節(jié)理巖體下樁體承載力的三維結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)研究

摘要 使用三維結(jié)構(gòu)面網(wǎng)絡(luò)的模擬手段，通過對不同傾角結(jié)構(gòu)面巖體、不同強(qiáng)度的含結(jié)構(gòu)面巖體和不同樁徑情況下大直徑嵌巖樁承載性能的分析，結(jié)果表明：⑴當(dāng)嵌入端的巖體含有一組優(yōu)勢的結(jié)構(gòu)面時，嵌巖樁樁體出現(xiàn)非對稱的應(yīng)力集中現(xiàn)象。⑵隨著巖體中結(jié)構(gòu)面傾角的增大，嵌巖樁的承載性能呈現(xiàn)出下降的趨勢。⑶樁徑的變大，含連續(xù)傾斜節(jié)理巖體強(qiáng)度的降低，都會對嵌巖樁的沉降量的增加有加劇作用。⑷當(dāng)含有“X”型共軛剪節(jié)理系的巖體作為嵌入端時，嵌巖樁的承載性能并沒有明顯的降低。

關(guān)鍵詞 三維結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)；承載性能；嵌巖樁；FLAC3D

1 三維結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)

為了比較真實(shí)的模擬出在結(jié)構(gòu)面在巖體承載力的影響，采用結(jié)構(gòu)面耦合原理，在巖體內(nèi)部模擬出隨機(jī)的結(jié)構(gòu)面網(wǎng)絡(luò)（如圖2所示）。模型上部為土體下部為基巖，樁體進(jìn)入基巖深度為8m。計(jì)算時通過有限元差分軟件FLAC3D進(jìn)行模擬，圍巖采用Mohr-coulomb本構(gòu)模型，圍巖中存在的結(jié)構(gòu)面定義為Interface模型，對于非貫通的結(jié)構(gòu)面可以采用假想結(jié)構(gòu)面的方法實(shí)現(xiàn)，樁體采用彈性模型。

圖二 結(jié)構(gòu)面網(wǎng)絡(luò)圖

在工程實(shí)踐中，由于存在眾多的影響因素，無法全面的分析結(jié)構(gòu)面存在情況下對樁體的作用。本文希望通過三維結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的模擬手段，得出不同類型嵌入端巖體中結(jié)構(gòu)面對其承載力產(chǎn)生的影響。主要包括圍巖下結(jié)構(gòu)面不同傾角對樁體承載性能的影響，存在“X”型共軛剪節(jié)理系結(jié)構(gòu)面的圍巖對樁體承載性能的影響，存在結(jié)構(gòu)面的不同強(qiáng)度圍巖對樁體承載性能的影響，不同樁徑作用下承載力的變化。本文進(jìn)行以下模擬： ⑴分別模擬嵌入端圍巖中不同傾角的結(jié)構(gòu)面。結(jié)構(gòu)面的傾角選取15o、30o、45o、60o、75o的情況。 ⑵對嵌入端圍巖中存在“X”型共軛剪節(jié)理系的情況進(jìn)行模擬，結(jié)構(gòu)面的傾角選取15o、45o的情況。 ⑶取不同強(qiáng)度的巖體作為嵌入端巖體進(jìn)行模擬。其中包含有結(jié)構(gòu)面，結(jié)構(gòu)面的傾角取為15o、45o（材料的參數(shù)見表1） ⑷模擬不同樁徑的嵌巖樁在節(jié)理圍巖體中的承載特性。其中傾角分別為15o、45o。

表一 有關(guān)參數(shù)取值

Table 1 parameters of calculation

巖層E/Mpac/KPaφ/（o）ρ（kg·m-3）

軟100080252300

中硬6000200302300

硬12000400352300

2嵌巖樁承載性能的分析

2.1 數(shù)值模擬的受力狀態(tài)分析

對存在結(jié)構(gòu)面圍巖的嵌巖樁進(jìn)行應(yīng)力分析，載荷作用于樁體頂部，分級進(jìn)行加載。隨著載荷的不斷增加，樁體出現(xiàn)應(yīng)力集中的區(qū)域，由于連續(xù)結(jié)構(gòu)面的存在，此時的應(yīng)力集中區(qū)域不同于底部為完整巖體的情況。在樁底面上，應(yīng)力主要集中在樁體與傾斜結(jié)構(gòu)面的連結(jié)位置。并且在樁土體的連接處也出現(xiàn)了一個應(yīng)力集中的區(qū)域，這兩個應(yīng)力集中區(qū)的出現(xiàn)是由于樁底的巖體的承受荷載時，由于結(jié)構(gòu)面的存在，無法均勻產(chǎn)生均勻的沉降，造成了朝著結(jié)構(gòu)面方向的地面樁底應(yīng)力集中于左側(cè)，而在巖體與土體的交界處，不均勻的沉降也令巖體與樁體的接觸面偏向了一邊，出現(xiàn)了應(yīng)力集中的不對稱性。見圖4

