钻孔灌注桩桩底沉渣对桩体承载特性影响的模拟分析
摘要：由于成桩工艺的原因，钻孔灌注桩底沉渣现象很常见，沉渣的存在会直接影响到桩体在受力过程中的承载力发挥。采用的数值分析软件为FLAC3D，借以分析桩底沉渣厚度对承载力的影响，所得结论对抗拔桩的工程应用有借鉴意义。
关键词：灌注桩；沉渣；承载特性；数值模拟
中图分类号：TU473.1 文献识别码：A 文章编号：1001-828X（2016）025-000-01
引言
在我国基础大建设不断深入开展的过程中，灌注桩基础已广泛应用于桥梁工程、道路工程、公共工程及工民建工程。目前，我国建筑工程中，泥浆护壁灌注桩的使用量每年达30万根以上，而其混凝土体积占到桩基工程总量的70%以上[1]。灌注桩虽然在实际工程中有诸多优点，受到众多工程师的青睐，但也存在着施工步骤时差长，操作工艺较为复杂，在软土地基中易出现桩体不合格现象，比如桩身缩径、夹泥、断桩和沉渣过厚等各种问题，以致影响桩身的完整性、降低单桩的承载能力和增大桩顶的沉降[2]～[3]。
因此，详细分析沉渣厚度对桩体承载性状的影响是十分必要的，并且具有一定的实际使用价值。
一、模型建立
根据FLAC3D软件特点及材料特性，对模型有如下设定[4]：
1.抗拔桩体设置为线弹性材料，土体采用Mohr-Coulomb弹塑性本构模型。
2.桩端顶面为自由端，没有固定约束，土体四周铰支约束，允许竖向变形，水平向无位移变形，底端为固定约束，无位移变形。
3.桩土接触界面设置接触单元，且摩擦参数不变。
在保证土体范围合理的情况下，在分析区水平方向宽度取桩体直径的20倍，桩端下距离为桩长1.5倍。
二、模拟分析
沉渣厚度是影响单桩承载性状的重要因素之一，参考已有学者研究思路，本文沉渣厚度t选取0、50、100、200、300、400、500、700、800、1000mm，共10种沉渣厚度进行对比分析。桩底没有沉渣存在时的桩端阻力和桩侧摩阻力分担荷载的百分比如图1所示：
1.桩土体的承载力分为：桩端阻力和桩侧摩阻力，并且桩侧摩阻力承受的荷载大于桩端阻力，两者发挥程度不同；
2.在桩体承受第一级荷载时，86%的荷载由桩侧摩阻力分担，14%的荷载由桩端阻力分担，反映了桩体承受的荷载是由桩顶向桩底传递的；
3.随着桩顶荷载的增加，桩侧摩阻力分担的荷载在逐渐减小，相对应的桩端阻力所承担的荷载在增加，当达到8级荷载后，曲线发生明显改变，桩侧摩阻力明显减小，桩端阻力明显增加，此时桩侧摩阻力已达到完全发挥，桩侧的滑动塑性区不断发展，桩端承受的荷载增大。
不同厚度沉渣下的桩体极限承载力如图2所示：
1.沉渣的存在对极限承载力的影响很明显，随着沉渣厚度的增加，桩体极限承载力不断减小。
桩顶荷载由桩侧摩阻力和桩端阻力共同承担，加载初期，桩体反力主要由桩侧摩阻力提供，当桩顶荷载达到足以将荷载传至桩底时，桩底沉渣开始受荷变形，沉渣的变形较大，导致桩土相对位移增大，桩侧摩阻力较早的达到极限，桩端阻力也快速达到极限；
2.不同厚度的沉渣对极限承载力的影响程度不同，在t<400mm时，桩体极限承载力大幅减少，曲线斜率较大，当t>400mm时，桩体极限承载力的降低幅度减小，曲线斜率较小。
三、总结
沉渣缺陷桩在受到上不荷载作用时，荷载传递至桩底的荷载会压缩沉渣，当沉渣达到压缩极限时，荷载会继续向下传递，如果沉渣厚度较薄，荷载会较早的传递至沉渣以下的土层，如果沉渣厚度较厚，沉渣在受荷压缩量较大，在这个过程中，由于桩土相对位移较大，桩侧摩阻力会提早达到极限，桩顶的沉降会增大，桩土体的极限承载力近似为桩侧摩阻力。沉渣缺陷桩的以上特性可以为现场判断清孔程度提供参考依据。
参考文献：
[1]张志伟.灌注桩后压浆技术的理论分析与实践[D].吉林：吉林大学，2004.
[2]汤元昌，张志良. 大直径钻孔桩孔底沉渣的置换处理[J].工程勘察.1989，（2）：18.
[3]赵青海.挤扩多支盘钻孔灌注桩孔底沉渣厚度的控制[J].山西建筑，2010，36（12）：85-86.
[4]彭文斌.FLAC3D实用教程[M].北京：机械工业出版社，2008.
作者简介：马 露（1988-），男，汉族，硕士研究生，助教，研究方向：地基基础工程。
基金项目：安徽科技学院高层次人才科研启动项目 复杂荷载条件下桩土相互作用机理的研（NO.ZRC2014464）。