩擦角取其为tan（0.75φ）。在模型侧向约束X、Y方向的位移，模型底部固定［9］。载体桩的弹性模量E=27.6 GPa，泊松比ν=0.37，混凝土的重度γ=23.0 kN/m3，土的重度γ=18.5 kN/m3，土的弹性模量随含水率的变化而变化，在含水率为13%时，E=60 GPa，当含水率为30%时，E=8.0 GPa，泊松比ν=0.26。不同含水率条件下膨胀土地基的强度参数如表1所示。

表1 膨胀土试验强度参数Tab.1 Test Strength Parameters of Expansive Soil

2 计算结果分析

地应力平衡是桩土模拟中非常重要的一个步骤，采用生死单元功能先对土体应力进行平衡计算，平衡后激活桩体，对其施加重力荷载，模拟桩的过程，其平衡效果如图2所示。ABAQUS中可以使用多种方式施加荷载，本文采用对桩顶分级施加载荷，在抗压分析中，第一步加载320 kN，之后每加载一级160 kN，直至加载到1 600 kN 时停止加载，随后开始卸载，每次卸载320 kN，直至荷载为0。

图2 地应力平衡前后应力及位移云图Fig.2 Geostress Equilibrium Stress Displacement Nephogram

2.1 土体含水率对抗压承载的影响

对不同含水率条件下膨胀土桩基进行模拟分析，计算出每级荷载作用下桩顶的沉降位移，得到的荷载位移曲线如图3所示。

图3 不同含水率下抗压桩荷载位移曲线Fig.3 Load-displacement Curve of Compression Pile under Different Water Content

由图3可以看出，在膨胀土地基，随着地基含水率的增加，桩基的承载力出现明显下降。随着桩顶荷载的增加，各桩的荷载位移曲线均是一条光滑连续的曲线，无明显拐点，卸载荷载后，各桩的回弹量均在15 mm 以内。根据《载体桩设计规范：GJ 135—2007》，当Q-s曲线非线性缓慢变化且无明显拐点时，取沉降为60 mm 时所对应的荷载值为极限承载力，故在含水率为13%时，取最大加载值1 600 kN 为极限荷载值，含水率为30%时，极限荷载值为760 kN，桩基极限承载力下降了52.5%［10］。不同含水率条件下载体桩的极限承载力如表2所示。

表2 不同含水率下载体桩的单桩极限抗压承载力Tab.2 Ultimate Compressive Bearing Capacity of Single Pile with Different Water Content

2.2 土体含水率对桩身轴力的影响

自桩顶向下，每隔0.5 m 提取出桩不同深度处的轴力。极限荷载作用下，载体桩的桩身轴力沿桩深度的分布如图4 所示。可以发现，随着桩基极限承载力的下降，极限状态桩身轴力减小，在不同含水率条件下，轴力沿深度方向变化趋势基本一致，随着深度的增加，桩身轴力逐渐减小，且减小幅度较小。故可说明，含水率对抗压桩桩身轴力的影响较小。

图4 极限抗压荷载下桩身轴力分布Fig.4 Axial Force Distribution of Pile under Ultimate Compressive Load

2.3 土体含水率对桩侧摩阻力的影响

在不同含水率条件下，提取极限荷载作用下桩侧摩阻力随深度变化曲线，如图5所示。可见，沿深度方向，桩侧摩阻力变化趋势呈现出先上升后下降的趋势，含水率越高，极限荷载越大，桩侧摩阻力越靠近桩端，但在桩端处，由于压力作用下载体与周围土体分离，导致侧阻力急剧下降。在不同极限荷载下，桩侧摩阻力最大值不足整体承载力的5%，故仅可考虑安全储备承载力。

图5 极限抗压荷载下桩侧摩阻力分布Fig.5 Distribution of Pile Side Friction under Ultimate Compressive Load

3 结论

基于摩尔库伦原理，结合相关膨胀土直剪试验结果强度参数，采用有限元分析法对膨胀土地基载体桩的抗压承载性状进行数值模拟，分析了不同含水量条件下，载体桩在膨胀土地基中的抗压承载力影响规律。研究结果表明：

⑴土体含水率对载体桩桩基的承载力有着显著的影响，极限抗压承载力随着地基土含水率的增加而降低，含水率越高，承载力的降低速率越慢；

⑵在不同含水率条件下，极限荷载下的抗压桩的桩身轴力沿深度方向变化均随着深度的增加而逐渐减小。含水率对抗压桩的桩身轴力影响较小，随着桩深的变化轴力减小的幅度较小；

⑶在含水率相同的情况下，随着深度的增大，抗压桩的侧摩阻力先增大后减小，呈抛物线形分布；土体含水率越高，抗压桩侧摩阻力最大值越靠近于桩身中部，且占全部承载力的比重较小，分析时仅可用作安全储备承载力考虑。