嵌巖深度對嵌巖樁豎向承載性狀的影響研究

周 穎 沈 簡 黃 波

(中鐵西北科學研究院有限公司，甘肅 蘭州 730070)

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嵌巖深度對嵌巖樁豎向承載性狀的影響研究

周 穎 沈 簡 黃 波

(中鐵西北科學研究院有限公司，甘肅 蘭州 730070)

結合工程實例，選用PLAXIS有限元軟件，采用理論分析和有限元數(shù)值模擬相結合的方法，研究了嵌巖樁嵌巖深度的確定問題，并對試驗樁進行了有限元模擬分析，通過對比分析結果與現(xiàn)場試樁結果，驗證了模型的可靠性。

嵌巖樁，嵌巖深度，豎向承載機理，側摩阻力，樁端阻力

0 引言

由于樁端巖體壓縮性較小，使嵌巖樁具有單樁沉降量小，群樁效應小，承載力高等優(yōu)點，被廣泛應用于各種重要的建筑、水利、橋梁等各項民用工程中。特別是在巖石較多的山區(qū)，由于上覆土層較薄，為滿足承載力的需要，工程中直接將樁嵌入到基巖內(nèi)。

但是由于嵌巖樁樁極限承載力較高、試樁難以達到破壞等原因，其承載性狀至今尚不完全清楚[1]。在承載力及沉降計算上結果相差較大，使設計過于保守而造成不必要的浪費。

嵌巖樁承載性狀與嵌巖深度有關，為弄清嵌巖深度對嵌巖樁承載性狀的影響，諸多學者展開了研究。黃求順[2]認為當嵌巖深度大于5d時，無樁端反力，樁頂荷載完全由側摩阻力承擔，而當樁嵌巖深度為3d時，樁側摩阻力和樁端阻力都可以充分發(fā)揮，3d為“最佳嵌巖深度”； Pells和Turner[3]根據(jù)樁徑求出樁側摩阻力和樁端阻力(假設兩者都能充分發(fā)揮)，進而求出嵌巖深度L=(Qs-Qb)/(πdτ)；明可前[4]通過試驗得到4d為最佳嵌巖深度；劉松玉等[5]認為7d為最大嵌巖深度；許錫賓等[6]認為硬質巖石和軟質巖石的最佳嵌巖深度分別為3d和5d；劉興遠等[7]認為嵌巖樁的承載力隨著嵌巖深度的增加呈線性增長。

在前人的研究基礎上，結合具體工程實例，選用PLAXIS有限元軟件，采用理論分析和有限元數(shù)值模擬相結合的方法，對嵌巖樁嵌巖深度的確定問題進行了進一步的系統(tǒng)研究。

1 嵌巖單樁有限元模型

1.1 幾何模型和物理模型

對于較為復雜的變截面問題需要采用三維模型來求解。根據(jù)樁及樁周巖(土)體的幾何、物理特性以及加載方式，選用三維建模，建立完整的樁及樁周土和巖體[8]。

通過有限元模擬分析，樁周巖土的應力應變在10D(D為樁徑)以外時，已經(jīng)非常小[9]，因此將應力影響半徑和樁端應力影響深度都定為10D，幾何尺寸如圖1所示。

模型四周固定水平方向，允許豎向位移，模型底部可認為水平向和垂直向的位移都為零，即兩個方向都設置約束，上邊界自由。

1.2 基本假設

1)不考慮時間效應；2)樁身混凝土、樁周巖土體都為均勻、各向同性材料；3)荷載為靜力荷載，循環(huán)、周期荷載對材料的影響都不考慮；4)巖土體可以分層，但是各層內(nèi)的巖土體仍是均勻、各向同性材料；5)不考慮土體固結排水、地下水位等因素。