圖四 75o結(jié)構(gòu)面巖體受力時的應(yīng)力云圖

2.2 各參數(shù)對嵌巖樁承載性能的影響分析

⑴結(jié)構(gòu)面傾角的影響

在研究嵌入巖體中結(jié)構(gòu)面不同傾角對嵌巖樁承載性能的影響時，分別建立含有15o、30o、45o、60o、75o傾角結(jié)構(gòu)面的圍巖。嵌入深度為8m，圍巖為中等強(qiáng)度（材料參數(shù)見表1），樁徑0.8m。逐級施加荷載，圖5、6分別為各傾角圍巖在荷載作用下樁體產(chǎn)生的沉降。由Q-S曲線分析可知，隨著傾角的不斷增加，沉降量也在不斷的變大，75o傾角圍巖中產(chǎn)生的沉降量已經(jīng)明顯大于15o情況。由于此時選用中硬巖體做為含節(jié)理的嵌入端巖體，因此此時嵌巖樁表現(xiàn)出來的沉降量的下降趨勢沒開開始增大。

圖五 不同傾角下嵌巖樁Q-S曲線圖六 不同傾角下嵌巖樁Q-S曲線

⑵“X”型共軛剪節(jié)理系結(jié)構(gòu)面的影響

為進(jìn)一步研究含結(jié)構(gòu)面巖體在不同情況下對嵌巖樁承載性能產(chǎn)生的影響，在相同的約束條件下，建立含“X”型共軛剪節(jié)理系的結(jié)構(gòu)面的巖體，其傾角分別為15o、45o。嵌巖樁的樁徑與嵌入深度情況同前。在逐級施加荷載的作用下，繪制出樁體的Q-S曲線，從圖7中可以看出兩組對稱結(jié)構(gòu)面圍巖中的樁體沉降量沒有明顯的增加。通過Q-S曲線的對比可以看出，在含有兩組45o對稱“X”型共軛剪節(jié)理系結(jié)構(gòu)面圍巖中樁體的沉降反而小于一組含有15o傾角結(jié)構(gòu)面的情況。

圖七 兩組對稱結(jié)構(gòu)面下嵌巖樁Q-S曲線

⑶不同強(qiáng)度的節(jié)理圍巖的影響

巖體的參數(shù)對樁體承載性能有著重要的影響，采用表1中的軟巖、硬巖參數(shù)的巖體建立模型，其中分別含有15o、75o傾角的結(jié)構(gòu)面。對嵌入的樁體施加荷載，得到不同巖性參數(shù)條件下樁體的Q-S曲線（圖8）?？梢钥闯鲈谟矌r中巖體的沉降量下降的趨勢不是十分明顯，而在含有75o傾角結(jié)構(gòu)面的軟巖作為嵌入端巖體時，嵌巖樁樁體的Q-S曲線下降趨勢顯著。表明軟巖中存在節(jié)理時嵌巖樁更加容易遭受破壞。

圖八 不同強(qiáng)度下嵌巖樁Q-S曲線

3 結(jié)論

通過基于結(jié)構(gòu)面耦合原理的三維結(jié)構(gòu)面網(wǎng)絡(luò)模擬，得到不同條件下結(jié)構(gòu)面在巖體承載性中的影響。通過分析得到一下結(jié)論：

⑴存在結(jié)構(gòu)面的圍巖中，嵌巖樁的受力發(fā)生了變化，出現(xiàn)了兩個應(yīng)力集中的區(qū)域，分別位于傾斜結(jié)構(gòu)面與樁體的接觸處和巖體與土體交界的一側(cè)，這是造成嵌巖樁承性能下降的主要因素。

⑵在相同圍巖強(qiáng)度和樁徑的條件下，隨著嵌入端巖體中結(jié)構(gòu)面傾角的增加，樁體的承載性能逐漸降低。并且在荷載較大的情況，這種嵌巖樁承載性能降低的趨勢也越明顯。

⑶巖體的巖性參數(shù)與樁體的樁徑變化對含有結(jié)構(gòu)面巖體中的嵌巖樁承載性能影響較大。含節(jié)理巖體的強(qiáng)度越低，嵌巖樁沉降量增加越快，隨著嵌巖樁樁徑的變大，嵌巖樁的沉降量也越大。并且當(dāng)以含有大傾角結(jié)構(gòu)面巖體作為嵌入巖體時，嵌巖樁沉降量呈現(xiàn)出增加加快的趨勢。

⑷當(dāng)采用含有“X”型共軛剪節(jié)理系結(jié)構(gòu)面的巖體作為嵌入端巖體時，嵌巖樁的承載性能下降不明顯，與無連續(xù)結(jié)構(gòu)面巖體的情況相差不大。

通過數(shù)值模擬的手段得到了含結(jié)構(gòu)面巖體對嵌巖樁承載力影響的一般規(guī)律，可以為今后的設(shè)計(jì)、施工以及科學(xué)研究提供依據(jù)。

[1] 晏長根，伍法權(quán)，祁生文，劉彤，宮島昌克.隨機(jī)節(jié)理巖體變形與強(qiáng)度參數(shù)及其尺寸效應(yīng)的數(shù)值模擬研究[J]巖土工程學(xué)報，1000-4548（2009）06-0879-07

[2] 中國建筑科學(xué)研究院.JGJ 94-2008 建筑樁基技術(shù)規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2008

作者簡介：李哲豪，男，（1990.01.01），中國地質(zhì)大學(xué)（武漢），碩士研究生，研究方向?yàn)閹r體的穩(wěn)定性分析