2 試樁結果與有限元對比

2.1 工程實例概況

為了驗證基于PLAXIS建立的模型對嵌巖樁豎向承載特性進行分析的可靠性，對試驗樁進行有限元模擬分析，將分析結果與現(xiàn)場試樁結果進行對比。

以浙江蘭溪發(fā)電廠試樁資料為例，試樁場地各土層的重度、彈性模量、泊松比、粘聚力、內(nèi)摩擦角、巖土層厚度指標見表1。

表1 1號，2號試樁場地土層物理力學性質指標

2.2 有限元計算

三維有限元建模劃分網(wǎng)格完成后如圖2所示。為了計算的精確性，選取了最密的網(wǎng)格劃分形式，PLAXIS有限元軟件會自動對重要部分進行網(wǎng)格細化，從圖2中可以明顯看到樁周網(wǎng)格劃分較密。

根據(jù)試樁資料，樁頂豎向荷載為15 000 kN時有限元計算結果如圖3，圖4所示。

2.3 計算結果分析

提取數(shù)據(jù)結果進行整理，與實測曲線進行對比，得到曲線如圖5,圖6所示。

分析圖5,圖6可知，3D PLAXIS有限元計算的荷載—沉降曲線與實測曲線基本吻合，說明用本文所建立的有限元模型模擬嵌巖樁的承載特性較為合理。

3 嵌巖深度影響研究

計算參數(shù)的選取：完全嵌巖樁樁徑D=600 mm。樁身混凝土彈性模量Ep=3×104MPa，泊松比v=0.18；樁周巖體的彈性模量Er=3 000 MPa，泊松比v=0.25，粘聚力c=800 kPa，摩擦角φ=40°。嵌巖深度變化范圍為2D=1 200 mm，3D=1 800 mm，5D=3 000 mm和7D=4 200 mm。

3.1 對嵌巖樁承載力的影響

保持其他因素不變，對模型進行不同嵌巖深度在不同荷載等級下的有限元分析，其樁頂荷載與樁頂沉降的Q—S曲線如圖7所示。

分析圖7可知，在其他因素保持不變的情況下，隨著嵌巖深度的增加，在相同的樁頂荷載下，樁頂沉降減小，但是其減小的程度低于改變樁徑時樁頂沉降。繪制樁頂荷載為10 000 kN時，不同嵌巖深度的樁頂沉降曲線如圖8所示。

分析圖8可知，在相同的樁頂荷載下，嵌巖深度越大，樁頂沉降越小，但是其減小的趨勢隨嵌巖深度的增加而趨于平緩。

由Q—S曲線分析嵌巖樁的最大承載力。Q—S曲線為緩變型沒有拐點，取樁頂沉降為40 mm時所對應的樁頂荷載。最大承載力與樁徑的關系曲線如圖9所示。

分析圖9可知，樁的承載力由嵌巖深度2D時的13 500 kN增加到嵌巖深度7D時的18 300 kN，近乎線性增長。說明嵌巖深度對樁的承載力有重要影響。

3.2 對嵌巖樁承載特性的影響

基于3.1節(jié)的計算結果，統(tǒng)計不同嵌巖深度在不同荷載等級下，樁土側摩阻力、樁巖側摩阻力、樁端反力的變化數(shù)據(jù)，繪制嵌巖段總承載力分擔百分比和樁端總承載力分擔百分比曲線圖。

分析圖10，圖11可知，在樁徑一定，嵌巖深度不同時，樁土側摩阻力、嵌巖段側摩阻力和樁端反力在樁的承載能力中占的百分比不同。

分析圖10可知，嵌巖深度不同，其分擔百分比總的趨勢大致相同，即嵌巖段承載百分比隨著荷載的增加而增加；并且隨著嵌巖深度的不斷增加，嵌巖段承載的百分比也增加，大約占70%～90%；樁土側摩阻力承擔的百分比逐漸減小。由圖11可知，樁端承擔百分比在5%～60%之間。在嵌巖深度一定時，樁端分擔百分比隨樁頂荷載的增加有先減小后增大的趨勢，但是，當荷載增加到一定程度時，樁端承擔百分比增加的趨勢變緩，這表明，在樁頂荷載較小時，由于相對位移較小，側摩阻力并沒有充分發(fā)揮，只有當樁頂荷載達到一定程度，才能充分調動側摩阻力，此時的樁端承擔百分比最小，當樁頂荷載繼續(xù)增大，樁端承擔百分比也會繼續(xù)增加，但是嵌巖段總的分擔比是一直增加的。不同的嵌巖深度，其承擔百分比差異很大，當嵌巖深度為2D時，樁頂荷載到達10 000 kN時樁端分擔百分比達到了50%以上，嵌巖深度5D的只承擔了20%。

綜上所述，嵌巖深度較小時，樁端承擔大部分荷載，隨著嵌巖深度的增加，樁巖側摩阻力分擔百分比增加，樁端分擔百分比減小，但是嵌巖段總的分擔百分比增加。說明當樁端嵌入巖層較深時，樁頂荷載主要依靠嵌巖段的側摩阻力來平衡，此時傳遞到樁端的荷載很小，使得嵌巖樁的樁端反力得不到有效的發(fā)揮。

4 結語

1)在其他條件一定的情況下，隨著嵌巖深度的增大，相同樁頂荷載下的樁頂沉降減小。2)在5D之前，樁頂沉降減小迅速，以后變化緩慢；樁的承載力隨嵌巖深度的增大而增加，嵌巖段總的荷載分擔百分比非線性增加，樁端反力分擔百分比減小，在嵌巖深度為5D時，達到了20%以下。3)嵌巖深度效應顯然是存在的，一味增加嵌巖深度會造成樁端承載力得不到有效的發(fā)揮，在經(jīng)濟上是不合理的。4)樁端反力不會為零，不存在最大嵌巖深度。

[1] 戴國亮,龔維明,程 曄,等.深長嵌巖樁承載力計算方法研究[J].巖石力學與工程學報,2011,30(S2):4019-4024.

[2] 黃求順.嵌巖樁承載力的試驗研究[A].中國建筑學會地基基礎學術委員會論文集[C].1992：47-52.

[3] Pells P J N，Turner R M. Elastic solutions for the design and analysis ofrock-socketed piles[J].Canadian Geotechnical Journal，1979，16(3)：481-487.

[4] 明可前.嵌巖樁受力機理分析[J].巖土力學，1998，19(1)：65-69.

[5] 劉松玉，季 鵬，韋 杰.大直徑泥質軟巖嵌巖灌注樁的荷載傳遞性狀[J].巖土工程學報，1998，20(4)：58-61.

[6] 許錫賓，周 亮，劉 濤.大直徑嵌巖樁單樁承載性能的有限元分析[J].重慶交通大學學報(自然科學版)，2010，29(6)：942-946.

[7] 劉興遠，鄭穎人.影響嵌巖樁嵌巖段特性的特征參數(shù)分析[J].巖石力學與工程學報，2000，19(3)：383-386.

[8] 李 婉，陳正漢，林育梁.南寧地區(qū)軟巖嵌巖樁的有限元計算機模擬[J].工業(yè)建筑，2005，36(3)：492-496.

[9] 王雁然，潘家軍.嵌巖樁豎向荷載—沉降特性的有限元分析[J].武漢大學學報，2006，39(5)：46-52.

Research on influence of socket depth on vertical loading capacity of rock-socketed piles

Zhou Ying Shen Jian Huang Bo

(NorthwestResearchInstituteCo.,LtdofCREC,Lanzhou730070,China)

In this paper, the method to determine the depth of rock-socketed pile is studied by the theoretical analysis and finite element numerical simulation using PLAXIS finite element software, companied by the analysis of specific engineering practices. To verify the reliability of the model, the finite element simulation result of the test piles was compared with those of the field test piles.

rock-socketed pile, socketed depth, vertical load-bearing behavior, side friction, pile tip resistance

1009-6825(2016)31-0097-03

2016-08-22

周 穎(1992- )，女，助理工程師

TU473

A